以实验为支点培养学生的核心素养
崔海月
摘 要：物理实验具有真实、直观、生动、形象的特点，在物理教学中，常以实验为支点，培育学生的核心素养，本文以“电容器”教学实践为例，通过简单的自制教具、常用的实验室器材进行实验，在学习电容器的构造、功能和工作原理的过程中，培养学生动手操作能力、实验观察能力和科学探究能力。
关键词：物理实验；教具；科学探究；核心素养
引言
在《普通高中物理课程标准》（2017年版）中，明确了“电容器”在高中物理学习过程中的重要性[ 1 ]，内容要求有：观察常见的电容器；了解电容器的电容；观察电容器的充、放电现象；能举例说明电容器的应用。在完成内容要求的基础上，为进一步有效培育学生的核心素养，本文主要从以下几个方面进行思考：（1）如何通过生活化的实验教具，激发学生兴趣，促进科学探究；（2）如何利用整合化的实验器材，引发学生求知欲望，培养学生实验观察能力；（3）如何通过分组实验，强化学生动手实践，培养学生科学思维。本文通过课堂实录，展开思考。
1 通过生活化的实验教具，激发学生兴趣，促进科学探究
兴趣是学生学习物理最好的老师，是学生寻求知识的动力、获取能力的源泉，学生对某件事物具有浓厚的兴趣时[ 2 ]，才会表现出强烈的求知欲望，在兴趣的引导下，学生摆脱“要我学”的被动状态，变为“我要学”的主动出击。笔者通过设计巧妙的演示实验引入新课内容。
【教学片段一】电容器导入部分
师：出示如图1所示的教具（图1为自制的电容器：选择一个空的矿泉水瓶，瓶内装有高浓度的盐水，在瓶盖中心插入一根长金属棒，瓶外包装纸内包有等大的锡箔纸，用导线与锡箔纸相连，课前先对自制电容器充电）
师：大家看，老师这里的矿泉水瓶装有电，大家相信吗？
生：不信。
演示实验：与锡箔纸连接的导线和插在盐水中的金属棒接触，接触处放出火花。
学生：发出哇…的感叹声。
师：刚才有什么现象发生？
生：放电现象。
师：为什么啊？它与我们平时的矿泉水瓶有什么不同吗？我们把它拆开看一看。（请一名同学拆开矿泉水瓶外的包装纸）
师：包裹在水瓶外面的是什么？
生：锡箔纸。
师：水瓶里面装的是盐水，锡箔纸和盐水都是良好的导体，两个导体中间被一层绝缘介质隔开，像这样具有储存电荷功能的装置就叫做电容器。
师：电容器有怎样的构造呢？
生：拆开矿泉水瓶外面的包装纸，并向大家展示其内部构造。（为了给学生留有悬念，把锡箔纸藏在包装纸内，让学生无法直接观察到锡箔纸，如图2所示）
学生看到藏在里面的锡箔纸恍然大悟，原来这里暗藏玄机，学生牢牢记住电容器的结构，这样引入新课，不仅活跃了课堂氛围，还激发了学生学习新课的兴趣。物理教学中我们可以利用生活中常见物品自制实验教具，通过演示实验导入新课，有趣的实验现象往往会给学生留下深刻的印象，激发学生的好奇心，促进学生进一步探究的欲望。
2 利用整合化的实验器材，引发学生求知欲望，培养学生实验观察能力
电容器的充电和放电过程是本节课的重点也是难点，其过程比较抽象，学生理解起来有一定难度，因此笔者把实验室常用器材整合在一起，制作了如图3甲所示的实验教具，以便达到教学目的。
【教学片段二】体验电容器的充放电过程
实验设计1
原理：如图3乙，把单刀双掷开关拨向1，灯泡发光然后逐渐变暗，表明电容器充电，并且充电电流逐渐减小；把单刀双掷开关拨向2，灯泡发光并逐渐变暗，表明电容器放电，并且放电电流逐渐减小。
学生动手操作并认真观察实验现象。
生：灯泡开始发光，后来又熄灭，是为什么呢？
师：灯泡刚开始发光，说明什么？
生：电路中有电流流过。
师：电荷的定向移动形成电流，在这个过程中电容器储存电荷，与电源正极相连的极板聚集正电荷，与电源负极相连的极板聚集负电荷，两极板间存在电势差并形成逐渐增大的电场。
师：灯泡后来又熄灭，说明了什么？
生：电路中没有电流。
