基于“标准”与认知心理学的物理概念课程教学设计--以电容电容器教学为例_电容传感器论文

基于“标准”和认知心理框架下的物理概念课教学设计——从《电容器的电容》教学案例说起，本文主要内容关键词为：电容器论文,电容论文,认知论文,框架论文,课教学论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。

      基于标准和学生认知心理框架下的教学设计是指在课程标准的指导下，分析学生已有的认知基础，尊重学生的学习兴趣和认知发展点，以激发学习胜任力为目标，通过多样化的教学方式与手段，逐步推进学习目标达成的一个互动性学习过程。在此过程中，应依据学的情况不断调整教的行为，使之不断适应学的行为，它是以推进成功的感受阈为目标，不断促进学习者自主和有效建构的过程，它是合作背景下的协作性学习。

      依据课程标准和学生认知心理，确定适合的学习目标是教学设计的前提，在目标的导引下通过对学习资源的有效整合，形成适合学习对象有效建构的学习目标，每一个目标对应确定的学习内容，每一个内容对应适合的学习方式和学习资源，通过任务驱动的方式推进思维的深刻发展，以此增进体验性探究，真实洞悉认知对象的内涵。在促进认知建构的同时不断领悟承载的学科方法，促进学科能力的发展，并取得发展意向的提高，这就是基于标准和认知心理有效建构的教学设计。

      《电容器的电容》是高中物理基于器件讲述物理概念的课节，它也是基于探究形成物理概念的课节。如何形成可操作、可测量的学习目标，在学习目标的导引下对教材怎样进行“加减法”，如何实施有效探究，学习目标导引下的教学过程如何最优化，教学评价如何与学习目标呼应，基于该课节的教学实践阐述如下。

      一、电容在不同教学模块“课程标准”中存在的形式与价值分析

      电容器的电容在高中物理教材中先后在三个教学模块的五个教学单元中出现。分布如表1。

      

      从表1可以看出，电容器的电容在高中物理不同教学单元、在不同学习阶段，学习目标呈现如下的递进关系。

      （1）起始阶段是认识电容器，了解电容器充放电的特点，通过“电熔焊”认识电容器是储存能量的元器件。教学目标为“认识”这一层次要求。

      （2）认识和分析含容电路的结构特征，理解“等电势法”分析含容电路，知道电容器在稳恒直流电路中起隔断直流的效果。教学要求属于应用层次，足认知目标的深化。

      （3）通过实验探究了解交变电流能通过电容器，在“隔直流”的基础上深化“通交流，且随交流电频率的变化容抗减小”这一认识。它是深化认识电容器充放电的课节。

      （4）综合运用电容器决定式

分析实际电路，理解因电容变化导致非电学物理量改变，从而达到控制电路物理量分配的效果。是对第一层次目标深化理解的课节。

      （5）通过电磁振荡实验的探究，感知通过电容器的充放电和电感线圈中电流的变化实现电场能和磁场能的相互转化，进一步认识电荷与电场能对应，电磁波的频率是由电容和电感共同来决定，是对“通交流”学习目标深化性理解的课节。

      （6）发展性目标。主要是基于学生个性化需求，在研发开设的校本课程中通过电子线路的介绍和操作性实验，认识电容器可以实现旁路、耦合、滤波、振荡、相移以及波形变换等特性。这些校本课程的开设无疑深化了对电容器充放电特性的理解。

      从上述递进学习目标的要求看，学习方式上是从体验性实验探究到逻辑推理，层层递进，深化对电容器功能的认识。只有完成上述环节的学习，学生才能对电容器的电容有清晰而全面的理解。因此说有效教学的前提就是从系统的角度上解析“内容标准”，既要尊重学科自身的逻辑，又要分析学生的认知心理，诊断学生的已有认知。

