基于科學(xué)思維的實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐研究

張利國 魏潔 許傳強(qiáng) 姜威

摘 要：普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)對科學(xué)思維進(jìn)行了界定，并將學(xué)業(yè)質(zhì)量劃分成5個(gè)標(biāo)準(zhǔn).實(shí)驗(yàn)在物理教學(xué)中具有不可替代的特殊地位，也是促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維發(fā)展的重要組成部分，本文以“電容器的電容”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例，明確各環(huán)節(jié)主要發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維的哪些要素，以及應(yīng)該達(dá)到的學(xué)業(yè)質(zhì)量水平.

關(guān)鍵詞：科學(xué)思維;電容器的電容;學(xué)業(yè)質(zhì)量;實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號：G633.7 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B ? ? 文章編號：1008-4134（2021）11-0038-05

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》中指出：“科學(xué)思維”是從物理學(xué)視角對客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認(rèn)識方式[1].科學(xué)思維包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素，如圖1所示.

學(xué)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中，依據(jù)不同水平學(xué)業(yè)成就表現(xiàn)的關(guān)鍵特征，把科學(xué)思維各要素的學(xué)業(yè)質(zhì)量劃分為5個(gè)不同水平，見表1.

下面以“電容器的電容”為例，從科學(xué)思維的角度談實(shí)驗(yàn)教學(xué)在課堂中的應(yīng)用.

1 認(rèn)識電容器

在課堂教學(xué)中，為了幫助學(xué)生認(rèn)識電容器，通常采取以下幾種方式：

（1）找一個(gè)高壓電容器，充電后，將電容器的兩極短接，在短接放電瞬間，由于擊穿空氣會出現(xiàn)巨大的聲響，學(xué)生在沒有思想準(zhǔn)備的情況下會嚇一跳.

（2）重復(fù)歷史上風(fēng)靡歐洲的一個(gè)表演.1748年，諾勒特在巴黎讓兩百多名修道士手拉手排成一排，排頭排尾分別用手去握萊頓瓶的兩個(gè)引線，手觸引線的瞬間，兩百多人同時(shí)跳起.教師可以把萊頓瓶的一根引線做成蓋子狀，在課堂上，在排尾握住另一端引線的情形下讓排頭把蓋子打開，學(xué)生在毫無準(zhǔn)備的情況下突然感覺到電擊，效果極好.

（3）上課過程中，把一個(gè)塑料材質(zhì)的紙簍內(nèi)外各貼一層錫箔紙，做一個(gè)簡陋的電容器，用感應(yīng)起電機(jī)使之帶電，移去起電機(jī)，將紅黑兩根引線短接，會聽到“啪”的一聲脆響.

（4）取兩個(gè)金屬餐盤，中間墊一層紙，構(gòu)成一個(gè)簡單的電容器.將感應(yīng)起電機(jī)的一根引線放置在餐盤上，搖動(dòng)起電機(jī)使之充電.移開起電機(jī)，手觸餐盤有電擊感.課堂上，可以先放一個(gè)餐盤，搖動(dòng)起電機(jī)后，讓學(xué)生手觸餐盤，此時(shí)無電擊感，再放紙和另一個(gè)餐盤，電擊感就出現(xiàn)了.

（5）將感應(yīng)起電機(jī)的一個(gè)萊頓瓶拆下來，讓學(xué)生觀察萊頓瓶的構(gòu)造.

（6）現(xiàn)場拆解一個(gè)紙質(zhì)電容器，或者用油浸紙與錫箔紙現(xiàn)場做一個(gè)紙質(zhì)電容器.

點(diǎn)評：

以上（1）至（6）認(rèn)識電容的方式通過放電、電擊感等現(xiàn)象，讓學(xué)生感受電容器能儲存電荷的本質(zhì).通過自制、拆解等方式，讓學(xué)生了解電容器的構(gòu)造，將電容器抽象成為兩個(gè)彼此絕緣而又相距很近的導(dǎo)體.這樣忽略次要因素，抽象出電容器本質(zhì)特征的過程就是模型建構(gòu)的過程.