师：那电流为什么逐渐减小直至为零呢？
生：難道是电容器充满电了，电路中就没有电流了。
师：对，此时电容器充电结束，电路中电流为零，电容器两端的电压和电源电压有什么关系呢？我们用电压表测量一下。
生：电源电压等于电容器两端电压。
师：充电过程电源的电能转化为电场能储存在电容器中。
学生根据充电过程积累的知识猜想并解释放电过程可能出现的现象，然后动手操作，验证猜想。
师：看来一个小小的电容器作用可不小，可以用来储存电荷和电能，那电容器储存电荷的多少与什么有关呢？
为了满足学生的求知欲望，设计如图4甲所示实验。
【教学片段三】探究影响电容器储存电荷量多少的因素
实验设计2
原理：如图4乙，左右两侧是两个完全相同的电路，利用双刀双掷开关同时控制电容器的充电和放电，开关向下闭合电源给电容器充电，开关向上闭合电容器与灯泡构成闭合回路，电容器放电，灯泡中有电流通过，利用灯泡发光时间的长短来反映电容器储存电荷量的多少。
实验中很容易观察到右侧灯泡发光时间较长。
生：相同的电容器，所加电势差越大，储存的电荷量越多。
师：那它们之间会有怎样的定量关系呢？（实验装置如图5甲所示）
【教学片段四】电容器的电容
实验设计3
原理：如图5乙，CA、CB为两个完全相同并且不带电的电容器，开关S1向下闭合，电源给电容器CA充电；开关S1向上闭合，CA与电源断开与CB构成回路，CA、CB电量平分；开关S1断开，S2闭合，再断开S2，向上闭合S1，CA、CB电荷量再次平分，数字电压表测量CA或CB两端的电压，并记录在表1中，根据表1中数据可做定量分析。
学生动手操作，记录实验数据，通过对实验数据的分析，得出定量关系。
生：电容器两端电势差和内部储存的电荷量成正比。
师：我们把电荷量与电容器电势差的比值用常数C来表示，它在数值上等于电容器所加单位电压时储存的电荷量，很显然它反应的是电容器容纳电荷本领的物理量。
以上实验简单易懂，实验现象明显，可操作性强。实验设计1、2把不易观察的电容器充放电过程通过小灯泡的发光情况体现出来，学生易于理解和接受，通过教师有意识的启发，对学生的思维进行训练，根据已有知识对问题有理有据的预测，提高学生的科学推理能力，最后通过实验验证所猜所想，提高学生动手操作能力、实验观察能力；实验设计3的定量分析，避免了我们在教学过程中“重结论，轻过程”的做法。这些简单可行的随堂实验，也使得学生对物理规律的探索由“浅”入“深”，由“感性”到“理性”，以实验为支点，可以很好地培养学生的综合素养[ 3 ]。
3 通过分组实验，强化学生动手实践能力，培养学生科学思维
教育专家曾指出：“离开了学生主体性发展：教育则失去了依托和活力”，学生是学习的主体，有效的课堂教学是让学生主动参与，开发蕴藏在学生身上的巨大潜力，因此在教学过程中应创造更多让学生亲身参与实践的机会[ 4 ]。
【教学片段五】探究影响平行板电容器电容的因素
环节1：提出猜想
合理的猜想是探究性实验的前提，学生根据平行板电容器结构进行猜想，为了避免漫无目的的瞎猜，教师的引导尤为重要。
师：平行板电容器由两块平行放置且彼此绝缘的金属板构成，如图6，移动平行板的底座，可以使两板靠近或者远离，也可以使两板错开，在这个过程中平行板电容器的哪些量发生了改变？
生：两板间的距离，面积。
师：能说的具体一些吗，是哪里的面积，是平行板的面积发生了变化吗？
生：当然不是，是两平行板的正对面积。
师：大家猜一猜，影响平行板电容器电容的因素有哪些呢？
生：两板间的距离，两板的正对面积，两板间的绝缘物质，还可能与两板的材料有关。
师：这么多的影响因素，我们采用什么方法进行探究？
生：控制变量法。
环节2：实验成功要素—实验前的若干思考
师：电容的大小我们可以通过什么反应出来呢？
生：我们知道C=Q/U，当电量一定时，电势差的变化可以反映出电容的变化情况。