      二、生本化学习目标的制定

      制定学习目标要从学段的视角审视该内容对应的“内容标准”在各教学模块的地位，分析它在各教学单元中的角色。分析“内容标准”形成课节学习目标，要从两个角度出发，一是有效解读教材，形成师本化理解的课程，从学段的角度对该认知的角色进行厘定，解构该课节中的结构，分析课节内在的逻辑关系，明晰编写的意图；二是要从学生的经验世界出发，从形成该认知需要的铺垫性知识和生活经验的视角分析，这样制定的学习目标才会真实地贴近学生，学习目标才会在课堂上真实地实践，这是形成生本化学习目标的前提。

      《普通高中物理课程标准（实验）》对“电场”中的《电容器的电容》作了如下阐述：“观察常见的电容器的构造，了解电容器的电容。举例说明电容器在技术中的应用。”从认知发展角度看这是学习电容器初始阶段内容标准的要求。对电容器元器件的认识需要经历如下发展阶段。

      初级阶段是认识电容器，了解电容器的结构，知道电容器是储存电荷的“容器”，为此“课程标准”的“活动建议”指出“使用闪光灯照相。查阅资料，了解电容器在照相机闪光灯中的作用”。通过行为操作来体验和感受电容器的作用，体验电容器是通过充电和放电达到电能储存和释放的元器件，它与我们的生活息息相关。初始阶段学习目标表述为：

      （1）通过对具体电容器实物的观察，认识各种类型电容器的用途和电容器的结构，知道电容器是由金属极板和中间绝缘的电介质组成。

      （2）通过实验探究了解电容器充放电的特征，深化理解电容器的功能。

      

      （4）通过实验探究了解影响平行板电容大小的因素，了解平行板电容器的电容公式。

      基于标准的教学是指把课程目标转化为具体的学习目标，学习目标与具体的教学内容相对应，目标的表述才能具体，具有可操作性和可检测与可评估性。

      三、学习目标关照下的教学过程最优化部分环节的设计

      教学过程最优化的第一个环节是探究电容器充放电的特征，有以下四种方式。

      第一种是以视频动画的形式呈现，这是模拟性的实验，动画设计得再好也是作秀的实验演示而不是体验性的探究。它只是为追求课堂认知点学习高效，以认知学习为唯一目标的教学，远离了“以物究理”的学科特征，是无效的教学。

      第二种是以演示实验为主导的机械性探究。通过演示电容器充放电实验，有效形成了表象，但它忽视了学生真实的体验性探究。学生的观察是基于教师操作而非学生真切感受到的体验，问题是外在加给的而非源于自我的追问。对充放电的机理有一定的认识，但这种认识是被动接受性质的“授导型”学习而非自主学习。

      第三种是基于体验为目标的探究性学习。让学生进入探究实验室，介绍电路结构后引导学生进行实验探究，明确观察对象是灵敏电流表的示数变化，并根据这一情况实施分析。这种设计的目的是想通过实验现象引发对现象有意识观察和对具体细节的追问，以此促进自主学习与合作探究真实的发生，凸显了学习的主体地位。在开放的环境下通过具体的实验操作来真切感受充放电这一现象，对现象的求解是自主学习的发端。当然对教材提供的实验电路进行必要的改造是实施真实实验的重要方式，直接指出电阻的目的是为了保护电路，防止充放电电流过大而损坏电源，如图1所示。

      

      在具体的教学中，我们往往用发光二极管来替代电流表，即在电流表处采取并联一红一蓝的发光二极管来显示正向充电和逆向放电时有无电流这一现象。

      第四种层次的教学是将传统的实验探究和教材“做一做”中的“用传感器观察电容器的放电过程”相结合，为提高课堂教学的效率，我们对邻近探究实验小组进行分工，一组用操作性的实验器材，另一组采取电流传感器通过计算机观察来呈现，如图2所示。

      

      这一做法的目的是用传统的电容器充放电实验进行体验性探究，而采取“用电流传感器观察电容器的放电过程”用于佐证和检验，引发学生对电容器充放电机理的思考，真切把握电容器充放电只是电源上积累的电荷向电容器两个极板的转移，不像其他电源那样电路处于导通状态，实现电中和，这是深化理解充放电的必经阶段。

