基于核心素養導向的高中物理教學案例分析
——以《電容器的電容》第一課時教學設計為例

董 新

（杭州第四中學，浙江 杭州 311100）

0 引言

物理核心素養是學生在接受物理教育過程中逐步形成的適應個人終身發展和社會發展需要的必備品格和關鍵能力，包括物理概念，科學思維，科學探究，科學態度與責任四部分[1]。通過對物理課堂活動的多層次設計，充分調動學生的感官，讓學生在故事的講解中，實驗演示中，還有親自動手做的過程中，完成對知識的加工，消化與吸收，并在此基礎上通過介紹電容式觸摸屏原理，激發學生對知識運用的興趣，從而真正發展和培養學生的核心素養，體現教育以人為本的思想。

1 教學設計流程

1.1 引入電容器

問題1：水可以用容器儲存起來，電荷也可以用一個容器“儲存”起來，我們稱它為電容器，那么電容器的內部構造又是怎樣的？

在普通的飲料瓶外面包一層鋁箔紙，瓶子里面盛滿鹽水，這樣就形成了彼此靠近又相互絕緣的兩個導體。瓶蓋上打一個孔，插入釘子，釘子的下端浸入鹽水。釘子與鹽水構成電容器的一極，外面的鋁箔紙構成電容器另一極。這就是一個簡單的自制電器。用感應起電機給電容器充電，然后讓學生一只手握住外面的鋁箔紙，另外一只手觸碰釘子，學生將明顯感受到電擊，該電擊不會對學生造成危險。用導線的一端連接錫箔紙，另一端（細而尖）靠近釘子，會聽到“噼啪”聲，能觀察到輕微的火花放電。教師引導學生認識電容器，即兩個彼此絕緣又相距很近的導體，就構成了電容器。

設計思想：物理知識是形成物理學科素養的載體，而物理情境則是學習物理知識的載體，物理知識要轉化成學生素養，離不開情境的參與[2]。電荷看不見，摸不著，電容器卻能夠“儲存”電荷，如何形象地將這一特征體現出來？這里通過兩個演示實驗，讓學生從觸覺，視覺，聽覺去感受電容器的這一奇特本領，學生一定會印象深刻。

1.2 歷史追溯

18 世紀出現了最早的電容器—萊頓瓶，其構造與自制電容器非常類似。萊頓瓶在歐洲引起了強烈的反響，科學家們不僅利用它們做了大量的實驗，而且還有極為壯觀的示范表演。

風箏實驗：1752 年富蘭克林在費城進行了震驚世界的電風箏實驗：在雷電交加的情況下，利用風箏將閃電收集到萊頓瓶中，使其充電，由此證明了他所提出的“閃電和靜電的同一性質”的設想。該實驗破除了迷信，揭示了自然力的真實性質。

設計思想：對歷史的追溯，一方面為后面電容器的教學進行了必要的情景鋪墊，能激發學生學習的興趣；另一方面也是培養學生科學態度與責任的重要載體。

2 介紹平行板電容器與電解電容器

平行板電容器，最簡單的電容器。教師出示兩塊金屬鋁板，中間是空氣，讓學生理解這就是一種電容器并介紹電容器的符號，然后展示在接下來的學生實驗中要用到的電解電容器，并說明其內部結構。

2.1 電容器的充電

分組實驗一（如圖1 所示）。二人一組，器材：發光二極管，100 歐姆的電阻，學生電源，電容器2200μF，導線若干，萬用電表。教師簡要說明發光二極管的單向導通性以及長正短負的引腳特征。