從學(xué)業(yè)質(zhì)量水平上來看，能將生產(chǎn)生活中的實(shí)際情景轉(zhuǎn)化為物理模型，屬于水平4.

2 定義電容器的電容

為了描述電容器儲電能力的不同，我們需要引入一個(gè)新的物理量.

2.1 不同電容器儲電能力不同

用充電后的電容器，替代電池，帶動(dòng)鐘表的指針，2200μF的電容器用3V電源充電之后，能帶動(dòng)秒針走10個(gè)格，4700μF的電容器用3V電源充電之后，能帶動(dòng)秒針走21個(gè)格.兩個(gè)電容器充電后，帶動(dòng)表針走過的格數(shù)不同，說明不同的電容器儲存電荷的能力不同.

還可以用小燈泡維持發(fā)光的時(shí)長來檢驗(yàn)電容器儲電能力的不同，如圖2所示，用3V電源給電容器充電后，不同電容器可以使小燈泡維持發(fā)光的時(shí)長不同，說明其儲電能力不同.

將電源換成1.5V，圖3中的鐘表指針走的格數(shù)變少，圖2中的小燈泡發(fā)光的時(shí)長變短，這些現(xiàn)象都說明電容器儲存電荷量變少，說明電容器的電勢差和電荷量之間存在某種對應(yīng)關(guān)系，需要我們來研究.

2.2 電容器電勢差和電荷量的關(guān)系

取兩個(gè)完全相同的電容器C和C′連成電路，如圖4、圖5所示，將電容器C充電，設(shè)其所帶電荷量為Q，用數(shù)字電壓表讀出此時(shí)電容器兩極間電壓值U1;將開關(guān)S接2，因?yàn)閮蓚€(gè)電容器完全相同，電量均分，所以電容器C電荷量變?yōu)镼/2，讀出此時(shí)電容器兩極間電壓值U2;將開關(guān)S接1，給電容器C′放電，再將開關(guān)S接2，此時(shí)電容器C電荷量變?yōu)镼/4，電壓值為U3……重復(fù)操作若干次，記錄數(shù)據(jù)如表2所示，用Excel表格處理數(shù)據(jù)如圖6所示.觀察圖像，發(fā)現(xiàn)對于同一電容器，Q與U的比值，即圖像的斜率不變.

因?yàn)殡娏坎蝗菀诇y量，所以實(shí)驗(yàn)中采取了電量均分的方法，雖然比較容易找出電容器電勢差U和電荷量Q之間的正比關(guān)系，但也導(dǎo)致了對于不同的電容器，圖像的斜率相同，從圖6來看，尚不能用Q與U的比值來描述電容器的儲電能力.

2.3 用傳感器觀察電容器的充放電過程

連接電路如圖7所示，電流傳感器、電壓傳感器的反應(yīng)非?？?，可以捕捉瞬時(shí)的電流電壓，與計(jì)算機(jī)相連之后，能顯示出電流、電壓隨時(shí)間變化的圖像，如圖8所示.傳感器在數(shù)據(jù)處理方面具有優(yōu)勢，選中i-t圖上的某一段時(shí)間后，界面上可以直接顯示出其積分值，根據(jù)q=It可知，該積分值即為電量.

改變電容器的充電電壓，用計(jì)算機(jī)軟件求解電容器在不同的電壓下對應(yīng)的電量，記錄數(shù)據(jù)，繪制Q-U圖，如圖9所示.對于同一電容器，Q與U的比值不變;對于不同的電容器，Q與U的比值通常不同.至此，可以用Q/U比值表征電容器儲存電荷的能力，定義其為電容.

