以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ) 提高課堂教學(xué)的有效性

李紅偉 劉明忠

物理學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然學(xué)科，所有物理概念、規(guī)律的發(fā)現(xiàn)和確立，都是在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上建立起來的，物理實(shí)驗(yàn)對(duì)物理學(xué)的發(fā)展和物理教學(xué)都起到極其重要的作用.在物理課堂教學(xué)設(shè)計(jì)中，如果能夠巧妙地創(chuàng)設(shè)系列物理課堂實(shí)驗(yàn)，不但能幫助學(xué)生深刻理解物理規(guī)律的本質(zhì)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，而且能轉(zhuǎn)變以往被動(dòng)的知識(shí)灌輸模式，讓學(xué)生走向積極的、主動(dòng)的自主性學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)課堂教學(xué)的有效性.下面以高中人教版選修3-1第一章第8節(jié)《電容器的電容》為例，說明如何以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)提高課堂教學(xué)有效性的教學(xué)設(shè)計(jì).

電容器是一種重要的電學(xué)元件，在實(shí)際生活中有著廣泛的應(yīng)用；學(xué)習(xí)電容器內(nèi)容之前學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了電荷量、電場(chǎng)強(qiáng)度、電勢(shì)差等物理量，這節(jié)的內(nèi)容既是對(duì)以上知識(shí)的綜合應(yīng)用，也是物理在實(shí)際生活中的體現(xiàn)，同時(shí)也為后面學(xué)習(xí)帶電粒子在勻強(qiáng)電場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)、電磁振蕩等內(nèi)容打下基礎(chǔ)，因此起到承上啟下的作用.電容概念的建立、決定平行板電容器電容大小的因素是本節(jié)的教學(xué)重點(diǎn)，電容概念的理解及電容器的充放電過程是本節(jié)的教學(xué)難點(diǎn).

課堂教學(xué)設(shè)計(jì)流程：引入課題，探究電容器儲(chǔ)存電荷的特性→探究電容器的充放電過程→通過實(shí)驗(yàn)探究得出電容定義式→探究決定平行板電容器電容大小的因素→常見電容器、結(jié)束新課

【教學(xué)片段一】 引入課題，探究電容器儲(chǔ)存電荷的特性

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)1：探究電容器儲(chǔ)存電荷的特性

實(shí)驗(yàn)儀器：起電機(jī)（圖1）、金屬圓盤（2個(gè)）、節(jié)能燈、輕小物體、細(xì)繩、導(dǎo)線若干.

實(shí)驗(yàn)原理：兩個(gè)相距1-2cm的金屬圓盤為兩個(gè)極板，空氣作為電介質(zhì)，則組成了最簡(jiǎn)單的電容器（圖2）.利用起電機(jī)使極板帶電，兩極板中間懸掛的輕小物體被吸引偏轉(zhuǎn)，說明金屬圓盤極板帶電；把兩圓盤與節(jié)能燈連接，節(jié)能燈閃亮一下，同樣說明電容器具有儲(chǔ)存電荷的特性.

評(píng)析 用簡(jiǎn)單的兩個(gè)金屬圓盤做成電容器，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到電容器的結(jié)構(gòu)是如此簡(jiǎn)單，電容器的制作原來如此容易.用輕小物體來檢測(cè)電容器是否帶電（帶電體能吸引輕小物體），是實(shí)驗(yàn)的一個(gè)亮點(diǎn)；為了進(jìn)一步證實(shí)電容器已儲(chǔ)存電荷，通過節(jié)能燈使燈閃亮了一下，更吸引了學(xué)生注意力，激發(fā)了學(xué)生的求知欲.這個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)充分考慮到了學(xué)生認(rèn)識(shí)發(fā)展水平，體現(xiàn)了創(chuàng)新意識(shí)及創(chuàng)新思維，彰顯了“從生活走向科學(xué)，從科學(xué)走向生活”的現(xiàn)代教育思想.

【教學(xué)片段二】 探究電容器的充放電過程

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)2：探究電容器充放電電流方向及大小變化情況

實(shí)驗(yàn)儀器：發(fā)光二極管（2個(gè)）、電源、電容器、單刀雙擲開關(guān)、導(dǎo)線若干.