师：很好，如何反应出电势差的大小，又如何让电容器带电呢？
生：电势差的大小可以通过静电计指针的偏角来表示，通过起电机与电容器两极板接触使之带电，还可以通过摩擦橡胶棒与电容器极板接触使之带电。
一步一步地设问促进学生思考，讨论交流让课堂充满活力，增进学生之间的交流，大家集思广益拓展知识的宽度。
环节3：学生分组实验探究
学生展开分组实验，完成表2内容，交流讨论得出结论。
环节4：讨论实验成功的秘诀
由于南方天气潮湿，空气漏电导致电荷损失，静电计指针偏转不稳定，因此在做實验前提前打开空调对实验室进行除湿，并用电吹风对静电计和平行板电容器吹热风烘烤，为防止漏电导致后面实验现象不明显，每次实验前都要用起电机重新给电容器进行充电等[ 5 ]，这些细微之处不仅透露着物理实验的严谨，也恰当好处地培养了学生的科学思维。把教师演示实验改为学生分组实验，不仅给学生提供了一个动手操作的平台，也增加了学生学习物理的兴趣，促进了学生与学生、教师与学生之间交流，学生在动手实验的过程中对知识的理解更加深入。
本节课利用电容器的特点，设计实验教具，以实验教学为支点，培养学生的物理观念、科学思维、实验探究和科学态度与责任等物理核心素养。
参考文献：
[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准[S].北京：人民教育出版社，2018.
[2]彭学兵.影响高中生学习物理兴趣因素的探索[J].中学物理，2017（6）.
[3]吴敏.在教学实践中寻找培养学科核心素养的支点-以"电容器的电容"为例[J].物理教师，2018（3）.
[4] 李红伟.以实验为基础 提高课堂教学的有效性[J].中学物理，2016（11）.
[5] 李颖.优化实验教学资源 发展学生科学思维-以"了解电容器为例"[J].中学物理，2017（11）.
摘 要：物理实验具有真实、直观、生动、形象的特点，在物理教学中，常以实验为支点，培育学生的核心素养，本文以“电容器”教学实践为例，通过简单的自制教具、常用的实验室器材进行实验，在学习电容器的构造、功能和工作原理的过程中，培养学生动手操作能力、实验观察能力和科学探究能力。
关键词：物理实验；教具；科学探究；核心素养
引言
在《普通高中物理课程标准》（2017年版）中，明确了“电容器”在高中物理学习过程中的重要性[ 1 ]，内容要求有：观察常见的电容器；了解电容器的电容；观察电容器的充、放电现象；能举例说明电容器的应用。在完成内容要求的基础上，为进一步有效培育学生的核心素养，本文主要从以下几个方面进行思考：（1）如何通过生活化的实验教具，激发学生兴趣，促进科学探究；（2）如何利用整合化的实验器材，引发学生求知欲望，培养学生实验观察能力；（3）如何通过分组实验，强化学生动手实践，培养学生科学思维。本文通过课堂实录，展开思考。
1 通过生活化的实验教具，激发学生兴趣，促进科学探究
兴趣是学生学习物理最好的老师，是学生寻求知识的动力、获取能力的源泉，学生对某件事物具有浓厚的兴趣时[ 2 ]，才会表现出强烈的求知欲望，在兴趣的引导下，学生摆脱“要我学”的被动状态，变为“我要学”的主动出击。笔者通过设计巧妙的演示实验引入新课内容。
【教学片段一】电容器导入部分
师：出示如图1所示的教具（图1为自制的电容器：选择一个空的矿泉水瓶，瓶内装有高浓度的盐水，在瓶盖中心插入一根长金属棒，瓶外包装纸内包有等大的锡箔纸，用导线与锡箔纸相连，课前先对自制电容器充电）
师：大家看，老师这里的矿泉水瓶装有电，大家相信吗？
生：不信。
演示实验：与锡箔纸连接的导线和插在盐水中的金属棒接触，接触处放出火花。
学生：发出哇…的感叹声。
师：刚才有什么现象发生？
生：放电现象。