點(diǎn)評：

科學(xué)推理主要有演繹推理、歸納推理等，其中演繹推理是從一般性結(jié)論推出個(gè)別性結(jié)論的方法，即從已知的某些一般原理、定理、法則、公理或科學(xué)概念出發(fā)，推出新結(jié)論的一種思維活動(dòng);歸納推理是從一類事物的部分對象所具有的某種屬性出發(fā)，推理出這類事物的所有對象都具有共同屬性的推理方法，也就是由具體結(jié)論推理出一般規(guī)律的方法.

從是否存在數(shù)量形式的對應(yīng)關(guān)系來看，科學(xué)推理又可以分為定性分析和定量分析等，其中定性分析是尋找一個(gè)物理量隨其他物理量的變化趨勢，通過研究各物理量之間的變化趨勢來揭示物質(zhì)或運(yùn)動(dòng)的本質(zhì)屬性;定量分析是利用已知的各物理量的數(shù)值來找尋物理量之間的關(guān)系，或已知物理量之間的關(guān)系來求解其中某一物理量具體的數(shù)值.

在“電容器電勢差與電荷量之間的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)中，從定量的角度確定了二者之間的正比關(guān)系，并且不同的電容器，比值Q/U不同，從而明確該比值可以用來描述其儲電能力，這個(gè)從個(gè)別到一般的推理過程就是歸納推理的過程.

科學(xué)論證的核心關(guān)鍵詞為證據(jù)，能否使用證據(jù)以及如何使用證據(jù)就能反映學(xué)生科學(xué)論證學(xué)業(yè)質(zhì)量水平的高低.

從評價(jià)學(xué)業(yè)質(zhì)量水平角度看，本環(huán)節(jié)實(shí)驗(yàn)設(shè)置的物理情境具有一定的綜合性，要求學(xué)生利用數(shù)據(jù)得出結(jié)論，科學(xué)推理和科學(xué)論證都屬于水平4.

3 分析電容器的充放電過程

電容器的充放電過程中，電路中電流和電容器兩極間電壓隨時(shí)間變化的規(guī)律如圖8所示，因?yàn)榕c分析二者變化規(guī)律的方法相類似，下面的討論以電流的變化規(guī)律為例.

3.1 電流的增減趨勢

從圖8可以看出無論充電還是放電，電流都隨時(shí)間的推移而減小，為什么呢？

放電時(shí)，電容器因?yàn)殡姾闪繙p少而導(dǎo)致兩極板間電壓u降低，根據(jù)公式i=uR，可知電流在減小;充電時(shí)，電容器因?yàn)殡姾闪吭黾佣鴮?dǎo)致兩極板間電壓u升高，根據(jù)公式i=E-uR，電源電動(dòng)勢E不變，可知電流減小.

3.2 電流變化快慢

從圖8可以看出，無論充電還是放電，i-t圖像斜率都在減小，分析原因？

i-t圖中的斜率的表達(dá)式可以寫作k=ΔiΔt，

電流的定義式i=ΔQΔt，其中ΔQ是通過電流傳感器的電量.

電容的定義式C=ΔQΔU，其中ΔQ是電容器增加或減少的電量.

通過電流傳感器的電量與電容器增加或減少的電量相同，將兩個(gè)定義式聯(lián)立有iΔt=CΔU.

將ΔU=ΔiR代入，整理得，斜率的表達(dá)式為k=iCR，可以看出i-t圖像斜率隨著電流的減小而減小.

3.3 電容器充電或放電量的多少

我們獲得i-t圖像之后，怎么利用圖像求電容器的電荷量呢？

如果我們選一段極短的時(shí)間Δt，可以認(rèn)為在時(shí)間Δt內(nèi)，電流i是一個(gè)定值，根據(jù)公式ΔQ=iΔt可知，Δt時(shí)間內(nèi)流過電流表的電荷量ΔQ可以用圖10中矩形的面積來表示.電容器充放電的電荷量為ΔQ的累加，即i-t圖線與橫軸所圍的面積.

