基于核心素養(yǎng)導(dǎo)向的高中物理教學(xué)案例分析
——以《電容器的電容》第一課時(shí)教學(xué)設(shè)計(jì)為例

董 新

（杭州第四中學(xué)，浙江 杭州 311100）

0 引言

物理核心素養(yǎng)是學(xué)生在接受物理教育過程中逐步形成的適應(yīng)個(gè)人終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力，包括物理概念，科學(xué)思維，科學(xué)探究，科學(xué)態(tài)度與責(zé)任四部分[1]。通過對(duì)物理課堂活動(dòng)的多層次設(shè)計(jì)，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的感官，讓學(xué)生在故事的講解中，實(shí)驗(yàn)演示中，還有親自動(dòng)手做的過程中，完成對(duì)知識(shí)的加工，消化與吸收，并在此基礎(chǔ)上通過介紹電容式觸摸屏原理，激發(fā)學(xué)生對(duì)知識(shí)運(yùn)用的興趣，從而真正發(fā)展和培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)，體現(xiàn)教育以人為本的思想。

1 教學(xué)設(shè)計(jì)流程

1.1 引入電容器

問題1：水可以用容器儲(chǔ)存起來，電荷也可以用一個(gè)容器“儲(chǔ)存”起來，我們稱它為電容器，那么電容器的內(nèi)部構(gòu)造又是怎樣的？

在普通的飲料瓶外面包一層鋁箔紙，瓶子里面盛滿鹽水，這樣就形成了彼此靠近又相互絕緣的兩個(gè)導(dǎo)體。瓶蓋上打一個(gè)孔，插入釘子，釘子的下端浸入鹽水。釘子與鹽水構(gòu)成電容器的一極，外面的鋁箔紙構(gòu)成電容器另一極。這就是一個(gè)簡(jiǎn)單的自制電器。用感應(yīng)起電機(jī)給電容器充電，然后讓學(xué)生一只手握住外面的鋁箔紙，另外一只手觸碰釘子，學(xué)生將明顯感受到電擊，該電擊不會(huì)對(duì)學(xué)生造成危險(xiǎn)。用導(dǎo)線的一端連接錫箔紙，另一端（細(xì)而尖）靠近釘子，會(huì)聽到“噼啪”聲，能觀察到輕微的火花放電。教師引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)電容器，即兩個(gè)彼此絕緣又相距很近的導(dǎo)體，就構(gòu)成了電容器。

設(shè)計(jì)思想：物理知識(shí)是形成物理學(xué)科素養(yǎng)的載體，而物理情境則是學(xué)習(xí)物理知識(shí)的載體，物理知識(shí)要轉(zhuǎn)化成學(xué)生素養(yǎng)，離不開情境的參與[2]。電荷看不見，摸不著，電容器卻能夠“儲(chǔ)存”電荷，如何形象地將這一特征體現(xiàn)出來？這里通過兩個(gè)演示實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生從觸覺，視覺，聽覺去感受電容器的這一奇特本領(lǐng)，學(xué)生一定會(huì)印象深刻。

1.2 歷史追溯

18 世紀(jì)出現(xiàn)了最早的電容器—萊頓瓶，其構(gòu)造與自制電容器非常類似。萊頓瓶在歐洲引起了強(qiáng)烈的反響，科學(xué)家們不僅利用它們做了大量的實(shí)驗(yàn)，而且還有極為壯觀的示范表演。

風(fēng)箏實(shí)驗(yàn)：1752 年富蘭克林在費(fèi)城進(jìn)行了震驚世界的電風(fēng)箏實(shí)驗(yàn)：在雷電交加的情況下，利用風(fēng)箏將閃電收集到萊頓瓶中，使其充電，由此證明了他所提出的“閃電和靜電的同一性質(zhì)”的設(shè)想。該實(shí)驗(yàn)破除了迷信，揭示了自然力的真實(shí)性質(zhì)。

設(shè)計(jì)思想：對(duì)歷史的追溯，一方面為后面電容器的教學(xué)進(jìn)行了必要的情景鋪墊，能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣；另一方面也是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)態(tài)度與責(zé)任的重要載體。

2 介紹平行板電容器與電解電容器

平行板電容器，最簡(jiǎn)單的電容器。教師出示兩塊金屬鋁板，中間是空氣，讓學(xué)生理解這就是一種電容器并介紹電容器的符號(hào)，然后展示在接下來的學(xué)生實(shí)驗(yàn)中要用到的電解電容器，并說明其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

2.1 電容器的充電

分組實(shí)驗(yàn)一（如圖1 所示）。二人一組，器材：發(fā)光二極管，100 歐姆的電阻，學(xué)生電源，電容器2200μF，導(dǎo)線若干，萬用電表。教師簡(jiǎn)要說明發(fā)光二極管的單向?qū)ㄐ砸约伴L(zhǎng)正短負(fù)的引腳特征。

圖1 發(fā)光二極管逐漸熄滅

該實(shí)驗(yàn)根據(jù)二極管的單向?qū)ㄐ钥梢燥@示電流的方向，100 歐姆的電阻用來延長(zhǎng)充放電的時(shí)間。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：連接電路，打開電源，發(fā)光二極管發(fā)光，亮度越來越弱，最終熄滅。

師：為什么亮度越來越弱，直至熄滅？

生：可能二極管壞了。

師：難道所有小組的發(fā)光二極管都?jí)牧耍?/p>

生：……

師：打開電源，二極管發(fā)光，說明什么？

生：有電流流經(jīng)二極管。

師：亮度減弱，最終熄滅，說明什么？

生：電流越來越小。

師：聯(lián)系串聯(lián)在一起的電容，想想為什么電流會(huì)變小。

生：根據(jù)二極管的單向?qū)ㄐ?，正電荷不斷在電容器的正極板積累，負(fù)電荷在負(fù)極板積累。電荷在不斷積累的過程中，對(duì)電流的阻礙逐漸增大。

