從HPS中尋找電容器及電容概念困惑的答案

金杰克 邢紅軍

(首都師范大學(xué)教師教育學(xué)院 北京 100048)

HPS(history and philosophy of science)是科學(xué)史和科學(xué)哲學(xué)的簡(jiǎn)稱.在20世紀(jì)60年代科學(xué)史與科學(xué)哲學(xué)開始交融在一起,進(jìn)而形成了HPS這一領(lǐng)域.彼時(shí)西方科學(xué)哲學(xué)的兩大主題便是科學(xué)本質(zhì)與科學(xué)方法[1],而這恰好契合了現(xiàn)代物理教育的核心內(nèi)容.2022年義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)[2]的課程理念中提到“從生活走向物理,從物理走向社會(huì)”——強(qiáng)調(diào)以具體事實(shí)、鮮活案例、生活經(jīng)驗(yàn)和基本概念等引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行理性思考.在物理教學(xué)中引入HPS不僅是一個(gè)很好的切入點(diǎn),還有助于學(xué)生把握知識(shí)的來龍去脈、領(lǐng)悟思想方法、理解物理本質(zhì)和促進(jìn)深度學(xué)習(xí)[3].

現(xiàn)階段的高中物理教材中對(duì)于電容器的介紹和講解未能準(zhǔn)確地建立電容器的本質(zhì)認(rèn)識(shí),還缺乏對(duì)于電容器本身技術(shù)應(yīng)用的拓展.簡(jiǎn)略的描述使得學(xué)生對(duì)于電容器這一重要電學(xué)原件的概念往往是“云里霧里”,不僅無法建立清晰準(zhǔn)確的物理概念,而且無法深刻地理解電容器對(duì)于電學(xué)和科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要性.同時(shí),電容器概念的模糊也會(huì)使得電容概念失去前概念以及現(xiàn)實(shí)依托,成為“空中樓閣”般的概念存在.

因此,本文立足于“體現(xiàn)物理學(xué)科本質(zhì)”和“注重課程的時(shí)代性”的教學(xué)理念,基于HPS視角,闡述電容器及電容概念教學(xué)背后的教學(xué)邏輯,揭示電容器及電容概念的物理本質(zhì),旨在培養(yǎng)學(xué)生物理觀念、科學(xué)探究等物理核心素養(yǎng),以期對(duì)如今中小學(xué)中有關(guān)電容器及電容概念教學(xué)設(shè)計(jì)有所裨益.

1 現(xiàn)行教材教學(xué)邏輯分析

通過分析現(xiàn)行教材有關(guān)電容器及電容的相關(guān)內(nèi)容可以發(fā)現(xiàn):

(1)電容器概念

人教版教材直接給出了常見電容器的內(nèi)部構(gòu)造,并將其定義為電容器.將這一特定的結(jié)構(gòu)作為電容器的定義容易為學(xué)生理解其他結(jié)構(gòu)的電容器產(chǎn)生障礙,使得學(xué)生產(chǎn)生類似于“為什么這樣構(gòu)造的才能叫電容器”等概念性困惑.同時(shí)這樣的定義也是不符合其物理本質(zhì)的,電容器這一概念的出現(xiàn)就是18世紀(jì)的科學(xué)家為了創(chuàng)造“能夠儲(chǔ)存電的容器”而產(chǎn)生的[4].

(2)充放電試驗(yàn)

雖然通過電容器充放電實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蜃寣W(xué)生直觀地了解到電容器“能夠充電、放電”這一特性,但是理解實(shí)驗(yàn)所需的電路知識(shí)是電容器的后續(xù)內(nèi)容.誠然學(xué)生在初中初步學(xué)習(xí)過電路的相關(guān)知識(shí),但是由于時(shí)間間隔長(zhǎng),如果前概念不清晰準(zhǔn)確,將不利于新概念的學(xué)習(xí)與建構(gòu)[5],同時(shí)這一實(shí)驗(yàn)很難為學(xué)生提供直觀的感性認(rèn)識(shí)作為理解電容器“能夠儲(chǔ)存電”的這一特性的基礎(chǔ).

(3)電容概念

教材的普遍教學(xué)邏輯是基于兩個(gè)實(shí)驗(yàn)事實(shí)——“一個(gè)電容器所帶的電荷量Q與兩極板之間的電勢(shì)差U之比是不變的”與“不同的電容器,這個(gè)比值一般是不同的”,推導(dǎo)得到了這一比值代表了電容器儲(chǔ)存電荷的特性,并將其命名為電容.而這樣的推論是有邏輯缺陷的,它無法回答“為什么這個(gè)比值就代表了電容器儲(chǔ)存電荷的特性”.

