從HPS中尋找電容器及電容概念困惑的答案

金杰克 邢紅軍

(首都師范大學教師教育學院 北京 100048)

HPS(history and philosophy of science)是科學史和科學哲學的簡稱.在20世紀60年代科學史與科學哲學開始交融在一起,進而形成了HPS這一領域.彼時西方科學哲學的兩大主題便是科學本質與科學方法[1],而這恰好契合了現代物理教育的核心內容.2022年義務教育物理課程標準[2]的課程理念中提到“從生活走向物理,從物理走向社會”——強調以具體事實、鮮活案例、生活經驗和基本概念等引導學生進行理性思考.在物理教學中引入HPS不僅是一個很好的切入點,還有助于學生把握知識的來龍去脈、領悟思想方法、理解物理本質和促進深度學習[3].

現階段的高中物理教材中對于電容器的介紹和講解未能準確地建立電容器的本質認識,還缺乏對于電容器本身技術應用的拓展.簡略的描述使得學生對于電容器這一重要電學原件的概念往往是“云里霧里”,不僅無法建立清晰準確的物理概念,而且無法深刻地理解電容器對于電學和科學技術發展的重要性.同時,電容器概念的模糊也會使得電容概念失去前概念以及現實依托,成為“空中樓閣”般的概念存在.

因此,本文立足于“體現物理學科本質”和“注重課程的時代性”的教學理念,基于HPS視角,闡述電容器及電容概念教學背后的教學邏輯,揭示電容器及電容概念的物理本質,旨在培養學生物理觀念、科學探究等物理核心素養,以期對如今中小學中有關電容器及電容概念教學設計有所裨益.

1 現行教材教學邏輯分析

通過分析現行教材有關電容器及電容的相關內容可以發現:

(1)電容器概念

人教版教材直接給出了常見電容器的內部構造,并將其定義為電容器.將這一特定的結構作為電容器的定義容易為學生理解其他結構的電容器產生障礙,使得學生產生類似于“為什么這樣構造的才能叫電容器”等概念性困惑.同時這樣的定義也是不符合其物理本質的,電容器這一概念的出現就是18世紀的科學家為了創造“能夠儲存電的容器”而產生的[4].

(2)充放電試驗

雖然通過電容器充放電實驗能夠讓學生直觀地了解到電容器“能夠充電、放電”這一特性,但是理解實驗所需的電路知識是電容器的后續內容.誠然學生在初中初步學習過電路的相關知識,但是由于時間間隔長,如果前概念不清晰準確,將不利于新概念的學習與建構[5],同時這一實驗很難為學生提供直觀的感性認識作為理解電容器“能夠儲存電”的這一特性的基礎.

(3)電容概念

教材的普遍教學邏輯是基于兩個實驗事實——“一個電容器所帶的電荷量Q與兩極板之間的電勢差U之比是不變的”與“不同的電容器,這個比值一般是不同的”,推導得到了這一比值代表了電容器儲存電荷的特性,并將其命名為電容.而這樣的推論是有邏輯缺陷的,它無法回答“為什么這個比值就代表了電容器儲存電荷的特性”.

2 HPS視角下的教學邏輯設計完善思路

國外現階段有較大影響力的HPS的教學模式主要有兩種[6]:孟克和奧斯本(M.Monk &J.Osborne)的融入教學模式、馬修斯(Matthews)的對話教學模式.這兩種教學模式各有各的優勢,但相較國內傳統教學模式差異較大,生搬硬套不僅不利于發揮原教學模式的優勢,還容易適得其反,反而丟失我國教育對于物理概念和規律傳授的優勢.基于HPS的理論思想,通過分析人教版教材中電容器的內容,探究總結了以下5個方面來完善其教學邏輯:

“發明本心”是陸九淵心學的另一個核心觀念。關于什么是“發明本心”沒有眾說紛紜的不同說法，它的含義很明確?！鞍l明”不是“發明創造”的“發明”，“發明”是發現彰明的意思?！鞍l明本心”就是去發現本心彰顯本心。

(1)引入物理學史的相關內容,補足電容器本身誕生來源的解釋與引入,建立電容器誕生的社會背景,進而闡釋電容器的物理本質.

(2)調整驗證電容器“儲電功能”的實驗為直觀的電火花放電現象.

(3)闡釋電容器儲電特性本質的物理知識,建立電容器的科學合理性.

(4)闡釋物理量誕生的社會背景和當時的物理學界的學術共識,融入物理思想,建立電容概念的術語合理性.

(5)引入電容的社會應用,建立電容器在科學上、在社會中的重要性.

本文將電容器及電容的概念教學設計分為4個階段:(1)器具誕生的目的;(2)器具所具有的普適結構;(3)器具特性的量度;(4)器具的現實應用.從物理學史角度來看,這4個部分分別代表了物理器具的4個發展階段:概念構想、現實創造、器具規范化、現實應用.從物理學的角度來看,這4個部分分別代表了電容器的社會背景、物理內核、科學方法和外延拓展——完整地踐行了“從生活走向物理,從物理走向社會”的課程理念,示意圖如圖1所示.