师：为什么啊？它与我们平时的矿泉水瓶有什么不同吗？我们把它拆开看一看。（请一名同学拆开矿泉水瓶外的包装纸）
师：包裹在水瓶外面的是什么？
生：锡箔纸。
师：水瓶里面装的是盐水，锡箔纸和盐水都是良好的导体，两个导体中间被一层绝缘介质隔开，像这样具有储存电荷功能的装置就叫做电容器。
师：电容器有怎样的构造呢？
生：拆开矿泉水瓶外面的包装纸，并向大家展示其内部构造。（为了给学生留有悬念，把锡箔纸藏在包装纸内，让学生无法直接观察到锡箔纸，如图2所示）
学生看到藏在里面的锡箔纸恍然大悟，原来这里暗藏玄机，学生牢牢记住电容器的结构，这样引入新课，不仅活跃了课堂氛围，还激发了学生学习新课的兴趣。物理教学中我们可以利用生活中常见物品自制实验教具，通过演示实验导入新课，有趣的实验现象往往会给学生留下深刻的印象，激发学生的好奇心，促进学生进一步探究的欲望。
2 利用整合化的实验器材，引发学生求知欲望，培养学生实验观察能力
电容器的充电和放电过程是本节课的重点也是难点，其过程比较抽象，学生理解起来有一定难度，因此笔者把实验室常用器材整合在一起，制作了如图3甲所示的实验教具，以便达到教学目的。
【教学片段二】体验电容器的充放电过程
实验设计1
原理：如图3乙，把单刀双掷开关拨向1，灯泡发光然后逐渐变暗，表明电容器充电，并且充电电流逐渐减小；把单刀双掷开关拨向2，灯泡发光并逐渐变暗，表明电容器放电，并且放电电流逐渐减小。
学生动手操作并认真观察实验现象。
生：灯泡开始发光，后来又熄灭，是为什么呢？
师：灯泡刚开始发光，说明什么？
生：电路中有电流流过。
师：电荷的定向移动形成电流，在这个过程中电容器储存电荷，与电源正极相连的极板聚集正电荷，与电源负极相连的极板聚集负电荷，两极板间存在电势差并形成逐渐增大的电场。
师：灯泡后来又熄灭，说明了什么？
生：电路中没有电流。
师：那电流为什么逐渐减小直至为零呢？
生：難道是电容器充满电了，电路中就没有电流了。
师：对，此时电容器充电结束，电路中电流为零，电容器两端的电压和电源电压有什么关系呢？我们用电压表测量一下。
生：电源电压等于电容器两端电压。
师：充电过程电源的电能转化为电场能储存在电容器中。
学生根据充电过程积累的知识猜想并解释放电过程可能出现的现象，然后动手操作，验证猜想。
师：看来一个小小的电容器作用可不小，可以用来储存电荷和电能，那电容器储存电荷的多少与什么有关呢？
为了满足学生的求知欲望，设计如图4甲所示实验。
【教学片段三】探究影响电容器储存电荷量多少的因素
实验设计2
原理：如图4乙，左右两侧是两个完全相同的电路，利用双刀双掷开关同时控制电容器的充电和放电，开关向下闭合电源给电容器充电，开关向上闭合电容器与灯泡构成闭合回路，电容器放电，灯泡中有电流通过，利用灯泡发光时间的长短来反映电容器储存电荷量的多少。
实验中很容易观察到右侧灯泡发光时间较长。
生：相同的电容器，所加电势差越大，储存的电荷量越多。
师：那它们之间会有怎样的定量关系呢？（实验装置如图5甲所示）
【教学片段四】电容器的电容
实验设计3
原理：如图5乙，CA、CB为两个完全相同并且不带电的电容器，开关S1向下闭合，电源给电容器CA充电；开关S1向上闭合，CA与电源断开与CB构成回路，CA、CB电量平分；开关S1断开，S2闭合，再断开S2，向上闭合S1，CA、CB电荷量再次平分，数字电压表测量CA或CB两端的电压，并记录在表1中，根据表1中数据可做定量分析。
学生动手操作，记录实验数据，通过对实验数据的分析，得出定量关系。
生：电容器两端电势差和内部储存的电荷量成正比。
师：我们把电荷量与电容器电势差的比值用常数C来表示，它在数值上等于电容器所加单位电压时储存的电荷量，很显然它反应的是电容器容纳电荷本领的物理量。