實(shí)驗(yàn)原理：如圖3，把單刀雙擲開關(guān)撥開向1，發(fā)光二極管a變亮然后逐漸變暗，反映電容器充電電流方向及充電電流大小逐漸減??；把單刀雙擲開關(guān)撥向2，發(fā)光二極管b變亮然后逐漸變暗，反映電容器放電電流方向及放電電流大小逐漸減小.

評(píng)析 電容器的充放電過程是電容器工作的主要形式，也是學(xué)生了解電容器的一個(gè)載體.教材對(duì)電容器的充放電過程敘述比較簡(jiǎn)單，加上內(nèi)容抽象，電荷的微觀運(yùn)動(dòng)無法演示，學(xué)生接受起來顯得非常困難，而這部分內(nèi)容又是后面學(xué)習(xí)電磁振蕩的基礎(chǔ).為解決這個(gè)問題，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)通過兩個(gè)發(fā)光二極管，讓學(xué)生直觀地感受到電容器充放電電流的方向及電流大小變化情況，使學(xué)生對(duì)電容器的認(rèn)識(shí)更加具體，更加豐富，也為后面的教學(xué)鋪平了道路.

【教學(xué)片段三】 通過實(shí)驗(yàn)探究得出電容定義式

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)3：探究電容器儲(chǔ)存電荷量與電勢(shì)差關(guān)系

實(shí)驗(yàn)儀器：數(shù)字萬用表、電源、完全相同的電容器5個(gè)、單刀雙擲開關(guān)（3個(gè)）、單刀單擲開關(guān)、導(dǎo)線若干.

實(shí)驗(yàn)原理：如圖4，開始所有開關(guān)處于斷開狀態(tài).①先閉合S，電源對(duì)C1充電；②斷開S，單刀雙擲開關(guān)S1接1，類比庫侖扭稱實(shí)驗(yàn)的電量二分法，兩個(gè)完全相同的電容器直接接觸，電量也將平分，由此C1、C2所帶電量應(yīng)該均為Q/2；③S1接2，S2接3，C2、C3所帶電量應(yīng)該均為Q/4；④S2接4，S3接5，C3、C4所帶電量應(yīng)該均為Q/8；⑤S3接6，C4、C5所帶電量應(yīng)該均為Q/16；⑥用數(shù)字萬用表直接電測(cè)出容器C1、C2、C3、C4兩極電壓，分析得出Q與U的比值為一個(gè)常數(shù).

C1C2C3C4

電量Q/2Q/4Q/8Q/16

電容U/2U/4U/8U/16

評(píng)析 得出電容定義式的是本節(jié)的重點(diǎn)，也是難點(diǎn).以往教學(xué)設(shè)計(jì)大多是類比柱形水容器的方法告訴學(xué)生電容器所帶電量Q與電壓U成正比；或者通過放電產(chǎn)生火花強(qiáng)弱，小燈泡的亮度情況等來定性說明電容器儲(chǔ)存電荷量的多少，不足以說明電量Q與電壓U成正比.本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)巧妙地利用電量二分法使電容器電量這個(gè)很難測(cè)量的物理量問題得到解決，實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單易行，科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，效果明顯，學(xué)生容易理解，充分達(dá)到了突破教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)的作用.

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)4：探究不同電容器的電容大小

實(shí)驗(yàn)儀器：干電池、不同型號(hào)電解電容器3個(gè)、石英鐘、單刀雙擲開關(guān)、單刀單擲開關(guān)3個(gè)、導(dǎo)線若干.

實(shí)驗(yàn)原理：如圖5，用兩節(jié)干電池同時(shí)對(duì)3個(gè)不同型號(hào)的電解電容器充電后，然后分別通過石英鐘放電，石英鐘指針轉(zhuǎn)動(dòng)的格數(shù)半定量地反映了電容器儲(chǔ)存電荷量的多少.分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出，不同電容器，電壓相同，指針轉(zhuǎn)動(dòng)的格數(shù)一般不同，儲(chǔ)存電荷的本領(lǐng)一般不同.

電容器（uF）1000500250

指針轉(zhuǎn)動(dòng)的格數(shù)421

評(píng)析 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)運(yùn)用控制變量法，對(duì)不同電容器在相同電壓，儲(chǔ)存電荷量的多少進(jìn)行半定量探究，得出不同電容器電容一般不同的結(jié)論，使電容這一抽象概念變得直觀、具體，學(xué)生易于理解和接受，學(xué)生的抽象思維能力和創(chuàng)新能力也得到了培養(yǎng)和提高.

