楊曉梅 韓 薇
(寧夏大學(xué)物理與電子電氣工程學(xué)院,寧夏 銀川 750021)
2017年教育部頒布的《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》提出:中學(xué)教育培養(yǎng)的學(xué)生不僅僅能夠進(jìn)行理論方面的推演和探究,還有能力實(shí)際動手操作,發(fā)現(xiàn)并主動應(yīng)用知識和技術(shù)解決遇到的現(xiàn)實(shí)問題.[1]我國教育長期受“應(yīng)試教育”的桎梏,往往過于注重科學(xué)與數(shù)學(xué),忽視技術(shù)與工程教育,學(xué)生的創(chuàng)造力和實(shí)踐能力較為薄弱,將STEM教育理念融入物理教學(xué)非常必要.
科學(xué)、數(shù)學(xué)、技術(shù)和工程被稱作是STEM教育的“元學(xué)科”,這個(gè)過程不是將各學(xué)科的知識簡單疊加,而是強(qiáng)調(diào)在分散的學(xué)科內(nèi)容之間找到融合的平衡點(diǎn),整合形成有機(jī)整體.[2]作為偏重實(shí)踐與創(chuàng)新的物理教學(xué)不應(yīng)該拘泥于理論知識,而要在學(xué)科中合理地滲透技術(shù)、工程與數(shù)學(xué),納別水之址以厚己,讓STEM教育成為我國培育創(chuàng)新型、實(shí)踐型人才的沃土.
綜上,以人教版高中物理選修3-1第1章第8節(jié)“電容器的電容”一節(jié)教學(xué)設(shè)計(jì)為例,展現(xiàn)STEM理念在物理教學(xué)中的拓展應(yīng)用.
基于STEM教學(xué)理念進(jìn)行“電容器的電容”綜合活動的教學(xué)設(shè)計(jì),其流程圖如圖1所示.
圖1 教學(xué)流程圖
1.2.1 情境引入——科學(xué):物理與化學(xué)學(xué)科結(jié)合
(1)“電解水”現(xiàn)象,引入電容器概念.
創(chuàng)設(shè)情境:透明塑料罐中加入硫酸鈉與酚酞混合溶液,罐上下端皆設(shè)鋁箔為電極板,接入16 V電源,觀察到罐中的接入負(fù)極一端電極板附近的溶液逐漸變紅,如圖2所示.
圖2 “電解水”引入實(shí)驗(yàn)
引導(dǎo):為什么接入電源后,接入負(fù)極一端電極板附近溶液變紅?
知識再認(rèn):因?yàn)榻尤胴?fù)極附近溶液得電子,電解出OH-,OH-遇酚酞變紅.
提出問題:如果此時(shí)兩電極之間不是導(dǎo)體,而是絕緣體,那么電極板上的電子還會移動到溶液中嗎?帶著這個(gè)問題,我們一起進(jìn)入今天的課程——電容器的電容.
(2)設(shè)計(jì)意圖.
從理科學(xué)科化學(xué)出發(fā),讓學(xué)生對電容器的結(jié)構(gòu)以及充電時(shí)的電荷分布情況有一個(gè)初步的認(rèn)識,通過化學(xué)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與物理新課之間的聯(lián)系引入知識點(diǎn),不止局限于單個(gè)學(xué)科的內(nèi)部,而是進(jìn)行跨學(xué)科、跨領(lǐng)域的融合與交流,選擇一個(gè)特定的研究對象,利用不同學(xué)科相關(guān)的知識進(jìn)行探究與思考,符合STEM教育理念.
1.2.2 電容器結(jié)構(gòu)探究——工程與科學(xué)結(jié)合
(1)基于問題情境,探究電容器結(jié)構(gòu).
創(chuàng)設(shè)情境:展示萊頓瓶相關(guān)歷史視頻第一個(gè)萊頓瓶的誕生.讓學(xué)生觀察萊頓瓶的結(jié)構(gòu),體會科學(xué)家探究過程中的思維、方法與態(tài)度.
建立概念:① 通過觀察萊頓瓶,了解電容器結(jié)構(gòu).如圖3所示;②PPT展示萊頓瓶結(jié)構(gòu)圖,并提供材料,輔助學(xué)生自制萊頓瓶,深入探究電容器的結(jié)構(gòu).
圖3 萊頓瓶結(jié)構(gòu)示意圖
提供材料:鋁箔紙、保鮮膜、玻璃杯、鹽水、膠帶、導(dǎo)線、多用電表,講解多用電表測電容的方法.
自制電容器:如圖4所示.
圖4 自制電容器
① 分析萊頓瓶結(jié)構(gòu),畫出設(shè)計(jì)圖.
②制作步驟:A.玻璃杯中倒入適量鹽水;B.玻璃杯外壁包上一層鋁箔紙,用膠帶固定;C.保鮮膜覆蓋在玻璃杯口;D.將鐵釘插入保鮮膜中央,鐵釘尾部浸沒于鹽水,并用膠帶固定位置.
③用多用電表測試自制電容器的電容大小,驗(yàn)證制作是否成功.
制作要點(diǎn):
①鐵釘盡量插在保鮮膜中央位置;
② 鹽水作為介質(zhì),效果比純凈水好.
(2)歸納電容器的基本結(jié)構(gòu):平行板電容器.