師：這個(gè)過程中，電容器兩極板的電壓會(huì)有什么變化？

生：發(fā)光二極管亮度減弱，說明分擔(dān)電壓減小，電容器兩極板的電壓應(yīng)該逐漸增大。

師：當(dāng)二極管熄滅時(shí)，電容器兩端的電壓應(yīng)該等于多少？

生：電源電壓。

實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)：將萬用表調(diào)到直流20V 檔位，測(cè)量電容器兩端的電壓。學(xué)生通過測(cè)量，發(fā)現(xiàn)電容器兩端的電壓與學(xué)生電源電壓幾乎相等。

至此，請(qǐng)學(xué)生結(jié)合電容器充電過程，分析電容器的兩極板間電場(chǎng)的變化及能量轉(zhuǎn)化特點(diǎn)，并預(yù)測(cè)電容器放電過程中，兩極板的電量，極板間的電壓，電場(chǎng)及能量轉(zhuǎn)化特點(diǎn)。

設(shè)計(jì)思想：讓學(xué)生對(duì)發(fā)光二極管亮度逐漸減弱的原因進(jìn)行思考，逐步深入，最后再通過實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)，這對(duì)于發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)有著重要的作用。

2.2 電容概念的建立

電容概念的建立是本節(jié)培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的重要載體。

提出問題：電容器兩極板間的電壓增大時(shí)，極板所帶的電荷量也在增加，那么兩者之間是否存在某種定量關(guān)系。

分組實(shí)驗(yàn)二（如圖2 所示）：二人一組，測(cè)量在某一電壓下電容器充電后所儲(chǔ)存的電荷。器材：學(xué)生電源（2-10 V 的檔位按小組分配），電阻（5000 Ω），電容器1：2200 μF，電容器2：1500 μF電容器（按小組分配），導(dǎo)線若干，萬用表，方格紙。

圖2 建立電容的概念

注：全班一半的小組使用電容器1，另一半使用電容器2。規(guī)定每一小組的充電電壓，避免重復(fù)。

要求：用學(xué)生電源給電容器充電，然后將充電后的電容器與電阻，萬用表串聯(lián)起來，記錄電流隨時(shí)間變化直至為0 的數(shù)據(jù)。在方格紙上描點(diǎn)并畫出平滑的曲線。通過計(jì)算曲線與時(shí)間軸的面積，從而得到電容器在該電壓下所儲(chǔ)存的電荷。

教師根據(jù)小組結(jié)果，記錄電容器1 在不同電壓下所儲(chǔ)存的電荷（見表1），并用Excel 描點(diǎn)，作出最佳直線（如圖1 所示）。

表1 電容器1 實(shí)驗(yàn)記錄表

師：從圖像中你們發(fā)現(xiàn)了什么特點(diǎn)？

生：一條過原點(diǎn)的直線，體現(xiàn)了電容器所帶電量與電壓成正比例變化的關(guān)系。

師：是不是所有電容器都有這個(gè)比例關(guān)系？

生：……

師：一組數(shù)據(jù)不足以說明問題，記錄電容器2 的有關(guān)數(shù)據(jù)（見表2）并作圖（如圖3）。

表2 電容器2 實(shí)驗(yàn)記錄表

圖3 電容器1，電容器2 的數(shù)據(jù)及Q-V 圖

師：把兩個(gè)電容的圖像放在一張表格里，大家得到什么結(jié)論？

生：對(duì)于同一電容器，帶電量與充電電壓成正比例關(guān)系。

生：通過比較兩條直線的斜率，可以發(fā)現(xiàn)在相同的電壓下，電容器1 比電容器2 儲(chǔ)存的電荷量大。

師：我們把Q/U的比值定義為電容，它能反映不同電容器儲(chǔ)存電荷的本領(lǐng)大小。

設(shè)計(jì)思想：電容器儲(chǔ)存的電荷通過放電實(shí)驗(yàn)的I-t 圖來計(jì)算。不管是放電數(shù)據(jù)的采集，還是描點(diǎn)畫曲線圖，對(duì)于學(xué)生來說都有一定的難度。但正如第斯多惠所說：“發(fā)展與培養(yǎng)不能給予人或傳播給人。誰要享有發(fā)展和培養(yǎng)，就必須用自己內(nèi)部的活動(dòng)和努力去獲得。”經(jīng)驗(yàn)都是從“做”中得來的。表一表二的數(shù)據(jù)是集全班每組同學(xué)的數(shù)據(jù)最終得到的，要求每一組同學(xué)都要認(rèn)真去對(duì)待。

3 結(jié)語(yǔ)

學(xué)科核心素養(yǎng)的提出，意味著學(xué)科教育模式和學(xué)習(xí)方式的根本變革[3]。教師正是學(xué)科核心素養(yǎng)形成的主要條件，通過精心設(shè)計(jì)的教學(xué)活動(dòng)，讓學(xué)生在活動(dòng)中體驗(yàn)科學(xué)探究的過程，培養(yǎng)他們嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。把課堂交給學(xué)生，就是要充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，多渠道地激發(fā)學(xué)生的科學(xué)思維，讓他們?nèi)ソ?jīng)歷物理概念的生成過程，只有這樣核心素養(yǎng)的培養(yǎng)才能落到實(shí)處。