以上实验简单易懂，实验现象明显，可操作性强。实验设计1、2把不易观察的电容器充放电过程通过小灯泡的发光情况体现出来，学生易于理解和接受，通过教师有意识的启发，对学生的思维进行训练，根据已有知识对问题有理有据的预测，提高学生的科学推理能力，最后通过实验验证所猜所想，提高学生动手操作能力、实验观察能力；实验设计3的定量分析，避免了我们在教学过程中“重结论，轻过程”的做法。这些简单可行的随堂实验，也使得学生对物理规律的探索由“浅”入“深”，由“感性”到“理性”，以实验为支点，可以很好地培养学生的综合素养[ 3 ]。
3 通过分组实验，强化学生动手实践能力，培养学生科学思维
教育专家曾指出：“离开了学生主体性发展：教育则失去了依托和活力”，学生是学习的主体，有效的课堂教学是让学生主动参与，开发蕴藏在学生身上的巨大潜力，因此在教学过程中应创造更多让学生亲身参与实践的机会[ 4 ]。
【教学片段五】探究影响平行板电容器电容的因素
环节1：提出猜想
合理的猜想是探究性实验的前提，学生根据平行板电容器结构进行猜想，为了避免漫无目的的瞎猜，教师的引导尤为重要。
师：平行板电容器由两块平行放置且彼此绝缘的金属板构成，如图6，移动平行板的底座，可以使两板靠近或者远离，也可以使两板错开，在这个过程中平行板电容器的哪些量发生了改变？
生：两板间的距离，面积。
师：能说的具体一些吗，是哪里的面积，是平行板的面积发生了变化吗？
生：当然不是，是两平行板的正对面积。
师：大家猜一猜，影响平行板电容器电容的因素有哪些呢？
生：两板间的距离，两板的正对面积，两板间的绝缘物质，还可能与两板的材料有关。
师：这么多的影响因素，我们采用什么方法进行探究？
生：控制变量法。
环节2：实验成功要素—实验前的若干思考
师：电容的大小我们可以通过什么反应出来呢？
生：我们知道C=Q/U，当电量一定时，电势差的变化可以反映出电容的变化情况。
师：很好，如何反应出电势差的大小，又如何让电容器带电呢？
生：电势差的大小可以通过静电计指针的偏角来表示，通过起电机与电容器两极板接触使之带电，还可以通过摩擦橡胶棒与电容器极板接触使之带电。
一步一步地设问促进学生思考，讨论交流让课堂充满活力，增进学生之间的交流，大家集思广益拓展知识的宽度。
环节3：学生分组实验探究
学生展开分组实验，完成表2内容，交流讨论得出结论。
环节4：讨论实验成功的秘诀
由于南方天气潮湿，空气漏电导致电荷损失，静电计指针偏转不稳定，因此在做實验前提前打开空调对实验室进行除湿，并用电吹风对静电计和平行板电容器吹热风烘烤，为防止漏电导致后面实验现象不明显，每次实验前都要用起电机重新给电容器进行充电等[ 5 ]，这些细微之处不仅透露着物理实验的严谨，也恰当好处地培养了学生的科学思维。把教师演示实验改为学生分组实验，不仅给学生提供了一个动手操作的平台，也增加了学生学习物理的兴趣，促进了学生与学生、教师与学生之间交流，学生在动手实验的过程中对知识的理解更加深入。
本节课利用电容器的特点，设计实验教具，以实验教学为支点，培养学生的物理观念、科学思维、实验探究和科学态度与责任等物理核心素养。
参考文献：
[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准[S].北京：人民教育出版社，2018.
[2]彭学兵.影响高中生学习物理兴趣因素的探索[J].中学物理，2017（6）.
[3]吴敏.在教学实践中寻找培养学科核心素养的支点-以"电容器的电容"为例[J].物理教师，2018（3）.
[4] 李红伟.以实验为基础 提高课堂教学的有效性[J].中学物理，2016（11）.
[5] 李颖.优化实验教学资源 发展学生科学思维-以"了解电容器为例"[J].中学物理，2017（11）.
