构建实验链 促学生学习进阶

2020-09-14 12:23:19 中学理科园地 2020年4期

俞苍

摘   要:以“电容器 电容”一课的教学为例,探讨如何在课堂教学过程中应用学习进阶理论整合多样化实验资源,搭建基于学生视角的实验链,从而构建知识逻辑主线,让学生在多样的课堂活动中实现思维的“有效进阶”,发展学生的物理学科核心素养。

关键词:物理实验;电容器;电容;思维进阶

1  构建实验链促学生学习进阶的分析

根据美国国家研究理事会的研究,“学习进阶”就是对学生持续并不断深化的思维模式进行的一个假设性的描述。在特定的时间段内,学生对某个知识领域进行学习和实践的过程中体现出的思维方式不断深化和提高[ 1 ]。从这一概念可以看出学生的学习活动其实是一个不断积累、进步的过程。任何知识点的学习都不是一蹴而就的,学习知识的过程就是一个螺旋上升的过程。有中间水平也有飞速上升期,其中的中间水平为“阶”,正是多个连贯的“阶”将学习的起点与终点连接起来,形成一个学习进阶过程。

物理是一门以实验为基础的学科,不同的实验服务于不同的目标、采取的实验方案也不同、实验操作有难有易,对精准度要求也不同。在中学物理学科教学活动中,怎样把各类形式的实验进行科学合理的整合,形成一个实验链,让学习过程能够从感性层面进阶到理性层面,从具体实验操作进阶到抽象理论认识,进而形成正确的物理观念,学习目标的达成。笔者以省级公开课“电容器 电容”为例,结合几个教学片断,探讨实验链的设计及其在促学生学习进阶教学实践中的应用。

高二的学生已经学习各种起电形式及起电原理、电荷守恒和库仑定律、电场、电势,但对于电荷储放电子元件--电容器,在生活中也没什么接触。而且电容器电容的定义属于比较抽象的物理概念。为了让大部分学生能够更好地掌握这方面的知识,可以将那些比较直观感性的知识点作为切入口,诸如电容器的结构、电荷储存工作、放电过程等,将它们作为进阶起点。在此基础上引导学生学会用比值法去理解并掌握电容器电容的相关知识。熟悉电容器在电子领域的作用,对科学技术与社会生产之间的关系有一个全面客观的新认识。所以,进阶要达到的最终效果就是学习者能够融会贯通,灵活地使用物理知识,体会物理在实际生活中的广泛应用,真正做到学以致用。教学过程中,教师应该科学地设置进阶点,连续两个进阶层之间知识难度系数不能相差过大,但是也不能没有差距。差距太大,会增加学生的挫败感,打击学生学习热情;差距太小,虽然可以维持已有的学习状态和进程,但会影响学生的求知欲,不利于学生思维能力的提高[ 2 ]。笔者在“电容器 电容”教学中设定好的教学进阶点,科学地开展实验活动,构建出一个实验链以促进学生的进阶学习,知识逻辑主线如图1中的流程所示。

2  构建实验链促学生学习进阶的教学实践

2.1  设疑激趣——创设建构新学习情景

根据现代心理学的研究结论,个体的日常行为都有其特定的动机,而动机又是在相应的情境中产生的。因此在物理教学中,老师应结合教学内容,创设可以调动学生参与性的实验体验,促使学生产生积极的学习情感。

情景引入:教师展示两个金属碗并击打发出“砰”……声响,同时提出问题,金属碗可用来装什么?

学生:可装饭,装水……,教师:今天让它装一种看不见摸不着的东西。

学生:学生一脸疑惑?

激趣实验:教师用感应起电机让两金属碗带上电。

学生活动:邀请一名学生上台,让学生用两手指分别接触两金属碗,学生有被触电的感觉(学生陈述感觉)

教师:说明装电了。

教师拿起碗说明碗是导体,塑料膜是绝缘体,继续问这样的装置为什么可以装电荷?

