新課標(biāo)下高中物理實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的教學(xué)實(shí)踐

摘" "要：在高中物理“電容器 電容”的教學(xué)內(nèi)容基礎(chǔ)上，對(duì)教材原型實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)創(chuàng)新，設(shè)計(jì)出了可定量探究的“電容器 電容”探究實(shí)驗(yàn)，并在教學(xué)應(yīng)用中進(jìn)行實(shí)證研究。通過比較實(shí)驗(yàn)班與對(duì)照班在解決電容器相關(guān)試題所表現(xiàn)的能力差異，發(fā)現(xiàn)“電容器 電容”探究實(shí)驗(yàn)下的物理教學(xué)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生解決真實(shí)物理問題的能力有顯著的提升作用，能夠培養(yǎng)學(xué)生的質(zhì)疑創(chuàng)新思維和科學(xué)探究能力。

關(guān)鍵詞：電容器；創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；實(shí)證研究

以往教師在“電容器 電容”的教學(xué)中，基本是將電容器充、放電的現(xiàn)象和電容器極板所帶電荷量與兩極板間的電勢(shì)差的關(guān)系直接告訴學(xué)生并要求學(xué)生記住，缺少電容這一物理概念的建立過程。學(xué)生缺乏直觀的感知體驗(yàn)，很難理解電容器的充、放電現(xiàn)象和電容這一物理概念。因此，筆者針對(duì)電容器充、放電現(xiàn)象和電容概念的教學(xué)，設(shè)計(jì)出了“電容器 電容”創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)原理如圖1所示。該實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新之處包括：利用發(fā)光二極管亮度的變化反映電容器充、放電時(shí)電路中電流強(qiáng)度的變化；利用數(shù)字電壓表直接測(cè)量電容器兩極板間的電勢(shì)差；利用二極管的單向?qū)ㄐ耘袛嚯娐分须娏鞯姆较?；利用幾個(gè)完全相同的電容器并聯(lián)平分電荷量的方法實(shí)現(xiàn)電荷量的間接測(cè)量。

1" 基于“電容器 電容”探究實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)

1.1" 觀察電容器的充、放電現(xiàn)象

教師介紹電容器探究實(shí)驗(yàn)儀的結(jié)構(gòu)和主要功能，并演示電容器的充、放電實(shí)驗(yàn)，學(xué)生在觀察演示實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上思考討論，引導(dǎo)學(xué)生回答以下問題，從而直觀感受到電容器充、放電過程中電流、電壓的變化情況。

問題1" 閉合S1，將單刀雙擲開關(guān)S2擲于1處，觀察到與電容器C1并聯(lián)的數(shù)字電壓表示數(shù)如何變化？充電完成，電容器與電源保持連接，電容器兩極板間的電壓是否變化？

互動(dòng)總結(jié)：觀察到與電容器C1并聯(lián)的數(shù)字電壓表[[V][○]]的示數(shù)逐漸增大，說明電容器在充電過程中兩極板間的電壓逐漸增大；當(dāng)數(shù)字電壓表[[V][○]]的示數(shù)不再增加時(shí)，紅色發(fā)光二極管D1熄滅，電容器C1充電完畢。

問題2" 與電容器C1串聯(lián)的紅色發(fā)光二極管D1亮度如何變化？說明了什么？充電過程中電流方向是怎樣的？電容器上下兩極板帶電性質(zhì)是什么？

互動(dòng)總結(jié)：紅色發(fā)光二極管D1發(fā)光且亮度逐漸變暗直到熄滅，說明電容器C1的充電電流逐漸減小到0；根據(jù)二極管的單向?qū)ㄐ耘袛喑潆姇r(shí)電流從電源正極流回負(fù)極，電容器上極板帶正電，下極板帶負(fù)電。

問題3" 將單刀雙擲開關(guān)S2擲于2處，觀察到與電容器C1并聯(lián)的數(shù)字電壓表[[V][○]]的示數(shù)如何變化？放電完畢，電壓表示數(shù)為多少？

互動(dòng)總結(jié)：觀察到數(shù)字電壓表[[V][○]]的示數(shù)逐漸減小，說明電容器放電時(shí)兩極板間的電壓逐漸變?。划?dāng)電容器C1放電完畢時(shí)，綠色發(fā)光二極管D2熄滅，數(shù)字電壓表[[V][○]]的示數(shù)減小為0。

