生成物理观念 提升科学思维——利用现代化工具设计“电容器的电容”实验教学

生成物理观念 提升科学思维——利用现代化工具设计“电容器的电容”实验教学

郭远道

（贵州师范大学 550000）

摘  要：相比于2003年版课程标准，物理核心素养在理论阐述结构不变的基础上，新增了科学思维与物理观念两个方面。本文以“电容器的电容”教学实践为例，利用现代化工具，通过实验探究、创设情景，联系生活实际，引导学生思考、讨论，并动手操作，从物理观念、科学思维的培养入手，实现高中物理教学学科核心素养的落地。

关键词：学科核心素养；物理观念；科学思维；物理实验

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新课程改革确立了“物理核心素养”的新教育理念，其中更以物理观念为基础，科学思维为核心[1]，课程标准将科学思维分为“模型建构”“科学推理”“科学论证”和“质疑创新”四个要素，将物理观念分为“物质观念”“运动与相互作用观念”以及“能量观念”[2]。

物理学作为以实验为基础的学科，通过物理课堂实验教学体现物理观念及科学思维是一条重要的途径。本文选取“电容器的电容“一节为例，围绕电容器的特性、电容概念的生成及运用现代化工具设计实验教学，侧重体现高中物理教学中科学思维、物理观念的培养目标的落地。

一、教学目标

（1）观察常见的电容器；

（2）了解电容器的电容；

（3）观察电容器的充、放电现象；

（4）能举例说明电容器的应用。

二、教学重点

（1）通过电容器充放电现象思考电容器的原理。

（2）探究电容器的电荷量与电压之间的关系，并能用它解决基本问题。

三、教学难点

（1）探究电容器的电荷量与电压之间的关系。

（2）如何量化电容器所带电荷量。

四、教学内容

本节课使用的教学用具有：电容器（）、电源、演示电压表、实验示波器、视频线、可调式直流电源模块、电容器的充放电实物电路板、电容器的电压与电荷量的关系实物电路板、大小烧杯、导线等。

1.引入新课

分别展示相机照相时用的两种补光灯：常亮灯与闪光灯，并呈现两者的电池电压，让学生观察两者的发光情况。

师  老师手里的常量灯亮吗？那闪光灯呢？

学生在观察认为常亮灯很亮后，突然看见闪光灯发出更强烈的光，都很吃惊与兴奋。

师  这两个电源电压差不多的设备，为什么发光亮度差了很多呢？其实闪光灯里有一个特殊的元件，是它使得闪光灯能够发出更强的光，它叫——电容器。

设计意图  实验引入，通过两个生活中常见的设备比较在相同电源电压下的亮度却不同，造成认知冲突，激发学生的疑问与好奇，引出电容器，培养学生的科学探究精神。

2.认识电容器

向学生展示电容器，发现它和其他的电学元件类似，也有两个引脚可以接入到电路中。

将电容器两端通过导线连接到演示电压表两端，让学生观察现象。将电源与电容器连接，再接在演示电压表上，比较两次电压表指针的偏转情况。

设计意图  通过问答的方式，引导学生突破难点，形成物理观念，体会物理知识从生活到理论，再从理论反映到生活的过程。

3.电容器的充放电现象

上一个环节通过电池给电容器充电的方式，初步了解电容器的功能，既然有充电就有放电。为了更好地呈现电容器的放电过程，本节课对课本上的实验设计进行改进，将电容器、开关、定值电阻、发光二极管、电源及电压传感器接口等固定在亚克力板上，并通过导线连接，形成实物电路图，可以直接在上面进行电路讲解与实验演示，电容器两端的电压将通过实验示波器作为电压传感器采集电压信息，并使用HDMI视频线，通过有线连接方式稳定地将实验示波器的屏幕投屏在黑板的多媒体显示屏上，直观地呈现电容器两端电压随时间的变化曲线。

设计意图  通过示波器和多媒体显示实现更具可视化的现代化教学工具，演示电容器连接电源及不同负载时的充放电现象，并升华到能量观，形成物理观念并培养科学探究精神。

4.实验：探究电容器的电势差与电荷量的关系

（1）实验设计

目的：探究电容器两端的电容器的电势差与电荷量的关系。

实验仪器：实验示波器、可调式直流电源模块、电容器的电压与电荷量的关系实物电路板、导线等。

多媒体工具：表格中绘制好、的空白表格并映射出函数图像。

因为实验的专业性，先请一名同学协助老师完成实验，再由同学独立操作并完成实验。

（2）学生动手操作

将可调式直流电源模块的输出电压调至，请一名同学仿照老师刚才演示的实验，上台操作。

上台操作实验的学生往往会因为紧张或实验不熟悉等原因，会不可避免地出现失误，导致数据采集需要重新开始，此时应鼓励他继续操作，并请台下的同学们帮助指导。

最后将学生所得到的数据输入到Excel表格的电压一行，生成对应的函数曲线，并添加趋势线。

（3）归纳总结

从上面所得的函数图线不难看出，即使电容器充电后的电压不同，在误差范围内，所得的图像都近似是一条直线，即电荷量与电压之间成正比，比值为一个常数，即电容器的电容大小：

（4）误差分析

在表扬学生做的第二组实验结果更贴近于一条直线的同时，对学生提问：为什么老师得出的图线，距离直线有一定的偏差呢？让学生讨论回答。

本节课是在十月左右上的，此时本地多雨气候偏潮湿，老师在演示实验时，每次操作后需要停顿对学生提问与讲解，用时较长，导致电容器中电荷损失较大。而操作的学生在熟悉实验步骤后，很快就得出了六组数据，电荷损失没有那么大。同时电路中的电阻也会将损耗一定的电能，这些误差属于偶然误差。

设计意图  上个实验对电容器进行定性分析后，通过示波器数据采集的方式从定量的角度进行实验探究，利用现代化工具直观呈现本节课重点内容，并以电荷守恒为基础，巧妙地化解了电荷量无法直接测量的困境，培养科学思维与科学探究能力。同时鼓励学生不怕失败，通力合作的精神，实践了核心素养中的科学态度与责任的培养。

5.电容的定义式

实验表明，当电容器的电荷量变为一半时，电压也变为原来的一半，即电荷量与电压的比值不变，该比值称为电容器的电容，公式：

并指出电容的国际单位：法拉（），及常用单位：微法（）、皮法（），其与法拉的关系：

设计意图  在对公式与单位理解的基础上，通过借助身边物品，帮助学生理解，并得出电容不受电荷量与电压影响的结论，突破难点，强化物理观念的形成。

五、教学总结

本文通过引入新课从生活中常见的闪光灯与常亮灯的比较，使学生认识电容器，开展科学探究。实验“电容器的充放电现象”与实验“探究电容器的电势差与电荷量的关系”更进一步探究，最终形成电容的定义这一物质观念，最终通过习题巩固、联系开头，达到学以致用的结果，实现了在核心素养的导向下学生科学探究能力及物理观念的培养。

参考文献：

[1]彭前程.《普通高中物理课程标准(2017年版)》的变化[J].课程·教材·教法,2018(9):99-106.

[2]中华人们共和国教育部制定.普通高中物理课程标准（2017年版）[M].北京:人民教育出版社,2018年1月.

[3]普通高中教科书·物理(选择性必修第二册)[M].北京:人民教育出版社,2019.8.

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