基于核心素养发展的物理概念教学改进

2020-02-10 03:02:41 中学物理·高中 2020年1期

李宝才 田成良 冯波

摘?要:2017版新课标颁布了学科核心素养,倡导学科育人,教师应注重培养学生的能力和品格.概念是物理学的基石,它能深刻地反映事物的共同特征和本质属性;在概念教学中,教师常把重点放在知识的传授上,强化教学的结果,忽视了概念建立的过程,如何在概念教学中落实核心素养是广大物理教师必须面对的问题.

关键词:优化过程;建立概念;核心素养

文章编号:1008-4134(2020)01-0051?中图分类号:G633.7?文献标识码:B

作者简介:

李宝才(1975-),男,河北唐山人,本科,中学高级教师,研究方向:高中物理学科教学;

田成良(1974-),男,山东泗水人,本科,中学高级教师,物理特级教师,硕士生导师,研究方向:物理过程教学、物理科学方法教育、课堂教学艺术等;

冯波(1965-),男,湖南郴州人,本科,中学高级教师,北京市特级教师,研究方向:中学物理课堂教学.

对于物理概念的教学,过去多把侧重点放在知识的传授上,强调的是讲清概念的内涵、外延以及与相关概念的联系与区别.至于对概念的来龙去脉,对它形成与发展的过程,则轻描淡写,甚至一笔带过.这种“斩头去尾烧中间”的做法,强化了教学的结果,而忽视了教学的过程,其結果不仅减弱了概念教学本身,而且也有碍于学生能力的培养.

在新课改理念的指导下,笔者探索优化建立概念的过程,并在概念建立的过程中落实学科核心素养.本文以“电容器的电容”为例进行教学设计.

1?经历电容器发明的过程

教师出示一个盛水的塑料杯(内外壁附有锡箔纸,如图1所示),问学生:“这个杯子能装水,它能否装电呢?”学生摇头,表示不信,教师用起电机给杯子充电,然后找三名同学手牵手,让其中一同学的手分别触摸杯子的内、外壁,三名同学被电得大叫,其他同学发出惊讶的声音,这个杯子为什么能装电呢?教师进一步展示杯子的结构,其实塑料杯、锡箔纸组合成了一个新的元件——电容器.它具有储存电荷的本领,我们称之为电容器——电荷容纳的仪器(类似水杯——容纳水的容器),然后用多媒体动画解释电容器储电荷的原理.

最早的电容器,又称为莱顿瓶,它是1746年,荷兰莱顿大学的教授马森布罗克在做电学实验时无意中发明的,这种装置可把电储存起来.原始的莱顿瓶是一个玻璃瓶,瓶里瓶外分别贴有锡箔,瓶里的锡箔通过金属链跟金属棒连接,棒的上端是一个金属球,这就构成以瓶子玻璃为电介质的电容器.后来研究发现,只要把“双层金属膜(铝箔)+绝缘体(塑料)”组合即可将电荷存储起来,其模型简化为“两个金属板+电介质”,从而完成模型建构的过程.最后出示电路中常用电容器,并认识其结构(如图2).认识了电容器后,让学生现场制作:将两张烤箱用的锡箔纸中间夹上一层保鲜膜,用熨斗熨平,紧密压在一起,并利用静电起电机的莱顿瓶让学生亲身体验电容器的充放电过程.

评析?本环节通过学生活动,亲身体验“触电”,从问题的起点开始,带领学生经历电容器发明的过程,并利用物理学史认识电容器的结构,了解莱顿瓶的发明过程,感悟前人敢于攀登科学高峰的精神,渗透了科学精神.通过制作电容器,亲身体验,学生非常有成就感,不仅对电容器结构和作用有了更深刻的认识,还会对这个神奇的电容器产生探究的欲望.

2?认识电容器的作用

首先设计学生活动,让电容器与电源相连,充电后将两极板短路,产生放电火花.在实验中,让学生感知电容器能够容纳和释放电荷,同时定性感知电压不同存储的电荷量也不同,为后面的学生分组探究实验做铺垫.

然后用电源对同一电容器充电、放电,如图3所示,注意观察电流计指针偏转的方向、偏角的大小及灯泡亮度变化,感受电容器充电和放电过程,体会电容器的功能.并让学生在电容器充放电的过程中,解释Q、U、E以及电场能的变化情况.利用理论分析,在电容充放电的过程中建立能量的观念.

评析?在认识了电容器的结构后,利用学生活动亲身体验电容器充、放电的过程,观察实验现象,激发了学习兴趣,体验到电容器的神奇功能,认识了其功能和价值,为后面建立电容的定义奠定了基础.

3?探究电容器容纳电荷量与电势差的关系

通过前面的电容器充、放电实验,我们发现用不同的电源给同一个电容器充电,电容器所带的电荷量并不同.

师:你认为电容器容纳电荷量的多少与什么因素有关?

生:电势差.

师:为研究同一个电容器容纳电荷的多少,我们如何设计实验呢?

生:控制电容器不变,改变电势差的大小.

师:如何定量测量电势差和电荷量呢?

生:电势差可用电压表测量,电荷量怎样测量?

