以實驗為支點培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)

崔海月

摘 要：物理實驗具有真實、直觀、生動、形象的特點，在物理教學(xué)中，常以實驗為支點，培育學(xué)生的核心素養(yǎng)，本文以“電容器”教學(xué)實踐為例，通過簡單的自制教具、常用的實驗室器材進行實驗，在學(xué)習電容器的構(gòu)造、功能和工作原理的過程中，培養(yǎng)學(xué)生動手操作能力、實驗觀察能力和科學(xué)探究能力。

關(guān)鍵詞：物理實驗；教具；科學(xué)探究；核心素養(yǎng)

引言

在《普通高中物理課程標準》（2017年版）中，明確了“電容器”在高中物理學(xué)習過程中的重要性[ 1 ]，內(nèi)容要求有：觀察常見的電容器；了解電容器的電容；觀察電容器的充、放電現(xiàn)象；能舉例說明電容器的應(yīng)用。在完成內(nèi)容要求的基礎(chǔ)上，為進一步有效培育學(xué)生的核心素養(yǎng)，本文主要從以下幾個方面進行思考：（1）如何通過生活化的實驗教具，激發(fā)學(xué)生興趣，促進科學(xué)探究；（2）如何利用整合化的實驗器材，引發(fā)學(xué)生求知欲望，培養(yǎng)學(xué)生實驗觀察能力；（3）如何通過分組實驗，強化學(xué)生動手實踐，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維。本文通過課堂實錄，展開思考。

1 通過生活化的實驗教具，激發(fā)學(xué)生興趣，促進科學(xué)探究

興趣是學(xué)生學(xué)習物理最好的老師，是學(xué)生尋求知識的動力、獲取能力的源泉，學(xué)生對某件事物具有濃厚的興趣時[ 2 ]，才會表現(xiàn)出強烈的求知欲望，在興趣的引導(dǎo)下，學(xué)生擺脫“要我學(xué)”的被動狀態(tài)，變?yōu)椤拔乙獙W(xué)”的主動出擊。筆者通過設(shè)計巧妙的演示實驗引入新課內(nèi)容。

【教學(xué)片段一】電容器導(dǎo)入部分

師：出示如圖1所示的教具（圖1為自制的電容器：選擇一個空的礦泉水瓶，瓶內(nèi)裝有高濃度的鹽水，在瓶蓋中心插入一根長金屬棒，瓶外包裝紙內(nèi)包有等大的錫箔紙，用導(dǎo)線與錫箔紙相連，課前先對自制電容器充電）

師：大家看，老師這里的礦泉水瓶裝有電，大家相信嗎？

生：不信。

演示實驗：與錫箔紙連接的導(dǎo)線和插在鹽水中的金屬棒接觸，接觸處放出火花。

學(xué)生：發(fā)出哇…的感嘆聲。

師：剛才有什么現(xiàn)象發(fā)生？

生：放電現(xiàn)象。

師：為什么啊？它與我們平時的礦泉水瓶有什么不同嗎？我們把它拆開看一看。（請一名同學(xué)拆開礦泉水瓶外的包裝紙）

師：包裹在水瓶外面的是什么？

生：錫箔紙。

師：水瓶里面裝的是鹽水，錫箔紙和鹽水都是良好的導(dǎo)體，兩個導(dǎo)體中間被一層絕緣介質(zhì)隔開，像這樣具有儲存電荷功能的裝置就叫做電容器。

師：電容器有怎樣的構(gòu)造呢？

生：拆開礦泉水瓶外面的包裝紙，并向大家展示其內(nèi)部構(gòu)造。（為了給學(xué)生留有懸念，把錫箔紙藏在包裝紙內(nèi)，讓學(xué)生無法直接觀察到錫箔紙，如圖2所示）

學(xué)生看到藏在里面的錫箔紙恍然大悟，原來這里暗藏玄機，學(xué)生牢牢記住電容器的結(jié)構(gòu)，這樣引入新課，不僅活躍了課堂氛圍，還激發(fā)了學(xué)生學(xué)習新課的興趣。物理教學(xué)中我們可以利用生活中常見物品自制實驗教具，通過演示實驗導(dǎo)入新課，有趣的實驗現(xiàn)象往往會給學(xué)生留下深刻的印象，激發(fā)學(xué)生的好奇心，促進學(xué)生進一步探究的欲望。

2 利用整合化的實驗器材，引發(fā)學(xué)生求知欲望，培養(yǎng)學(xué)生實驗觀察能力

電容器的充電和放電過程是本節(jié)課的重點也是難點，其過程比較抽象，學(xué)生理解起來有一定難度，因此筆者把實驗室常用器材整合在一起，制作了如圖3甲所示的實驗教具，以便達到教學(xué)目的。