問題4" 與電容器C1串聯(lián)的綠色發(fā)光二極管D2亮度如何變化？說明了什么？放電過程中電流方向是怎樣的？

互動(dòng)總結(jié)：綠色發(fā)光二極管發(fā)光且亮度逐漸變暗直到熄滅，說明電容器C1的放電電流逐漸減小到0；放電過程中電流從電容器的正極板流回負(fù)極板。

上述活動(dòng)通過電容器的充、放電演示實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生觀察電容器充、放電現(xiàn)象，小組討論并解釋原因，以此培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)觀察、小組合作、解釋交流的能力，學(xué)生通過本環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)知道了電容器在充、放電過程中電流、電壓的變化規(guī)律，對(duì)電容器進(jìn)一步深入的了解。

1.2" 探究電容器兩極板間的電勢(shì)差與電荷量的關(guān)系

教師先引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)如下的實(shí)驗(yàn)步驟：對(duì)電容器C1充電，直到與電容器C1并聯(lián)的數(shù)字電壓表[[V][○]]的示數(shù)為16 V時(shí)，停止充電，設(shè)此時(shí)電容器C1所帶電量為Q。將單刀雙擲開關(guān)S3擲于3處，由于電容器C3與電容器C1是完全相同的兩個(gè)電容器，因此電容器C3與電容器C1將均分電荷量，電荷量都變?yōu)镼/2，讀出此時(shí)數(shù)字電壓表[[V][○]]的示數(shù)。然后將單刀雙擲開關(guān)S3擲于4處，電容器C3被短路放電。再次將單刀雙擲開關(guān)S3擲于3處，電容器C3與電容器C1再次均分電荷量，電荷量都變?yōu)镼/4，讀出數(shù)字電壓表[[V][○]]的示數(shù)。重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，可測(cè)得更多組的數(shù)據(jù)。學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并記錄數(shù)據(jù)到表1中。

表 1" 探究電容器兩極板電勢(shì)差與電荷量的關(guān)系實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

接著小組討論，結(jié)合實(shí)驗(yàn)探究規(guī)律，總結(jié)歸納出電容器極板所帶電荷量與兩極板間的電勢(shì)差成正比的關(guān)系，為電容概念的學(xué)習(xí)埋下伏筆。

上述活動(dòng)中通過測(cè)出電容器在不同狀態(tài)下兩極板間的電壓，并進(jìn)行了數(shù)據(jù)處理，學(xué)生建立起了對(duì)電容器與電容的直觀感受，有利于理解電容的概念，同時(shí)能培養(yǎng)學(xué)生收集證據(jù)、解釋交流的科學(xué)探究能力和嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的科學(xué)態(tài)度和研究精神。

2" “電容器 電容”探究實(shí)驗(yàn)的實(shí)證研究

實(shí)證研究的主要目的在于評(píng)估創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)在實(shí)際教學(xué)中的效果，筆者將某普通高中兩個(gè)同層次班分為實(shí)驗(yàn)班和對(duì)照班，進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

（1）實(shí)驗(yàn)環(huán)境控制

兩個(gè)班所使用的教材、學(xué)案以及前后測(cè)試卷等完全相同，學(xué)生的知識(shí)基礎(chǔ)和學(xué)習(xí)能力大致相同。對(duì)照班主要采用常規(guī)教學(xué)流程，課堂中通過動(dòng)畫演示電容器充、放電過程，不含實(shí)驗(yàn)探究過程，直接將知識(shí)點(diǎn)傳授給學(xué)生；實(shí)驗(yàn)班則基于前文的“電容器 電容”創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的教學(xué)設(shè)計(jì)開展教學(xué)，注重在情境中發(fā)現(xiàn)問題，從實(shí)驗(yàn)探究中構(gòu)建概念。

（2）量表：“電容器 電容”前、后測(cè)試題。

（3）實(shí)施：兩個(gè)班在完成預(yù)習(xí)任務(wù)之后進(jìn)行前測(cè)，同一天中對(duì)實(shí)驗(yàn)班和對(duì)照班進(jìn)行教學(xué)，教學(xué)完成后立即進(jìn)行后測(cè)，最后使用Winstep軟件、Excel軟件對(duì)學(xué)生試題得分進(jìn)行相關(guān)分析。