圖1 發光二極管逐漸熄滅

該實驗根據二極管的單向導通性可以顯示電流的方向，100 歐姆的電阻用來延長充放電的時間。

實驗現象：連接電路，打開電源，發光二極管發光，亮度越來越弱，最終熄滅。

師：為什么亮度越來越弱，直至熄滅？

生：可能二極管壞了。

師：難道所有小組的發光二極管都壞了？

生：……

師：打開電源，二極管發光，說明什么？

生：有電流流經二極管。

師：亮度減弱，最終熄滅，說明什么？

生：電流越來越小。

師：聯系串聯在一起的電容，想想為什么電流會變小。

生：根據二極管的單向導通性，正電荷不斷在電容器的正極板積累，負電荷在負極板積累。電荷在不斷積累的過程中，對電流的阻礙逐漸增大。

師：這個過程中，電容器兩極板的電壓會有什么變化？

生：發光二極管亮度減弱，說明分擔電壓減小，電容器兩極板的電壓應該逐漸增大。

師：當二極管熄滅時，電容器兩端的電壓應該等于多少？

生：電源電壓。

實驗檢驗：將萬用表調到直流20V 檔位，測量電容器兩端的電壓。學生通過測量，發現電容器兩端的電壓與學生電源電壓幾乎相等。

至此，請學生結合電容器充電過程，分析電容器的兩極板間電場的變化及能量轉化特點，并預測電容器放電過程中，兩極板的電量，極板間的電壓，電場及能量轉化特點。

設計思想：讓學生對發光二極管亮度逐漸減弱的原因進行思考，逐步深入，最后再通過實驗來檢驗，這對于發揮學生的主觀能動性，培養學生的核心素養有著重要的作用。

2.2 電容概念的建立

電容概念的建立是本節培養學生核心素養的重要載體。

提出問題：電容器兩極板間的電壓增大時，極板所帶的電荷量也在增加，那么兩者之間是否存在某種定量關系。

分組實驗二（如圖2 所示）：二人一組，測量在某一電壓下電容器充電后所儲存的電荷。器材：學生電源（2-10 V 的檔位按小組分配），電阻（5000 Ω），電容器1：2200 μF，電容器2：1500 μF電容器（按小組分配），導線若干，萬用表，方格紙。

圖2 建立電容的概念

注：全班一半的小組使用電容器1，另一半使用電容器2。規定每一小組的充電電壓，避免重復。

要求：用學生電源給電容器充電，然后將充電后的電容器與電阻，萬用表串聯起來，記錄電流隨時間變化直至為0 的數據。在方格紙上描點并畫出平滑的曲線。通過計算曲線與時間軸的面積，從而得到電容器在該電壓下所儲存的電荷。

教師根據小組結果，記錄電容器1 在不同電壓下所儲存的電荷（見表1），并用Excel 描點，作出最佳直線（如圖1 所示）。

表1 電容器1 實驗記錄表

師：從圖像中你們發現了什么特點？

生：一條過原點的直線，體現了電容器所帶電量與電壓成正比例變化的關系。

師：是不是所有電容器都有這個比例關系？

生：……

師：一組數據不足以說明問題，記錄電容器2 的有關數據（見表2）并作圖（如圖3）。

表2 電容器2 實驗記錄表

圖3 電容器1，電容器2 的數據及Q-V 圖

師：把兩個電容的圖像放在一張表格里，大家得到什么結論？

生：對于同一電容器，帶電量與充電電壓成正比例關系。

生：通過比較兩條直線的斜率，可以發現在相同的電壓下，電容器1 比電容器2 儲存的電荷量大。

師：我們把Q/U的比值定義為電容，它能反映不同電容器儲存電荷的本領大小。

設計思想：電容器儲存的電荷通過放電實驗的I-t 圖來計算。不管是放電數據的采集，還是描點畫曲線圖，對于學生來說都有一定的難度。但正如第斯多惠所說：“發展與培養不能給予人或傳播給人。誰要享有發展和培養，就必須用自己內部的活動和努力去獲得?！苯涷灦际菑摹白觥敝械脕淼?。表一表二的數據是集全班每組同學的數據最終得到的，要求每一組同學都要認真去對待。

3 結語

學科核心素養的提出，意味著學科教育模式和學習方式的根本變革[3]。教師正是學科核心素養形成的主要條件，通過精心設計的教學活動，讓學生在活動中體驗科學探究的過程，培養他們嚴謹的科學態度。把課堂交給學生，就是要充分發揮學生的主觀能動性，多渠道地激發學生的科學思維，讓他們去經歷物理概念的生成過程，只有這樣核心素養的培養才能落到實處。