2 HPS視角下的教學(xué)邏輯設(shè)計(jì)完善思路

國(guó)外現(xiàn)階段有較大影響力的HPS的教學(xué)模式主要有兩種[6]:孟克和奧斯本(M.Monk &J.Osborne)的融入教學(xué)模式、馬修斯(Matthews)的對(duì)話教學(xué)模式.這兩種教學(xué)模式各有各的優(yōu)勢(shì),但相較國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)教學(xué)模式差異較大,生搬硬套不僅不利于發(fā)揮原教學(xué)模式的優(yōu)勢(shì),還容易適得其反,反而丟失我國(guó)教育對(duì)于物理概念和規(guī)律傳授的優(yōu)勢(shì).基于HPS的理論思想,通過分析人教版教材中電容器的內(nèi)容,探究總結(jié)了以下5個(gè)方面來完善其教學(xué)邏輯:

“發(fā)明本心”是陸九淵心學(xué)的另一個(gè)核心觀念。關(guān)于什么是“發(fā)明本心”沒有眾說紛紜的不同說法，它的含義很明確?！鞍l(fā)明”不是“發(fā)明創(chuàng)造”的“發(fā)明”，“發(fā)明”是發(fā)現(xiàn)彰明的意思?！鞍l(fā)明本心”就是去發(fā)現(xiàn)本心彰顯本心。

(1)引入物理學(xué)史的相關(guān)內(nèi)容,補(bǔ)足電容器本身誕生來源的解釋與引入,建立電容器誕生的社會(huì)背景,進(jìn)而闡釋電容器的物理本質(zhì).

(2)調(diào)整驗(yàn)證電容器“儲(chǔ)電功能”的實(shí)驗(yàn)為直觀的電火花放電現(xiàn)象.

(3)闡釋電容器儲(chǔ)電特性本質(zhì)的物理知識(shí),建立電容器的科學(xué)合理性.

(4)闡釋物理量誕生的社會(huì)背景和當(dāng)時(shí)的物理學(xué)界的學(xué)術(shù)共識(shí),融入物理思想,建立電容概念的術(shù)語合理性.

(5)引入電容的社會(huì)應(yīng)用,建立電容器在科學(xué)上、在社會(huì)中的重要性.

本文將電容器及電容的概念教學(xué)設(shè)計(jì)分為4個(gè)階段:(1)器具誕生的目的;(2)器具所具有的普適結(jié)構(gòu);(3)器具特性的量度;(4)器具的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用.從物理學(xué)史角度來看,這4個(gè)部分分別代表了物理器具的4個(gè)發(fā)展階段:概念構(gòu)想、現(xiàn)實(shí)創(chuàng)造、器具規(guī)范化、現(xiàn)實(shí)應(yīng)用.從物理學(xué)的角度來看,這4個(gè)部分分別代表了電容器的社會(huì)背景、物理內(nèi)核、科學(xué)方法和外延拓展——完整地踐行了“從生活走向物理,從物理走向社會(huì)”的課程理念,示意圖如圖1所示.

圖1 教學(xué)階段及內(nèi)容示意圖

3 電容器及電容的教學(xué)設(shè)計(jì)

3.1 社會(huì)背景——電容器誕生的目的

“這個(gè)器具最初被創(chuàng)造出來是拿來干嘛的?”這是需要首先回答的問題.許國(guó)梁先生對(duì)物理概念和規(guī)律的教學(xué)要求中提到了一個(gè)關(guān)鍵問題:“為什么要引入某個(gè)物理概念和研究某個(gè)物理規(guī)律?”[7]要想讓概念不停留于書本而融入生活,就要明了概念為何而生.在這一階段,通過對(duì)電容器物理學(xué)史的梳理,既能很好地回答電容器的誕生動(dòng)機(jī),又有助于厘清電容器背后的物理本質(zhì).

1660年,人類史上第一臺(tái)摩擦起電機(jī)誕生了,由此,科學(xué)家們開始探索長(zhǎng)久儲(chǔ)存電的方法與容器.1745年,荷蘭萊頓城的彼得·范·穆申布魯克(Musschenbroek)等人發(fā)明電容器的最早雛形——萊頓瓶(Leyden Jar)[8].而后在1748年,富蘭克林(Franklin)詳細(xì)研究了萊頓瓶,進(jìn)一步發(fā)明了扁平電容器(類似于現(xiàn)代的平行板電容器).在物理學(xué)界,電容器(condensers)這一術(shù)語由伏特(Volta)在1782年首次提出,用來描述一個(gè)設(shè)備儲(chǔ)存比一個(gè)孤立導(dǎo)體更高電荷密度的電荷的能力[9].后續(xù)由于易和蒸汽冷凝器(steam condenser)混淆而被棄用.而后于1926年,英國(guó)推薦將電容器(capacitor)作為相應(yīng)的術(shù)語[10].

