于問題解決的物理實驗教學設計

余冬冬

摘 要：新課程改革要求各階段各學科教學均需致力于發(fā)展學生的學科核心素養(yǎng)，這也意味著教師的主要教學任務需放在學生的思維進階之上.而要促進學生的思維進階，最有效的方式之一便是解決問題.而基于物理又是一門應當注重實驗的課程，故在實際教學過程中，教師可通過實驗設計，并將解決問題的主線貫穿其中，如此不僅有助于發(fā)展學生的關鍵能力，且能切實促進學生物理學科核心素養(yǎng)的發(fā)展.本文亦將以“電容器的電容”為例，嘗試對基于問題解決的物理實驗教學設計展開探討.

關鍵詞：問題解決;物理實驗;教學設計

中圖分類號：G632文獻標識碼：A文章編號：1008-0333（2021）10-0086-02

開展物理實驗教學，唯有符合學生的思維特征，方能讓學生真正感知到科學的發(fā)展過程，繼而也有助于發(fā)展學生思維.對此，教師在實際教學前需務必掌握上述要點來為實驗教學的具體開展提供參考，以此提升實驗教學的效率及效果.

一、問題的提出高中物理包含許多抽象性極強的概念，如“電容”便是其中之一.就實際教學而言，若僅是憑借人教版教材中對電容的定義來讓學生理解，勢必難以使其對電容概念產(chǎn)生正確理解.通過設計一個能給學生提供如猜想、探究、設計以及問題解決的實驗機會，如此不僅能加深學生對電容概念的認知深度，且能促進學生的思維進階，繼而讓學生之物理核心素養(yǎng)得到提升.至于具體的實驗教學設計，教師可由電容器的特征入手，通過對電容器特征的展示，讓學生能從多角度探究到電容與各大影響因素之間的關系，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，學生的物理概念模型也將悄然成型.

二、實驗呈現(xiàn)及設計評估

1.巧設演示實驗，探究電容器電荷量與電壓關系

針對電容器電荷量與電壓關系的探究，核心要點便在于掌握該如何去比較電容器的存儲電荷.解決了上述問題，學生的認知必將得到明顯提升.就以圖1所示之實驗為例.就以下實驗而言，因比之大時鐘，小時鐘不僅有著較小的耗電量，且頻率也相對較為穩(wěn)定，故在電容器充滿電的情況下對小時鐘放電，小時鐘秒鐘的走動時間也會更長，這也同步使得電容器的放電時間得到了明顯延緩，學生觀察也將更為方便.不僅如此，基于小時鐘秒鐘每走一個所需電量幾乎沒有差異，故在同樣儲電量的電容下，秒針均會停留在同樣的位置，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鐘的放電情況，此時教師可采用兩個規(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)，而后將小時鐘秒針所走的格數(shù)記錄下來.

U/V10000μF格數(shù)2200μF格數(shù)

1.0296

1.54510

2.06113

2.57617

當然，實驗過程教師也當提出相應的問題，如基于上述兩組實驗，是否能由此總結出小時鐘秒針所走格數(shù)的變化規(guī)律.又如，電壓與電容器存儲的電荷之間有著怎樣的關系呢？

學生：由上述實驗可以知曉，電容器的存儲電荷量與電容器本身的充電電壓呈正相關的關系.

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

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

學生：是否是電容器所帶電荷越多，小時鐘秒針也能走更多格數(shù)？雖然我們不能直接測量電容器的電荷量，但能否將之進行轉(zhuǎn)化，比如一小時中秒針所走的格數(shù)來計算？

基于上述實驗通過總結實驗數(shù)據(jù)我們還能得知.電容器的 ΔQ/ΔU為定值.而在整個探究過程中，學生因自主解決問題而會對此產(chǎn)生更加深刻的學習印象，加上教師在思維上的引導，使得學生的思維層級也將上升一個檔次.

就上述實驗而言，具體的實驗過程需尤為關注以下幾點：一是考慮到實驗結果的精準性，在具體實驗時需盡量選擇電容較大的，如此方能讓小時鐘走更多格，繼而提升實驗結果的精準性.二是電路的連接必須準確，不能接反;三是不能使用太高的電源電壓，以免燒壞小時鐘.

2.巧用現(xiàn)代實驗，用DIS精確探究電容器電荷量與電壓的關系

雖然，上述實驗能讓學生的學習體驗變得直觀化，但電容器在不同電壓下存儲電荷多少的判斷只能通過比較的方式來獲得以及無法對電容器儲存電荷的具體量予以精確計算等.對此，教師便可考慮引進現(xiàn)代化的設備，一來解決上述問題，二來則能讓實驗過程變得更加直觀，三來則能探知到更多上述實驗所無法的呈現(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的I-t圖象而后結合圖象來計算電荷量等.

結合圖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，電容器電流隨著時間的延長在不斷的變小并最終趨近于0.同學們，你們是否能由此對電容器存儲的具體電荷量進行判斷.

學生：可根據(jù)放電時間來加以判斷，若電流為零時間長在代表電荷越多.反之則越少.

學生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.

之后教師再重復同樣的實驗，電流大小可通過電流定義式I=Q/t來加以計算，先結合此前所學來求出電荷量Q.

學生：電荷多少可通過I-t圖象的面積好求得.

教師：很好，現(xiàn)在同學們自主開展實驗，并將所得之實驗數(shù)據(jù)記錄下來.

實驗次數(shù)UQQ/U

13V0.02993C0.009979

26V0.05997C0.009995

39V0.08988C0.009987

412V0.11988C0.009990

對于上述過程，最核心的論點當是圍繞電容器容納電容本領與那些因素相關.而當學生能基于精準的實驗數(shù)據(jù)得出問題答案時，其思維品質(zhì)必將得到有效提升.

為防止出現(xiàn)較大波動而影響技術，故開關的閉合必須快速完成.

通過加入電阻來使放電的時間延緩，這樣做的目的自然是為了讓誤差變小.至于實驗數(shù)據(jù)的處理，不僅要讓學生對具體的方法有一個全面認知，且需使其認知到何種原因能導致誤差產(chǎn)生.這將有助于提升學生求真務實的科學精神.

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

三、結論

總之，針對“電容器電容”的具體教學過程，教師將問題作為主線，并以促進學生的思維進階為目標.目的不僅僅是要讓學生問題思維得到有效鍛煉.更為重要的是，此教學方法將完全改變傳統(tǒng)以知識灌輸為主的教育方式，這樣的改變不僅更有助于提升學生的思維層次，且學生發(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效果和效率同時亦確保學生物理學科素養(yǎng)能得到更好的發(fā)展.

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[責任編輯：李 璟]