提出問題:如何描述平行板電容器的結(jié)構(gòu)呢?
教師提示:引導(dǎo)學(xué)生觀察對比各種自制電容器結(jié)構(gòu)以及萊頓瓶的結(jié)構(gòu)圖,列出不同的電容器結(jié)構(gòu)上的相同點(diǎn).
歸納:① 兩金屬電極相互接近;② 電極間隔著一層絕緣介質(zhì).
整理:兩個(gè)相互接近的金屬間隔著絕緣介質(zhì),即存在電容.若兩電極板為平行的金屬板,即為平行板電容器.嘗試?yán)L制平行板電容器結(jié)構(gòu)的示意圖,如圖5所示.
圖5 平行板電容器結(jié)構(gòu)示意圖
建立概念:在兩個(gè)相距很近的平行金屬板中間夾一層絕緣物質(zhì)——電介質(zhì),就組成一個(gè)最簡單的電容器,即平行板電容器.
教師引導(dǎo):咱們結(jié)合同學(xué)自制的這個(gè)裝置,回憶本節(jié)課開始時(shí)老師提出的問題,如果兩電極之間不是導(dǎo)體,而是絕緣體,那么電極板上的電子還會移動到溶液中嗎?
歸納:若兩電極間夾一個(gè)絕緣介質(zhì),電極板上的電子不會移動到溶液中,由于外接直流電源,接正極一端失電子,帶正電荷,接負(fù)極一端得電子,帶負(fù)電荷.這個(gè)裝置雖無法發(fā)生化學(xué)反應(yīng),但它卻是物理學(xué)中的重要知識點(diǎn)——電容器.
(3)展示充放電電路的電路圖,搭建實(shí)物電路.
創(chuàng)設(shè)情境:PPT展示電容器充放電電路圖,如圖6所示.
圖6 電容器充放電示意圖
教師講解:充電時(shí),電容器與直流電源接通,與正極相連的金屬極板上的電荷向與電源負(fù)極相連的金屬極板運(yùn)動,使得與電源正極相連的金屬極板失去電荷帶正電,與電源負(fù)極相連的金屬極板得到電荷帶負(fù)電(電荷大小相等,符號相反).放電時(shí),充電完畢的電容器位于一個(gè)無電源的閉合通路中時(shí),帶負(fù)電的金屬極板上的電荷便會向帶正電的金屬極板運(yùn)動,使正負(fù)電荷中和.
布置任務(wù):根據(jù)電路圖,自行搭建電容器充放電電路.
提供材料:電容器充放電演示板、導(dǎo)線、學(xué)生電源.講解學(xué)生電源與電容器充放電演示板的使用方法.
搭建電路:如圖7所示.
圖7 搭建充放電電路
①利用導(dǎo)線,將電源與石英鐘接入電容器充放電演示板的電路.
②對電容器進(jìn)行充放電操作,觀察石英鐘的秒針是否走動,驗(yàn)證電路搭建是否正確.
建立概念:電容器類似于一個(gè)“蓄電庫”,電路中有電源時(shí)儲存“電”,電路中無電源時(shí)將儲存的“電”供給用電器使用.
教師提示:注意到實(shí)驗(yàn)中若充電電壓發(fā)生改變.指針走的格數(shù)也發(fā)生改變.
提出問題:影響電容大小的因素是什么?
猜想假設(shè):可能與電壓和電荷量有關(guān).
布置任務(wù):課后進(jìn)行預(yù)習(xí),查閱相關(guān)資料,為下一節(jié)課——探究電容的定義式做準(zhǔn)備.
(4)設(shè)計(jì)意圖.
技術(shù)素養(yǎng),即對技術(shù)工程設(shè)計(jì)與開發(fā)過程的理解.[3]應(yīng)用于該教學(xué)中,表示為如何選擇、搭建與操作實(shí)驗(yàn)儀器.工程素養(yǎng),即對技術(shù)工程設(shè)計(jì)與開發(fā)過程的理解.應(yīng)用于該教學(xué)中,指的是了解與自制實(shí)驗(yàn)器材.三者結(jié)合,表現(xiàn)在科學(xué)知識融入自制電容器以及后續(xù)一系列實(shí)驗(yàn) 探究,將理論知識與實(shí)際操作緊密結(jié)合,以科學(xué)為“基石”,使每一個(gè)操作都嚴(yán)密科學(xué)、有據(jù)可循.
STEM教育中4門學(xué)科的教學(xué)必須緊密相連,以整合的教學(xué)方式培養(yǎng)學(xué)生掌握知識和技能,并能進(jìn)行靈活遷移應(yīng)用于解決真實(shí)世界的問題.[4]類似于探究性學(xué)習(xí),STEM教育同樣傾向于建設(shè)以學(xué)生為主體的物理課堂,使學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中完成知識的自我建構(gòu),形成完整的知識網(wǎng)絡(luò).STEM教育中學(xué)生活動的自主性、探究性、互動性為學(xué)科教學(xué)方式的轉(zhuǎn)型提供借鑒,STEM教育是落實(shí)學(xué)科核心素養(yǎng)的一條有效途徑.[5]當(dāng)學(xué)生遇到實(shí)際問題情境時(shí),可以提出合理而創(chuàng)新的解決方法,切實(shí)體驗(yàn)各學(xué)科融合所迸發(fā)的創(chuàng)新火花.