由這段有關(guān)電容器的物理學(xué)史可以看出,電容器這一術(shù)語在誕生之初指代的是設(shè)備能夠儲(chǔ)存高密度電荷的特性,而非教材所指的電容器構(gòu)造.沿用至今,電容器所代表的物理本質(zhì)也未曾改變——儲(chǔ)存比一個(gè)孤立導(dǎo)體更高電荷密度的電荷的能力.

“如何評(píng)判電容器到底有沒有儲(chǔ)存高密度電荷?”是電容器緊接著需要回答的問題.相較于電容器在電路中的充放電實(shí)驗(yàn),電容器放電時(shí)的電火花現(xiàn)象能夠更好地回答以上問題.電容器放電產(chǎn)生電火花是非常直觀的物理現(xiàn)象,教師可以在安全的前提下,通過短接電容器放電進(jìn)而產(chǎn)生電火花,由此證明電容器中確實(shí)存在著大量的電.

3.2 物理內(nèi)核——器具所具有的普適結(jié)構(gòu)

“為什么這樣的容器能夠儲(chǔ)存電荷?”在教師闡釋清楚器具的誕生動(dòng)機(jī)之后,學(xué)生的探索動(dòng)機(jī)便轉(zhuǎn)變成更深層次的“為什么”.電容器的結(jié)構(gòu)是由兩個(gè)電極及其間的介電材料構(gòu)成的.介電材料是一種電介質(zhì),當(dāng)被置于兩塊帶有等量異性電荷的平行極板間的電場(chǎng)中時(shí),由于極化而在介質(zhì)表面產(chǎn)生極化電荷,遂使束縛在極板上的電荷相應(yīng)增加,維持極板間的電位差不變.其實(shí)在中等教育階段也可以解釋清楚電容器背后的物理原理,但由于教材往往缺乏這部分內(nèi)容的梳理,因此也導(dǎo)致部分一線教師對(duì)此無從下手.

學(xué)生在學(xué)習(xí)電容器之前往往已經(jīng)學(xué)習(xí)了導(dǎo)體、絕緣體、電荷、電中和、電場(chǎng)和電勢(shì)等概念.基于以上前概念,教師可以從孤立導(dǎo)體入手(圖2)——如果在孤立導(dǎo)體上施加電場(chǎng),導(dǎo)體兩端會(huì)極化并聚集大量的等量異性電荷.如果此時(shí)去掉電場(chǎng),那么導(dǎo)體內(nèi)部會(huì)立刻發(fā)生電中和過程.但是,如果我們此時(shí)拿掉孤立導(dǎo)體的中間部分,將原孤立導(dǎo)體分割成兩塊導(dǎo)體板(極板),那么一個(gè)最簡(jiǎn)單理想的電容器就誕生了.

圖2 電容器教學(xué)流程示意圖

那么電容器之所以能夠維持大量的等量異性電荷的原理其實(shí)就是兩塊極板之間的空氣(絕緣體)阻礙了兩塊極板的電中和過程.如果此時(shí)將中間導(dǎo)體放回去,那么兩塊極板就會(huì)迅速發(fā)生電中和,也就無法儲(chǔ)存大量異性電荷了,這也同時(shí)揭示了為什么電容器的兩個(gè)極板之間的電介質(zhì)往往要選用絕緣體.此時(shí)還可以進(jìn)一步追問,無論電容器儲(chǔ)存多少異種電荷,絕緣體都可以阻礙兩極板間的電中和過程嗎?并由此引出擊穿電壓的概念.基于以上電容器背后的物理原理的闡釋,學(xué)生可以清晰地認(rèn)識(shí)到電容器內(nèi)容各個(gè)部分的結(jié)構(gòu)分別承擔(dān)了什么樣的角色:極板——儲(chǔ)存異種電荷;電介質(zhì)——阻礙電中和過程;擊穿電壓——在一定的電勢(shì)差下,電介質(zhì)會(huì)被“擊穿”,再也無法阻礙電中和過程,進(jìn)而無法儲(chǔ)電.

3.3 科學(xué)方法——器具特性尺度的量度

“這個(gè)電容器儲(chǔ)存電荷的能力有多強(qiáng)呢?”正如量杯有容積、砝碼有配重、篩子有孔徑,科學(xué)家也需要一個(gè)量度來衡量電容器“儲(chǔ)存高密度電荷”的能力,而這也直接引向了電容這一物理量的誕生——作為衡量器具(電容器)某一目標(biāo)特性尺度(儲(chǔ)存電荷的能力)的量度(電容).從物理學(xué)史的角度來看,電容這一概念經(jīng)歷了從物理概念到物理量的轉(zhuǎn)變,在物理量階段又經(jīng)歷了新單位到衍生單位兩個(gè)階段.