(学生思考,提问学生)

学生:两金属碗不导通,正负电荷彼此吸引,靠引力装电荷。

教师:我们把这样可以装电荷的结构装置称为电容器

基本概念导入:两个学生都有轻微的触电感,表明金属碗上带有电荷,由此可以推导出金属碗间放置绝缘物体如图2所示,具有了储放电荷的性质。 该实验向学生展示了一个简单的电容器装置。让学生认识电容器的基本性能之一:存储电荷。

【教学反思1】 知识通过特定情景设置才能更好地转换为学习者的素养。老师通过情境的创设,有利于体现学科知识的趣味性,激发学生的探知欲。让学生在实践体验的过程中,感受到物理学科的魅力。

2.2  对比实验促思——创建學生自主参与的学习平台

个体的认知能力呈现出一个螺旋上升的趋势。通过一系列实验活动,让学生了解其基本结构和功能:

分组实验(1):让学生拆解纸质电容并观察结构与材料。

教师:今天在桌面上事先准备了一个已拆电容器(图3)与一个未拆电容器,大家观察结构,你看出了什么?

学生回答:两个金属膜中间胶合上一层绝缘膜,与刚才结构相似。

教师:刚才实验中只有一个同学感受了触电,也就是电容器两个极板正、负电荷的中和——放电。

我们把电容器带电的过程称为充电,今天让大家自己动手来完成电容器充放电过程。

教师:请同学们看图4,提问学生说明工作原理。

学生分析:开关接a,电容器和电源相连为充电过程,然后将单刀双掷开关接b,电容器两极板通过导线与电灯连接一起,因为电容器两端存在电势差,为两极板上的电荷中和提供了条件,导线中有电流,这是放电过程。

学生分组实验(2):

A:用四个电池串联完成电容的充放电,观察现象并说明。

B: 改用两个电池完成电容的充放电,比较与前者差异并说明。

提问学生观察到的现象:

现象(1)有的组学生灯不亮。

教师问:为什么灯不亮?

学生答:没电流。电容没充电,电容有正负极之分。

现象(2)放电过程:小灯泡亮一会熄灭,亮的时间不同,亮度不同。

教师问:时间、亮度不同说明什么?

学生答:电流不同,电量多少不同,具体说电压大,电量大。

教师:电容器储存的电荷量的能力与它的电压存在正相关的关系;在同等电压下,不同容量的电容器储存的电荷量的能力也会不一样。

【教学反思2】 通过对比实验才能更好地看透事物的本质,并成功揭示出潜在的规律。对比实验从实验条件、实验过程、现象的差异性观察到总结归纳,既能提高学生的逻辑思维能力,又能培养学生的概括分析能力,帮助学生更好地理解和掌握学科知识。

2.3  DIS数字化实验——创设学生深度学的学习空间

教师:在前面实验的基础上,电容的电压U与电容的电量Q它们之间是什么样的正相关?老师也很好奇,我课前和几个同学用DIS系统对这问题进行了探究。

教师问:如果是你对这问题进行了探究,会遇到的哪些困难以及处理的手段?

学生答:测量电压、电量。

教师问:电压可以用电压表测定,但电量呢?

(学生对电量的如何测定存在疑问,教师适当引导,放电过程电流是随时间变化的,据所学过的知识v-t图象用面积来计算非匀变速运动物体的位移。)

教师:和传统的实验工具进行对比,DIS数字化实验的准确性更高,而且实现了实验数据的动态掌握。如图5所示,电压与电流的变化可以通过电压传感设备和电流传感设备完成录入工作。并获得i-t图象覆盖的面积,来反映电荷量Q。

教师播放微课展示实验记录的数据表1,请学生分析可以得到什么结论。

师:比值是个定值,比值代表什么?