【教學(xué)片段四】 探究決定平行板電容器電容大小的因素

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)5：探究平行板電容器的電容大小決定因素.

實(shí)驗(yàn)儀器：平行板電容器（圖7）、數(shù)字電容表（圖6）、陶瓷片、玻璃板.

實(shí)驗(yàn)原理：直接用數(shù)字電容表測(cè)量平行板金屬板組成的電容器電容.當(dāng)兩板距離減小，電容表測(cè)出電容器的電容變大；當(dāng)兩板正對(duì)面積減小，電容表測(cè)出電容器的電容變小；在兩之間插入介質(zhì)，電容表測(cè)出電容器的電容變大.

S不變d變化d不變S變化插入電介質(zhì)

dd/2d/4SS/2S/4陶瓷片玻璃板

C2C4CCC/2C/4C變大C變大

結(jié)論：C與d成反比結(jié)論：C與S成正比結(jié)論：C與介質(zhì)有關(guān)

評(píng)析 影響平行板電容器電容大小的因素是本節(jié)教學(xué)內(nèi)容的又一重點(diǎn).課本給出的演示實(shí)驗(yàn)是間接推導(dǎo)電容與各種因素的關(guān)系，這個(gè)實(shí)驗(yàn)不直觀，推導(dǎo)能力要求較強(qiáng)，難于讓學(xué)生形成深刻的印象，不符合高中學(xué)生的認(rèn)識(shí)水平與邏輯發(fā)展水平；同時(shí)這個(gè)演示實(shí)驗(yàn)所花時(shí)間較長(zhǎng)，容易受天氣等因素影響導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)不成功；且只能定性得出結(jié)論.而本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)應(yīng)用新儀器數(shù)字電容表直接測(cè)量行板電容器電容，對(duì)電容大小決定因素進(jìn)行定量研究，不受天氣影響，操作簡(jiǎn)單，現(xiàn)象明顯，學(xué)生容易接受理解.

【教學(xué)片段五】 常見電容器，結(jié)束新課

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)6：測(cè)量人體電容器電容大小

實(shí)驗(yàn)儀器：數(shù)字電容表、導(dǎo)線若干.

實(shí)驗(yàn)原理：如圖8，20位同學(xué)手拉手分成兩排組成一個(gè)人體電容器，用數(shù)字電容表可直接測(cè)量出人體電容器的電容大小.增大兩排學(xué)生間的距離，數(shù)字電容表測(cè)量出的電容變??；減小兩排學(xué)生間的距離，數(shù)字電容表測(cè)量出的電容變大.減少兩排學(xué)生人數(shù)，測(cè)得的電容變小.

評(píng)析 本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)通過兩排學(xué)生間距的變化，人數(shù)的變化，加深了對(duì)平行板電容器的電容大小決定因素的理解；通過測(cè)量人體電容器電容，讓學(xué)生感受電容器電容存在的普遍性，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，課堂教學(xué)在結(jié)束時(shí)達(dá)到高潮，學(xué)生課后回味無窮.關(guān)注生活，從生活中挖掘物理教學(xué)素材，并以實(shí)驗(yàn)的形式呈現(xiàn)給學(xué)生，讓學(xué)生感受到物理是有用的，學(xué)習(xí)物理是有現(xiàn)實(shí)意義的.

諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者丁肇中對(duì)實(shí)驗(yàn)的重要性有過精辟的描述：“所有的自然科學(xué)都是實(shí)驗(yàn)科學(xué).再好的理論如果與實(shí)驗(yàn)不相符，那么理論就不存在.實(shí)驗(yàn)可以推翻理論，而理論永遠(yuǎn)無法推翻實(shí)驗(yàn).因此實(shí)驗(yàn)對(duì)于自然科學(xué)來講非常重要.”在物理教學(xué)中，教師都要明白這個(gè)道理：物理實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)的基礎(chǔ)，要上好物理課，就要設(shè)計(jì)好課堂實(shí)驗(yàn)，針對(duì)學(xué)生的疑難、困惑，想方設(shè)法構(gòu)思實(shí)驗(yàn)展示的方式，還物理學(xué)科的本來面目，從而達(dá)到提高課堂教學(xué)有效性的目的.