電容的最初發(fā)現(xiàn)是卡文迪什在電容器實(shí)驗(yàn)中的發(fā)現(xiàn):對(duì)同一萊頓電瓶,“帶電度”(指的是靜電計(jì)的張角示數(shù))與電量(摩擦起電機(jī)的摩擦轉(zhuǎn)數(shù))成正比;電量相同時(shí),“帶電度”與萊頓瓶的尺寸成反比.基于以上發(fā)現(xiàn),卡文迪什用“電英寸”(inches if electricity)代表萊頓瓶?jī)?chǔ)存高密度的電學(xué)特性,并制作了初步的度量器具.此時(shí)電英寸這一概念只是一個(gè)以標(biāo)準(zhǔn)球形萊頓瓶為基準(zhǔn)的參照量度,并沒有建立與以往物理概念間的聯(lián)系.

從科學(xué)哲學(xué)角度,亞里士多德曾對(duì)質(zhì)和量有過如下闡釋:“性質(zhì):實(shí)體得以成為某個(gè)實(shí)體,取決于實(shí)體的性質(zhì);數(shù)量:同類實(shí)體累積的多少問題,即表現(xiàn)為實(shí)體的數(shù)量.”[12]在電容器中,器具能夠儲(chǔ)存高密度電荷是其具備的性質(zhì),也因此得以被稱為電容器.電容這一物理量從屬的物理規(guī)律是:在電容器不變的條件下,電容器所儲(chǔ)存的電荷量Q與兩極板間的電勢(shì)差U是成正比的.物理規(guī)律的構(gòu)成往往是“規(guī)律的限定條件+規(guī)律的數(shù)學(xué)形式”,前者表達(dá)其適用范圍,后者表達(dá)其數(shù)學(xué)特征,其中規(guī)律的限定條件表明了這一規(guī)律和適用范圍之間的從屬關(guān)系,也暗示了由這一規(guī)律引出的物理量與其限定條件間的關(guān)系.這一規(guī)律的限定條件是“電容器不變”,表明了這一規(guī)律是受到電容器這一器具的支配,而這往往也可以詮釋為由電容作為兩者的比值是電容器物體本身的一種屬性特征.

3.4 外延拓展——器具的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用

2022年義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)中明確提出了要培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任,其中包含“初步認(rèn)識(shí)科學(xué)本質(zhì),體會(huì)物理學(xué)對(duì)人類認(rèn)識(shí)深化及社會(huì)發(fā)展的推動(dòng)作用”.在這一階段,通過展示描繪電容器對(duì)于科學(xué)領(lǐng)域和社會(huì)生活中的重要作用,能夠幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)電容器對(duì)于科學(xué)與社會(huì)發(fā)展的重要性.

在與教材相關(guān)的閉合電路中,電容器具有隔斷直流、連通交流、阻止低頻的特性,可以廣泛應(yīng)用在多種場(chǎng)合[13].在中等教育階段,學(xué)生容易理解是儲(chǔ)能功能——在如圖3的閉合回路中并聯(lián)電容,可以實(shí)現(xiàn)小燈炮的緩慢熄滅和緩慢亮起.

圖3 電路示意圖

此外,電容器在日常生活中的方方面面都扮演著重要的角色,例如照相機(jī)中的閃光燈等.還有研究前沿的超級(jí)電容器,它比同體積的電解電容器容量大2 000～6 000倍,功率密度比電池高10～100倍.它能夠用做內(nèi)燃機(jī)中啟動(dòng)電力、太陽能電池輔助電源,甚至還應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域[14].

4 教學(xué)啟示

本文基于HPS視角,在教學(xué)設(shè)計(jì)中闡述了電容器及電容概念教學(xué)背后的教學(xué)邏輯,揭示了電容器及電容概念的物理本質(zhì),相對(duì)完善地從社會(huì)和物理兩個(gè)層面構(gòu)建了電容器及電容概念的4個(gè)環(huán)節(jié).在這一教學(xué)設(shè)計(jì)中,HPS作為一種有別于傳統(tǒng)物理教育模式的教學(xué)視角,其中有很多值得現(xiàn)代教育借鑒的理念與思想.在物理教育中融合社會(huì)和物理兩者的視角,從科學(xué)史實(shí)和社會(huì)背景出發(fā),挖掘物理概念誕生的社會(huì)動(dòng)機(jī),而后以物理本質(zhì)和科學(xué)方法為要點(diǎn)組織物理概念教學(xué),最后拓展至社會(huì)應(yīng)用的教學(xué)設(shè)計(jì)模式對(duì)于物理其他概念教學(xué)應(yīng)當(dāng)是有些許參考借鑒意義.