提问学生:单位电压的电量,就是一种本领的反映。

师:这种关系如同在表征量筒容纳本领时的S=V/h类似。电势差U如同高度差h,水量——电荷量,类比可得Q/U来表示本领,电容C=Q/U。

【教学反思3】学生对核心概念的理解不是一蹴而就的,而是需要经过许多不同的中间水平。电容的电量是逐渐减少,如何求电荷量的大小?利用v-t图象知识迁移得到i-t图象包围的面积就表示电荷量Q。 可以称v-t图象为“阶”,通过“阶”的有效设计来引导学生进行更深入的探究。

2.4  探究实验——设计学生自主探究的实践活动

结合学生在每个阶段的学习状况,老师应该根据教学目标设计一些自主探究的实践活动,这样才能使学生的学习能力得到实质性的提升。

探究影响电容大小的因素:

师:初中学过电阻,R反映对电流阻碍作用,与U、I多少无关,是物体的固有属性。R的大小由什么决定?

生:(材料、长短、粗细、温度)

师:结合在桌面上拆解的纸质电容、还有一个可变电容,大家猜想下电容的大小可能与什么有关?猜想的依据是什么?

学生活动:(小组讨论,学生抢答)

(提问学生,小组评价)

学生A:拆解后的纸质电容,有长度足够长,可变电容旋进旋出,都说明可能跟面积有关。

学生B: 结合金属碗实验,中间放塑料膜,如果替换成金属膜,将不带电,猜想可能与中间夹层材料有关。

学生C:根据电容器带电的原理,电荷相互吸引束缚,如果两金属片距离拉大,吸引力减小,束缚本领下降,带电也少,说明可能与距离有关。

教师出示平行板电容器,说明是最简单、最基本的电容器,几乎所有电容器都是它的变形,把金属碗敲平就是这个结构。所以我们用它来研究电容的影响因素。

学生:可能与极板面积、板间的距离、两板间的绝缘物质有关。

教师:用实验如何来探究电容跟这些因素间的关系?[ 3 ]

学生齐答:采用控制变量法。

教师:遇到的困难是什么?

学生:怎么测C。

教师:介绍数字万用表测C,结合自制平板电容器,记录探究结果并总结。

实验器材:多用电表(单位:nF),几块有机玻璃板,规格为:30cm×50cm的铝板两个(面积:S0),厚度为1mm(用d表示)。

学生:记录不同正对面积时对应的电容值,如表2所示。

(2)探究C与板间距d的关系

学生:记录不同板间距时对应的电容值,如表3所示。

(3)探究C与板间绝缘介质不同时的关系

步骤:  ①金属板之间放置有机玻璃板,对其电容值进行檢测;

②金属板之间放置等厚度的云母片,对其电容值进行检测;

③对两组电容值进行对比;

④在S和d一致的情况下,绝缘介质为云母片的电容值要高于有机玻璃板为绝缘介质的电容值。

实验结论:C与d反相关、C与S正相关、C与电介质正相关

教师总结:经过实验室严格的定量测定发现C=εS/4πkd,并说明各物理量含义。

【教学反思4】在科学探究活动中,提出探究的问题后,在猜想这一环节,学生提出的猜想的探究因素很多,在有限的课堂时间内不可能一一验证。教师应该引导学生在探究因素中提取关键问题,帮助学生理清科学探究的主要因素和内在联系,培养学生形成科学的思维模式。

在物理学科的教学活动中会涉及到很多实验,教师要紧紧围绕思维进阶这个主视角,有机地整合这些实验促进学生逐渐向高阶思维层进步,提高教学效果并促进学生学习能力的不断提高。

参考文献:

[1]郑曼瑶,张军朋.“学习进阶”的研究及其在物理教学中的应用[J]物理通报,2014(12):2-6.

[2]钱毓平.高中物理“问题链”设计思想与学科素养之共性[J]中学物理(高中版),2015(8):12-13.

[3]李兴.构建进阶式实验链彰显科学探究的内涵[J].中学物理教学参考,2019(9):13-17.