师:电势差容易测量,电荷量虽不易定量测量,能否间接测量呢?

生:利用Q与I、t的关系,理论上可以实现.

师:通过i-t图像如何能知道电荷量呢(如图4所示)?

生:面积.

师:为什么啊?你们是怎么想的呢?

生:我们之前学过v-t图像的面积表示位移.根据公式Q=it,所以这个面积应该是电荷量.

师:同学们太棒了!能够迁移,学会了类比.这就是学习的基本方法.由于图像直观,高中阶段处理数据最常用的方法就是图像法.

评析?以上环节,首先明确主题,有利于开展探究实验,并在设计过程中,利用控制变量和极限思想进行科学方法教育,发展了学生的科学思维.利用图像解决电荷量测量问题,培养了学生的创新能力,发展了学生的核心素养.

3.1?技术辅助,创设问题情境

如图5所示,利用DIS实验测绘出电容器的充放电i-t图像.各组同学分别用不同规格的电容器,探究同一电容器在不同电压下的充放电i-t图像.

介绍先进实验仪器——电流传感器,如图5所示.测定充放电电流-时间图像(i-t图像)借助计算机画图,如图6所示,可以得出什么结论?

3.2?抽象加工?建立电容概念

实验结束后,引导学生分析论证,思考:

(1)从图像中你能观察到什么?

(2)电流变化的特点是什么?说明了什么?

(3)i-t图象下面所围成的“面积”表示什么?

生:同一个电容器,Q与U成正比,Q与U的比值不变,也就是图像中的斜率不变.

师:不同小组用同样的方法测出了另外两个电容器的Q-U图像,对比三个图像,请同学们观察并思考,有什么发现? 在不同的电容器放电的过程中,我们看到了什么现象?

生:灯泡亮的时间不一样,有的持续时间长,有的很短.

生:同一个电容器Q与U成正比,Q/U的比值不变.不同的电容器Q与U的比值不同.

师:以上现象说明了什么?Q/U意味着什么?有怎样的实际物理意义?

生:有的电容器带的电荷量多,有的少.

引导学生共同归纳,Q/U的比值不变在物理学当中有特殊意义,它表示不同电容器的特性不同,为了认识不同电容器带电的本领不同,为了描述不同电容器的Q/U不同,我们把Q/U的比值定义为一个新的物理量——电容,它表示电容器带电的本领,即比值大表示容纳电荷本领大,反之本领小.

评析?本环节,利用信息技术手段,测量了实验数据和图像,创设了不同电容器有不同的图像(斜率)的情境,引导学生分析图像,总结结论,建立概念,整个过程始终体现学生主体,自主建构知识,不仅培养了探究能力,还发展了科学思维,认识了电容的本质.

3.3?利用变式?巩固深化概念

建立了电容的定义后,为使学生真正掌握其物理意义,可以利用以下问题,进行变式训练.用不同的电压给电容器充电,电容大小变化吗?电容的大小与Q、U有关吗?学生已经懂得,R=U/I,但与U、I无关;Φ=EP/q,与EP 、q无关……,所以利用学生已经掌握的知识,进行迁移,有利于突破难点.

通过前面的实验,引导学生认识到不同电容器带电的本领不同,就像不同的水杯装水的本领不同,不同的物质吸热本领不同.电容器容纳电荷的本领不同,这个不同仅由电容器本身决定,与外界的电压和和电荷量无关.最后让学生回顾,利用比值定义建立概念的还有哪些物理量?共同总结电场强度、电势、密度、压强、加速度等概念,都用了类似的方法.

评析?科学探究能够培养学生设计方案的能力和获取证据的能力,利用各种科技手段和方法收集信息、处理信息,解释实验结论和评估交流,在这个过程中,不仅发展了科学思维,还着重培养了学生对实验数据的处理能力.经过分析论证,从而得出斜率不变可能预示着某个特殊含义,进而得出电容的概念,这种建立概念的过程,更符合学生的认知规律,有利于学生突破学习难点.

3.4?学以致用,培养实践意识

通过联想电脑主板、小米音响功放、闪光灯、美的电饭锅、海尔洗衣机、长虹液晶电视、格力变频冰箱等等,让学生认识到电容应用广泛,类型众多,如图8所示.最后,利用自制的安检仪,现场检测瓶装水和瓶装油,让学生把一瓶液体放入箱子中,如图9所示,教师都能很快地鉴别出是什么物质,学生发出惊讶的声音.教师引导学生从电容的角度,思考其中奥妙,安检仪就是一个大电容,放入液体,就是改变了电容器的电容.这个游戏不仅为后面学习影响电容大小的因素奠定了基础,还激发了学生的学习兴趣.

评析?通過电容器的实际应用和发展,使学生体会到学习是有用的.教育的根本目的就是学以致用.新课程标准的理念是:在内容上注重与生产生活、现代社会及科技发展的联系,反映当代科学技术发展的重要成果和科学思想,同时关注物理学的技术应用带来的社会问题,培养学生的社会参与意识和社会责任感.

参考文献:

[1]田成良.遵循知识形成过程 突破思维障碍[J].中学物理教学参考,2015(10):14-16.

(收稿日期:2019-10-06)

?
广东快乐十分