3" 教學(xué)效果對(duì)比分析

3.1" 整體分析

筆者對(duì)前、后測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，計(jì)算得出對(duì)照班與實(shí)驗(yàn)班在單選題、多選題以及錨題（前后測(cè)中同時(shí)出現(xiàn)的題）的平均分，結(jié)果如表2所示。

從前測(cè)結(jié)果可以看出，對(duì)照班和實(shí)驗(yàn)班在單選題、多選題以及錨題的平均分幾乎相等，說明學(xué)生課前預(yù)習(xí)的知識(shí)水平和自學(xué)能力水平大致相當(dāng)。實(shí)驗(yàn)班采用創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)，對(duì)照班采用動(dòng)畫演示、知識(shí)傳授的常規(guī)流程式教學(xué)。從后測(cè)結(jié)果可以看出，實(shí)驗(yàn)班的學(xué)生在解決電容器相關(guān)問題的能力水平明顯高于對(duì)照班。尤其反映在錨題上，在前測(cè)得分幾乎相等的前提下，后測(cè)中實(shí)驗(yàn)班得分提升更多，一定程度上能說明基于創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的課堂教學(xué)能促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)水平的提升。

為了分析“電容器電容”前、后測(cè)試題的有效性，筆者使用Winstep軟件對(duì)試題進(jìn)行了基于項(xiàng)目反應(yīng)理論的成績(jī)分析，分析結(jié)果如圖2所示。

從圖中可以看出，被測(cè)學(xué)生的信度為0.88，試題信度為0.95，兩者的信度均大于0.8，說明本套試題能夠較好地區(qū)分開學(xué)生的能力和試題的難度。在學(xué)生能力和試題難度的估計(jì)中，INFIT MNSQ和OUTFIT MNSQ的值都接近于1，ZSTD都接近于0，滿足理想水平，說明本套試題得到的測(cè)量結(jié)果和基于項(xiàng)目反應(yīng)理論的模型擬合得比較好，可以有效地反應(yīng)教學(xué)效果。

3.2" 錨題分析

錨題：

某電容器在充電過程中，其電壓U與所帶電荷量Q之間的關(guān)系是（" " ）

如圖3所示的前、后測(cè)都出現(xiàn)的錨題，考查的概念是電容器充電現(xiàn)象，學(xué)生需要通過預(yù)習(xí)知道電容器能夠儲(chǔ)存電荷，在電容器充電過程中兩極板間的電勢(shì)差會(huì)隨著極板所帶電荷量的增加而增大，從而能夠準(zhǔn)確選出B選項(xiàng)。

從圖4可以看出，對(duì)照班和實(shí)驗(yàn)班僅通過預(yù)習(xí)就選出正確答案的人數(shù)相同，選擇錯(cuò)誤選項(xiàng)的人數(shù)也大致相等，說明兩個(gè)班級(jí)學(xué)生的原有知識(shí)水平和學(xué)習(xí)能力等大致相同。

從圖5可以看出實(shí)驗(yàn)班比對(duì)照班多7人選出了正確選項(xiàng)B，更少的學(xué)生選擇A或者C，說明實(shí)驗(yàn)班的學(xué)生經(jīng)歷了電容器兩極板間的電勢(shì)差與電荷量關(guān)系的探究實(shí)驗(yàn)后，對(duì)U與Q的關(guān)系理解更加深刻。對(duì)照班直接講述電容的概念，給出電容的定義式，學(xué)生對(duì)U與Q的關(guān)系理解不夠到位。

3.3" 后測(cè)試題分析

錨題：

據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，科學(xué)家發(fā)明了一種新型超級(jí)電容器，能讓手機(jī)幾分鐘內(nèi)充滿電。某同學(xué)假日登山途中，用該種電容器給手機(jī)電池充電，下列說法正確的是（" " "）。