首先，我們以坐標(biāo)紙上的每一個(gè)小方格作為一個(gè)計(jì)量單位，數(shù)出實(shí)驗(yàn)圖線下完整小方格的個(gè)數(shù)，數(shù)格的原則是四舍五入，凡是線下的方格面積大于半個(gè)格的算一個(gè)，不足一半的則舍去，共得到66個(gè)格;其次，我們確定每個(gè)小方格所代表的電荷量，讀圖的時(shí)候要注意單位，圖9中縱軸每一小格為0.2mA，不是0.2A;橫軸每小格為0.4s，則每個(gè)小方格所代表的電荷量值為q=0.2mA×0.4s=8×10-5C.最后，用公式“格數(shù)×每格代表的電量=電容器的帶電量”即可求出電容器充放電的電量為5.28×10-3C.

點(diǎn)評：分析與綜合是抽象思維的基本方法，所謂分析，就是把研究對象分解成它的組成部分，然后分別加以研究的方法;所謂綜合，就是把研究對象的各部分聯(lián)系起來，從而在整體上把握事物的本質(zhì)和規(guī)律的一種思維方法.我們把充放電過程截取一段出來進(jìn)行研究，研究電流或電壓的變化規(guī)律，這就是分析，既有增減趨勢以及變化快慢的定性分析，也有求解電荷量數(shù)值的定量分析，分析過程運(yùn)用已知的概念規(guī)律推理出充放電過程中某些物理量的規(guī)律或數(shù)值，屬于從一般到特殊的演繹推理.

從學(xué)業(yè)質(zhì)量水平上來看，充放電過程對新授課的學(xué)生來說屬于新情景，尤其在電流變化快慢的推導(dǎo)過程中，概念規(guī)律之間的聯(lián)系較多，屬于水平5.

4 探究影響電容器電容的因素

4.1 定性探究

該實(shí)驗(yàn)在人教版新教材中安排在了“拓展學(xué)習(xí)”欄目中，測量電壓的儀器為靜電計(jì)，教材在下方的附錄中指出“指針偏角大小可以推知電容器兩極間電勢差的大小”.

為什么靜電計(jì)指針偏角可以反映電勢差呢？

靜電計(jì)中間由金屬球、金屬桿、金屬指針等構(gòu)成;外部是一個(gè)與底座絕緣的金屬圓筒，圓筒底部的接線柱用以接地或者與其它導(dǎo)體相連;絕緣套筒把金屬桿和金屬圓筒隔開，這樣靜電計(jì)就組成了一個(gè)特殊的電容器，外部的金屬圓筒與內(nèi)部金屬球、金屬桿及金屬指針?biāo)M成的導(dǎo)體分別充當(dāng)電容器的兩極.

金屬指針可繞水平軸靈活轉(zhuǎn)動(dòng).當(dāng)內(nèi)部的金屬桿與指針帶電時(shí)，金屬指針和金屬桿有一定的斥力，同時(shí)指針還受到外殼內(nèi)壁上異種電荷的引力作用，也就是說，指針?biāo)茏饔昧Φ拇笮Q定于殼內(nèi)空間的電場強(qiáng)度的大小.而電場強(qiáng)度決定于金屬桿與金屬外殼之間的電勢差，因此靜電計(jì)指針張角的大小由金屬桿與外殼間的電勢差來決定，即張角θ大小反映電勢差U的大小.

靜電計(jì)的接入影響電容器電荷量嗎？

靜電計(jì)的實(shí)物圖和電路圖，如圖11所示，設(shè)電容器的電壓為U1，靜電計(jì)的電壓為U2，二者相連之后的等效電容器的電壓為U，電容器和靜電計(jì)相聯(lián)，相當(dāng)于兩個(gè)電容器并聯(lián)，電勢差相同，這也是靜電計(jì)可以測量電容器電壓的原因，所以有U=U1=U2.

設(shè)未接靜電計(jì)之前，電容器帶電量為Q，因?yàn)殪o電計(jì)的接入，導(dǎo)致有一部分電荷Q2轉(zhuǎn)移到靜電計(jì)上，電容器的帶電量減少為Q1，因?yàn)殡娙萜骱挽o電計(jì)組成了一個(gè)孤立系統(tǒng)，依照電荷守恒定律可知，Q=Q1+Q2.