【教學(xué)片段二】體驗電容器的充放電過程

實驗設(shè)計1

原理：如圖3乙，把單刀雙擲開關(guān)撥向1，燈泡發(fā)光然后逐漸變暗，表明電容器充電，并且充電電流逐漸減小；把單刀雙擲開關(guān)撥向2，燈泡發(fā)光并逐漸變暗，表明電容器放電，并且放電電流逐漸減小。

學(xué)生動手操作并認真觀察實驗現(xiàn)象。

生：燈泡開始發(fā)光，后來又熄滅，是為什么呢？

師：燈泡剛開始發(fā)光，說明什么？

生：電路中有電流流過。

師：電荷的定向移動形成電流，在這個過程中電容器儲存電荷，與電源正極相連的極板聚集正電荷，與電源負極相連的極板聚集負電荷，兩極板間存在電勢差并形成逐漸增大的電場。

師：燈泡后來又熄滅，說明了什么？

生：電路中沒有電流。

師：那電流為什么逐漸減小直至為零呢？

生：難道是電容器充滿電了，電路中就沒有電流了。

師：對，此時電容器充電結(jié)束，電路中電流為零，電容器兩端的電壓和電源電壓有什么關(guān)系呢？我們用電壓表測量一下。

生：電源電壓等于電容器兩端電壓。

師：充電過程電源的電能轉(zhuǎn)化為電場能儲存在電容器中。

學(xué)生根據(jù)充電過程積累的知識猜想并解釋放電過程可能出現(xiàn)的現(xiàn)象，然后動手操作，驗證猜想。

師：看來一個小小的電容器作用可不小，可以用來儲存電荷和電能，那電容器儲存電荷的多少與什么有關(guān)呢？

為了滿足學(xué)生的求知欲望，設(shè)計如圖4甲所示實驗。

【教學(xué)片段三】探究影響電容器儲存電荷量多少的因素

實驗設(shè)計2

原理：如圖4乙，左右兩側(cè)是兩個完全相同的電路，利用雙刀雙擲開關(guān)同時控制電容器的充電和放電，開關(guān)向下閉合電源給電容器充電，開關(guān)向上閉合電容器與燈泡構(gòu)成閉合回路，電容器放電，燈泡中有電流通過，利用燈泡發(fā)光時間的長短來反映電容器儲存電荷量的多少。

實驗中很容易觀察到右側(cè)燈泡發(fā)光時間較長。

生：相同的電容器，所加電勢差越大，儲存的電荷量越多。

師：那它們之間會有怎樣的定量關(guān)系呢？（實驗裝置如圖5甲所示）

【教學(xué)片段四】電容器的電容

實驗設(shè)計3

原理：如圖5乙，CA、CB為兩個完全相同并且不帶電的電容器，開關(guān)S1向下閉合，電源給電容器CA充電；開關(guān)S1向上閉合，CA與電源斷開與CB構(gòu)成回路，CA、CB電量平分；開關(guān)S1斷開，S2閉合，再斷開S2，向上閉合S1，CA、CB電荷量再次平分，數(shù)字電壓表測量CA或CB兩端的電壓，并記錄在表1中，根據(jù)表1中數(shù)據(jù)可做定量分析。

學(xué)生動手操作，記錄實驗數(shù)據(jù)，通過對實驗數(shù)據(jù)的分析，得出定量關(guān)系。

生：電容器兩端電勢差和內(nèi)部儲存的電荷量成正比。

師：我們把電荷量與電容器電勢差的比值用常數(shù)C來表示，它在數(shù)值上等于電容器所加單位電壓時儲存的電荷量，很顯然它反應(yīng)的是電容器容納電荷本領(lǐng)的物理量。

以上實驗簡單易懂，實驗現(xiàn)象明顯，可操作性強。實驗設(shè)計1、2把不易觀察的電容器充放電過程通過小燈泡的發(fā)光情況體現(xiàn)出來，學(xué)生易于理解和接受，通過教師有意識的啟發(fā)，對學(xué)生的思維進行訓(xùn)練，根據(jù)已有知識對問題有理有據(jù)的預(yù)測，提高學(xué)生的科學(xué)推理能力，最后通過實驗驗證所猜所想，提高學(xué)生動手操作能力、實驗觀察能力；實驗設(shè)計3的定量分析，避免了我們在教學(xué)過程中“重結(jié)論，輕過程”的做法。這些簡單可行的隨堂實驗，也使得學(xué)生對物理規(guī)律的探索由“淺”入“深”，由“感性”到“理性”，以實驗為支點，可以很好地培養(yǎng)學(xué)生的綜合素養(yǎng)[ 3 ]。