      从实际教学后的访谈和教学成效的比对性分析看，以教师为主导学生为探究主体的探究性教学易于有效形成认知，教师授导为主的演示性实验尽管节约教学时间，有利于问题的定向研究，实验过程有序且能递进性地形成实验结论，但“提出问题”“猜想与假设”“制定计划与设计实验”和“进行实验与收集证据”都是教师包办，没有学生真实参与的教学只是教师实验的展示而非学习行为。尽管有“分析和论证”，但这种分析要么是教师基于实验直接讲述的，要么是在教师主导下对具体问题的师生问答，而不是基于学生眼中的物理现象对问题追根究源的任务驱动，是被动性的学习。

      教学过程最优化的第二个环节处理表现在对“研究影响平行板电容器电容大小的因素”探究性教学的设计上。通过实验探究来研究影响平行板电容器电容大小的因素，是形成电容器电容决定式

的最佳方式，是本课节的教学重点。要注重探究教学的如下环节设计。

      （1）“提出问题”。通过与容器容积的类比提出影响平行板电容器电容大小的决定性因素，这是基于学生的生活经验，在尊重学科知识特性的前提下实施的类比性教学，这有助于猜想的目标集中。实验探究并不是在无序的状态下、散乱状态下的猜想。

      （2）“猜想与假设”。能从类比的角度猜想出影响电容大小的因素有平行板正对面积和板间距，但对于极板之间介质的种类，由于容器容积大小的决定因素中没有这一对应量，学生在猜想时必定会缺失。教学的有效性是体现在通过什么样的方式让学生能形成“与介质种类有关”这一猜想。从教后反思看，对电容器极板间绝缘介质的作用、极板间的电场引发介质的极化从而形成电容器储存电荷这一事实必须给予必要的解释，才能形成“绝缘介质的种类决定了电容器耐压值的高度”，而耐压值的高低是由电容器储存的电量而形成的，由此形成“电容还与极板之间介质的种类有关”这一事实的认识，最终形成有效的猜想和假设。

      （3）“制定计划与设计实验”、“进行实验与搜集数据”和“分析与评估”。该实验是在明晰的探究目的下，基于多变量必须实施控制变量法下的有序探究，为此实验方法和实验器材的介绍、实验变量及其控制方法，明确有序的因变量和谁为主导的自变量就成为实施有效探究的关键。具体教学中要强化如下环节的教学。

      ①静电计的结构和测量原理。

      ②实验条件的控制。探究的对象是已充电的平行板电容器，在不漏电的前提下保证两极板的电量不变这一前提。同时要指出实验要尽快实施，减小因空气漏电带来的偏差。

      ③有序探究。列表法突出实验控制的变量和研究的问题，突出物理现象与逻辑论证的关系，这是有效形成实验结论的关键，为此基于下列表格的探究是实践有效教学的重要设计：

      

      

      除此之外，基于标准和认知心理有效建构的教学前预设还应体现在对学习评价的设计上。从“学以致用”的角度审视该课节的学习目标，我们就应当定位在“学生能否从具体的生活场景中识别、辨认和初步说出这种电容器的用途”、“电容的定义式和决定式的理解”“电容器充放电的理解”这三个学习目标上。这样目标先于设计，目标导引下对学习资源的优化与整合，通过有效的任务驱动推进学习进程的发展，以多样化的学习方式为手段，评价镶嵌于教与学的各个环节，教学才富有真实的效度，探究才能真正成为自主学习的实践方式。

      综上，基于标准和认知心理教学设计的前提是真实理解课程标准的内涵，有效分析学生的已有认知和生活概念，在尊重学科逻辑的前提下确立适合学习对象的学习目标。要用目标关照教学过程所有环节的设计，切实实现教为学服务、资源与手段适切学生认知发展的设计目的，这才是真实有效的教学设计。

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