設(shè)電容器的電容為C1，靜電計(jì)的電容為C2，二者并聯(lián)之后的等效電容為C，將Q=CU、Q1=C1U1和Q2=C2U2依次代入，我們可以推導(dǎo)出電容器和靜電計(jì)并聯(lián)之后的等效電容C=C1+C2.

根據(jù)電勢差相等，U=U1=U2QC=Q1C1=Q2C2，我們可以推導(dǎo)出電容器后來的電量與總電量的關(guān)系Q1=Q·C1C1+C2.實(shí)驗(yàn)中因?yàn)殪o電計(jì)的電容C2很小，即C1C2時(shí)，Q1≈Q，所以基本不會改變電容器所帶的電量.

4.2 定量探究

除了定性探究影響電容器電容的因素之外，可以定量探究，電容表的出現(xiàn)，使得電容的測量簡單易行，定量探究成為可能.

選取20×20cm的正方形不銹鋼板作為平行板電容器的兩個(gè)極板，在板上做好等分面積的線，使正對面積為S0、2S0、3S0……依次改變正對面積，用電容表測出不同正對面積下的電容，畫出電容與正對面積的關(guān)系圖像，尋找二者關(guān)系，如圖12所示.

再依次改變板間距離d0、2d0、3d0……用電容表測出不同距離下的電容，畫出電容與板間距離倒數(shù)的關(guān)系圖像，尋找二者關(guān)系，如圖13所示.

點(diǎn)評：質(zhì)疑創(chuàng)新要素分為質(zhì)疑和創(chuàng)新兩個(gè)方面，其中質(zhì)疑要求學(xué)生具有批判性思維的意識，能給予證據(jù)大膽質(zhì)疑;創(chuàng)新是指從不同角度思考問題，追求科學(xué)創(chuàng)新.在利用靜電計(jì)測量電容器兩極間電勢差的時(shí)候，只要學(xué)生提問為何靜電計(jì)張角能反映電勢差的問題，就說明其不是盲信教材，具有質(zhì)疑意識.靜電計(jì)的接入是否影響電容器的帶電量，需要考慮到靜電計(jì)和電容器之間的電容之比，并不是無條件的，這些都是質(zhì)疑精神的具體體現(xiàn).實(shí)驗(yàn)儀器由靜電計(jì)改為電容表，數(shù)據(jù)呈現(xiàn)由定性改為定量，這也是實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新.

從學(xué)業(yè)質(zhì)量水平上來看，如果學(xué)生能提出質(zhì)疑并給出依據(jù)，采用不同的探究方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，屬于水平4.

5 結(jié)束語

科學(xué)思維的各要素之間并非是相互孤立的，但在課堂的不同環(huán)節(jié)，教師可以有意識地強(qiáng)調(diào)科學(xué)思維的不同要素.本節(jié)課中用Q/U來描述電容器的儲電能力，需要先找尋Q-U關(guān)系，找尋規(guī)律并形成結(jié)論的過程就是科學(xué)推理.為了尋找規(guī)律而進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的得出和處理過程，就是找尋證據(jù)、使用證據(jù)和評估證據(jù)的過程，這就是科學(xué)論證.從實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)器材的選擇，到數(shù)據(jù)處理方式上都可以出現(xiàn)創(chuàng)新點(diǎn)，而在討論證據(jù)是否可信，實(shí)驗(yàn)結(jié)論的得出是否嚴(yán)謹(jǐn)，以及實(shí)驗(yàn)條件是否成立等環(huán)節(jié)一般會出現(xiàn)可供質(zhì)疑之處.相對于舊課標(biāo)，科學(xué)思維是新增的[2]，不但內(nèi)涵豐富，而且可操作性強(qiáng)，一線教師大有可研究之處.

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（收稿日期：2021-02-23）