3 通過分組實驗，強化學(xué)生動手實踐能力，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維

教育專家曾指出：“離開了學(xué)生主體性發(fā)展：教育則失去了依托和活力”，學(xué)生是學(xué)習的主體，有效的課堂教學(xué)是讓學(xué)生主動參與，開發(fā)蘊藏在學(xué)生身上的巨大潛力，因此在教學(xué)過程中應(yīng)創(chuàng)造更多讓學(xué)生親身參與實踐的機會[ 4 ]。

【教學(xué)片段五】探究影響平行板電容器電容的因素

環(huán)節(jié)1：提出猜想

合理的猜想是探究性實驗的前提，學(xué)生根據(jù)平行板電容器結(jié)構(gòu)進行猜想，為了避免漫無目的的瞎猜，教師的引導(dǎo)尤為重要。

師：平行板電容器由兩塊平行放置且彼此絕緣的金屬板構(gòu)成，如圖6，移動平行板的底座，可以使兩板靠近或者遠離，也可以使兩板錯開，在這個過程中平行板電容器的哪些量發(fā)生了改變？

生：兩板間的距離，面積。

師：能說的具體一些嗎，是哪里的面積，是平行板的面積發(fā)生了變化嗎？

生：當然不是，是兩平行板的正對面積。

師：大家猜一猜，影響平行板電容器電容的因素有哪些呢？

生：兩板間的距離，兩板的正對面積，兩板間的絕緣物質(zhì)，還可能與兩板的材料有關(guān)。

師：這么多的影響因素，我們采用什么方法進行探究？

生：控制變量法。

環(huán)節(jié)2：實驗成功要素—實驗前的若干思考

師：電容的大小我們可以通過什么反應(yīng)出來呢？

生：我們知道C=Q/U，當電量一定時，電勢差的變化可以反映出電容的變化情況。

師：很好，如何反應(yīng)出電勢差的大小，又如何讓電容器帶電呢？

生：電勢差的大小可以通過靜電計指針的偏角來表示，通過起電機與電容器兩極板接觸使之帶電，還可以通過摩擦橡膠棒與電容器極板接觸使之帶電。

一步一步地設(shè)問促進學(xué)生思考，討論交流讓課堂充滿活力，增進學(xué)生之間的交流，大家集思廣益拓展知識的寬度。

環(huán)節(jié)3：學(xué)生分組實驗探究

學(xué)生展開分組實驗，完成表2內(nèi)容，交流討論得出結(jié)論。

環(huán)節(jié)4：討論實驗成功的秘訣

由于南方天氣潮濕，空氣漏電導(dǎo)致電荷損失，靜電計指針偏轉(zhuǎn)不穩(wěn)定，因此在做實驗前提前打開空調(diào)對實驗室進行除濕，并用電吹風對靜電計和平行板電容器吹熱風烘烤，為防止漏電導(dǎo)致后面實驗現(xiàn)象不明顯，每次實驗前都要用起電機重新給電容器進行充電等[ 5 ]，這些細微之處不僅透露著物理實驗的嚴謹，也恰當好處地培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)思維。把教師演示實驗改為學(xué)生分組實驗，不僅給學(xué)生提供了一個動手操作的平臺，也增加了學(xué)生學(xué)習物理的興趣，促進了學(xué)生與學(xué)生、教師與學(xué)生之間交流，學(xué)生在動手實驗的過程中對知識的理解更加深入。

本節(jié)課利用電容器的特點，設(shè)計實驗教具，以實驗教學(xué)為支點，培養(yǎng)學(xué)生的物理觀念、科學(xué)思維、實驗探究和科學(xué)態(tài)度與責任等物理核心素養(yǎng)。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準[S].北京：人民教育出版社，2018.

[2]彭學(xué)兵.影響高中生學(xué)習物理興趣因素的探索[J].中學(xué)物理，2017（6）.

[3]吳敏.在教學(xué)實踐中尋找培養(yǎng)學(xué)科核心素養(yǎng)的支點-以"電容器的電容"為例[J].物理教師，2018（3）.

[4] 李紅偉.以實驗為基礎(chǔ) 提高課堂教學(xué)的有效性[J].中學(xué)物理，2016（11）.

[5] 李穎.優(yōu)化實驗教學(xué)資源 發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維-以"了解電容器為例"[J].中學(xué)物理，2017（11）.