于問題解決的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)
——以“電容器的電容”教學(xué)為例

余冬冬

(江蘇省宜興市丁蜀高級(jí)中學(xué) 214221)

開展物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，唯有符合學(xué)生的思維特征，方能讓學(xué)生真正感知到科學(xué)的發(fā)展過程，繼而也有助于發(fā)展學(xué)生思維.對(duì)此，教師在實(shí)際教學(xué)前需務(wù)必掌握上述要點(diǎn)來為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的具體開展提供參考，以此提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率及效果.

一、問題的提出

高中物理包含許多抽象性極強(qiáng)的概念，如“電容”便是其中之一.就實(shí)際教學(xué)而言，若僅是憑借人教版教材中對(duì)電容的定義來讓學(xué)生理解，勢(shì)必難以使其對(duì)電容概念產(chǎn)生正確理解.通過設(shè)計(jì)一個(gè)能給學(xué)生提供如猜想、探究、設(shè)計(jì)以及問題解決的實(shí)驗(yàn)機(jī)會(huì)，如此不僅能加深學(xué)生對(duì)電容概念的認(rèn)知深度，且能促進(jìn)學(xué)生的思維進(jìn)階，繼而讓學(xué)生之物理核心素養(yǎng)得到提升.至于具體的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)，教師可由電容器的特征入手，通過對(duì)電容器特征的展示，讓學(xué)生能從多角度探究到電容與各大影響因素之間的關(guān)系，包括電荷、電壓及平行板電容器電容等.如此在不斷解決問題的過程中，學(xué)生的物理概念模型也將悄然成型.

二、實(shí)驗(yàn)呈現(xiàn)及設(shè)計(jì)評(píng)估

1.巧設(shè)演示實(shí)驗(yàn)，探究電容器電荷量與電壓關(guān)系

針對(duì)電容器電荷量與電壓關(guān)系的探究，核心要點(diǎn)便在于掌握該如何去比較電容器的存儲(chǔ)電荷.解決了上述問題，學(xué)生的認(rèn)知必將得到明顯提升.就以圖1所示之實(shí)驗(yàn)為例.就以下實(shí)驗(yàn)而言，因比之大時(shí)鐘，小時(shí)鐘不僅有著較小的耗電量，且頻率也相對(duì)較為穩(wěn)定，故在電容器充滿電的情況下對(duì)小時(shí)鐘放電，小時(shí)鐘秒鐘的走動(dòng)時(shí)間也會(huì)更長(zhǎng)，這也同步使得電容器的放電時(shí)間得到了明顯延緩，學(xué)生觀察也將更為方便.不僅如此，基于小時(shí)鐘秒鐘每走一個(gè)所需電量幾乎沒有差異，故在同樣儲(chǔ)電量的電容下，秒針均會(huì)停留在同樣的位置，由此便可說明電容器容納電荷的大小.接下來探究不同電壓下小時(shí)鐘的放電情況，此時(shí)教師可采用兩個(gè)規(guī)格不同的電容，且讓不同規(guī)格的電容處于不同電壓的狀態(tài)，而后將小時(shí)鐘秒針?biāo)叩母駭?shù)記錄下來.

U/V10000μF格數(shù)2200μF格數(shù)1.02961.545102.061132.57617

當(dāng)然，實(shí)驗(yàn)過程教師也當(dāng)提出相應(yīng)的問題，如基于上述兩組實(shí)驗(yàn)，是否能由此總結(jié)出小時(shí)鐘秒針?biāo)吒駭?shù)的變化規(guī)律.又如，電壓與電容器存儲(chǔ)的電荷之間有著怎樣的關(guān)系呢？

學(xué)生：由上述實(shí)驗(yàn)可以知曉，電容器的存儲(chǔ)電荷量與電容器本身的充電電壓呈正相關(guān)的關(guān)系.

教師：那么從上述實(shí)驗(yàn)以及實(shí)驗(yàn)所反饋出的數(shù)據(jù)上，你們能得到怎樣的規(guī)律呢？

學(xué)生：在不考慮誤差的情況下，若同樣規(guī)格電容器所對(duì)應(yīng)的電壓相同，則小時(shí)鐘秒針最終所走的格數(shù)也將保持一致.

學(xué)生：是否是電容器所帶電荷越多，小時(shí)鐘秒針也能走更多格數(shù)？雖然我們不能直接測(cè)量電容器的電荷量，但能否將之進(jìn)行轉(zhuǎn)化，比如一小時(shí)中秒針?biāo)叩母駭?shù)來計(jì)算？

基于上述實(shí)驗(yàn)通過總結(jié)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)我們還能得知.電容器的ΔQ/ΔU為定值.而在整個(gè)探究過程中，學(xué)生因自主解決問題而會(huì)對(duì)此產(chǎn)生更加深刻的學(xué)習(xí)印象，加上教師在思維上的引導(dǎo)，使得學(xué)生的思維層級(jí)也將上升一個(gè)檔次.