A. 該電容給手機(jī)電池充電時(shí)，電容器的電容變大。

B. 該電容給手機(jī)電池充電時(shí)，電容器存儲(chǔ)的電能變少。

C. 該電容給手機(jī)電池充電時(shí)，電容器所帶的電荷量可能不變。

D. 充電結(jié)束后，電容器不帶電，電容器的電容為零。

本題考查的是學(xué)生根據(jù)所學(xué)知識(shí)對(duì)現(xiàn)實(shí)生活中的工程應(yīng)用做出解釋的能力，學(xué)生首先需要將問題的工程背景聚焦到電容器的放電現(xiàn)象中，意識(shí)到電容器給手機(jī)充電時(shí)對(duì)應(yīng)著電容器的放電過程，還需要知道電容是電容器本身屬性，反映電容器容納電荷本領(lǐng)的大小，電容的大小與電容器是否帶電無(wú)關(guān)，從而選擇出正確的B選項(xiàng)。

如圖6所示，實(shí)驗(yàn)班超半數(shù)學(xué)生都選擇了正確選項(xiàng)，正選人數(shù)明顯高于對(duì)照班。對(duì)照班有更多學(xué)生錯(cuò)選A、D選項(xiàng)，說明學(xué)生對(duì)電容的概念本質(zhì)理解還不到位，雖然課堂都講述過“電容是電容器的本身屬性，反映電容器容納電荷本領(lǐng)，與所帶電荷量以及兩極板間的電勢(shì)差無(wú)關(guān)”，但學(xué)生沒有經(jīng)歷電容概念的構(gòu)建過程，無(wú)法感受電容這一概念的內(nèi)涵。而實(shí)驗(yàn)班學(xué)生是在經(jīng)歷探究電容器兩極板間的電勢(shì)差與電荷量關(guān)系的實(shí)驗(yàn)之后，猜想并總結(jié)出電容這一新的物理概念，教學(xué)過程中不斷激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理概念的內(nèi)動(dòng)力和面對(duì)物理規(guī)律時(shí)的探索欲望。

相較于實(shí)驗(yàn)班絕大多數(shù)學(xué)生都能得分的情況，對(duì)照班學(xué)生超過半數(shù)的學(xué)生得0分，說明對(duì)照班部分學(xué)生缺乏運(yùn)用所學(xué)知識(shí)對(duì)實(shí)際情境進(jìn)行分析的意識(shí)和將分析過程描述出來的能力，即便是能夠有意識(shí)地將學(xué)過的電容的知識(shí)與現(xiàn)實(shí)情境關(guān)聯(lián)起來，也缺乏運(yùn)用知識(shí)進(jìn)一步的解釋和預(yù)測(cè)的能力，而實(shí)驗(yàn)班的絕大多數(shù)學(xué)生都能將電容的知識(shí)與現(xiàn)實(shí)情境整合到一起，并做出進(jìn)一步的解釋。總的來說，在基礎(chǔ)水平相差無(wú)幾的情況下，實(shí)驗(yàn)班學(xué)生的整體能力提升值高于對(duì)照班學(xué)生，即實(shí)驗(yàn)班的學(xué)生解決物理問題的能力優(yōu)于對(duì)照班，說明了基于創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的物理教學(xué)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生解決試題的能力有比較明顯的促進(jìn)作用。

4" 總結(jié)及教學(xué)建議

基于以上分析，實(shí)驗(yàn)班解決試題的能力要好于對(duì)照班，具體表現(xiàn)為將實(shí)際情境與學(xué)過的知識(shí)進(jìn)行關(guān)聯(lián)、整合的能力更強(qiáng)，能夠?qū)⑺鶎W(xué)知識(shí)運(yùn)用在情境中把解決實(shí)際問題的過程比較清晰地表述出來。因此可以認(rèn)為，在經(jīng)歷一段時(shí)間的學(xué)習(xí)之后，基于創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)開展教學(xué)的實(shí)驗(yàn)班學(xué)生在學(xué)習(xí)成績(jī)上的提升會(huì)優(yōu)于對(duì)照班，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的教學(xué)對(duì)學(xué)生的解決真實(shí)問題的能力有明顯促進(jìn)作用?？傊?，建議教師在“電容器 電容”教學(xué)中積極開展“觀察電容器充、放電現(xiàn)象”和“定量探究電容器兩極板間的電勢(shì)差與電荷量的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)教學(xué)，把定量探究實(shí)驗(yàn)放在電容概念之前，有效降低學(xué)生學(xué)習(xí)電容概念的難度，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中落實(shí)培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力和質(zhì)疑創(chuàng)新思維的目標(biāo)。