就上述實(shí)驗(yàn)而言，具體的實(shí)驗(yàn)過程需尤為關(guān)注以下幾點(diǎn)：一是考慮到實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精準(zhǔn)性，在具體實(shí)驗(yàn)時(shí)需盡量選擇電容較大的，如此方能讓小時(shí)鐘走更多格，繼而提升實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精準(zhǔn)性.二是電路的連接必須準(zhǔn)確，不能接反；三是不能使用太高的電源電壓，以免燒壞小時(shí)鐘.

2.巧用現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)，用DIS精確探究電容器電荷量與電壓的關(guān)系

雖然，上述實(shí)驗(yàn)?zāi)茏寣W(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)變得直觀化，但電容器在不同電壓下存儲(chǔ)電荷多少的判斷只能通過比較的方式來獲得以及無法對(duì)電容器儲(chǔ)存電荷的具體量予以精確計(jì)算等.對(duì)此，教師便可考慮引進(jìn)現(xiàn)代化的設(shè)備，一來解決上述問題，二來則能讓實(shí)驗(yàn)過程變得更加直觀，三來則能探知到更多上述實(shí)驗(yàn)所無法的呈現(xiàn)的.諸如以Q=It來直接求解電荷量的多少、利用DIS電流傳感器記錄電容器放電時(shí)的I-t圖象而后結(jié)合圖象來計(jì)算電荷量等.

結(jié)合圖2(a)將電路連好，數(shù)據(jù)采集器的一端接入電流傳感器.此時(shí)的放電曲線如圖2(b)所示.據(jù)此：

教師：圖象中清楚的反饋出，電容器電流隨著時(shí)間的延長(zhǎng)在不斷的變小并最終趨近于0.同學(xué)們，你們是否能由此對(duì)電容器存儲(chǔ)的具體電荷量進(jìn)行判斷.

學(xué)生：可根據(jù)放電時(shí)間來加以判斷，若電流為零時(shí)間長(zhǎng)在代表電荷越多.反之則越少.

學(xué)生2：電荷越多說明放電的最大電流越大，因此可以從電流的最大放電量入手加以判斷.

之后教師再重復(fù)同樣的實(shí)驗(yàn)，電流大小可通過電流定義式I=Q/t來加以計(jì)算，先結(jié)合此前所學(xué)來求出電荷量Q.

學(xué)生：電荷多少可通過I-t圖象的面積好求得.

教師：很好，現(xiàn)在同學(xué)們自主開展實(shí)驗(yàn)，并將所得之實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄下來.

實(shí)驗(yàn)次數(shù)UQQ/U13V0.02993C0.00997926V0.05997C0.00999539V0.08988C0.009987412V0.11988C0.009990

對(duì)于上述過程，最核心的論點(diǎn)當(dāng)是圍繞電容器容納電容本領(lǐng)與那些因素相關(guān).而當(dāng)學(xué)生能基于精準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出問題答案時(shí)，其思維品質(zhì)必將得到有效提升.

為防止出現(xiàn)較大波動(dòng)而影響技術(shù)，故開關(guān)的閉合必須快速完成.

通過加入電阻來使放電的時(shí)間延緩，這樣做的目的自然是為了讓誤差變小.至于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理，不僅要讓學(xué)生對(duì)具體的方法有一個(gè)全面認(rèn)知，且需使其認(rèn)知到何種原因能導(dǎo)致誤差產(chǎn)生.這將有助于提升學(xué)生求真務(wù)實(shí)的科學(xué)精神.

對(duì)于數(shù)據(jù)的具體處理，教師需首先對(duì)圖象的變化過程展開分析，繼而讓學(xué)生對(duì)圖象面積的物理含義產(chǎn)生正確理解，以此方能讓學(xué)生的問題分析與解決能力得到同步發(fā)展.

三、結(jié)論

總之，針對(duì)“電容器電容”的具體教學(xué)過程，教師將問題作為主線，并以促進(jìn)學(xué)生的思維進(jìn)階為目標(biāo).目的不僅僅是要讓學(xué)生問題思維得到有效鍛煉.更為重要的是，此教學(xué)方法將完全改變傳統(tǒng)以知識(shí)灌輸為主的教育方式，這樣的改變不僅更有助于提升學(xué)生的思維層次，且學(xué)生發(fā)現(xiàn)、思考、分析及解決問題的能力也將得到良好發(fā)展，繼而在保證良好的教學(xué)效果和效率同時(shí)亦確保學(xué)生物理學(xué)科素養(yǎng)能得到更好的發(fā)展.