圖1 教學階段及內容示意圖

3 電容器及電容的教學設計

3.1 社會背景——電容器誕生的目的

“這個器具最初被創造出來是拿來干嘛的?”這是需要首先回答的問題.許國梁先生對物理概念和規律的教學要求中提到了一個關鍵問題:“為什么要引入某個物理概念和研究某個物理規律?”[7]要想讓概念不停留于書本而融入生活,就要明了概念為何而生.在這一階段,通過對電容器物理學史的梳理,既能很好地回答電容器的誕生動機,又有助于厘清電容器背后的物理本質.

1660年,人類史上第一臺摩擦起電機誕生了,由此,科學家們開始探索長久儲存電的方法與容器.1745年,荷蘭萊頓城的彼得·范·穆申布魯克(Musschenbroek)等人發明電容器的最早雛形——萊頓瓶(Leyden Jar)[8].而后在1748年,富蘭克林(Franklin)詳細研究了萊頓瓶,進一步發明了扁平電容器(類似于現代的平行板電容器).在物理學界,電容器(condensers)這一術語由伏特(Volta)在1782年首次提出,用來描述一個設備儲存比一個孤立導體更高電荷密度的電荷的能力[9].后續由于易和蒸汽冷凝器(steam condenser)混淆而被棄用.而后于1926年,英國推薦將電容器(capacitor)作為相應的術語[10].

由這段有關電容器的物理學史可以看出,電容器這一術語在誕生之初指代的是設備能夠儲存高密度電荷的特性,而非教材所指的電容器構造.沿用至今,電容器所代表的物理本質也未曾改變——儲存比一個孤立導體更高電荷密度的電荷的能力.

“如何評判電容器到底有沒有儲存高密度電荷?”是電容器緊接著需要回答的問題.相較于電容器在電路中的充放電實驗,電容器放電時的電火花現象能夠更好地回答以上問題.電容器放電產生電火花是非常直觀的物理現象,教師可以在安全的前提下,通過短接電容器放電進而產生電火花,由此證明電容器中確實存在著大量的電.

3.2 物理內核——器具所具有的普適結構

“為什么這樣的容器能夠儲存電荷?”在教師闡釋清楚器具的誕生動機之后,學生的探索動機便轉變成更深層次的“為什么”.電容器的結構是由兩個電極及其間的介電材料構成的.介電材料是一種電介質,當被置于兩塊帶有等量異性電荷的平行極板間的電場中時,由于極化而在介質表面產生極化電荷,遂使束縛在極板上的電荷相應增加,維持極板間的電位差不變.其實在中等教育階段也可以解釋清楚電容器背后的物理原理,但由于教材往往缺乏這部分內容的梳理,因此也導致部分一線教師對此無從下手.

學生在學習電容器之前往往已經學習了導體、絕緣體、電荷、電中和、電場和電勢等概念.基于以上前概念,教師可以從孤立導體入手(圖2)——如果在孤立導體上施加電場,導體兩端會極化并聚集大量的等量異性電荷.如果此時去掉電場,那么導體內部會立刻發生電中和過程.但是,如果我們此時拿掉孤立導體的中間部分,將原孤立導體分割成兩塊導體板(極板),那么一個最簡單理想的電容器就誕生了.

圖2 電容器教學流程示意圖

那么電容器之所以能夠維持大量的等量異性電荷的原理其實就是兩塊極板之間的空氣(絕緣體)阻礙了兩塊極板的電中和過程.如果此時將中間導體放回去,那么兩塊極板就會迅速發生電中和,也就無法儲存大量異性電荷了,這也同時揭示了為什么電容器的兩個極板之間的電介質往往要選用絕緣體.此時還可以進一步追問,無論電容器儲存多少異種電荷,絕緣體都可以阻礙兩極板間的電中和過程嗎?并由此引出擊穿電壓的概念.基于以上電容器背后的物理原理的闡釋,學生可以清晰地認識到電容器內容各個部分的結構分別承擔了什么樣的角色:極板——儲存異種電荷;電介質——阻礙電中和過程;擊穿電壓——在一定的電勢差下,電介質會被“擊穿”,再也無法阻礙電中和過程,進而無法儲電.

3.3 科學方法——器具特性尺度的量度

“這個電容器儲存電荷的能力有多強呢?”正如量杯有容積、砝碼有配重、篩子有孔徑,科學家也需要一個量度來衡量電容器“儲存高密度電荷”的能力,而這也直接引向了電容這一物理量的誕生——作為衡量器具(電容器)某一目標特性尺度(儲存電荷的能力)的量度(電容).從物理學史的角度來看,電容這一概念經歷了從物理概念到物理量的轉變,在物理量階段又經歷了新單位到衍生單位兩個階段.

電容的最初發現是卡文迪什在電容器實驗中的發現:對同一萊頓電瓶,“帶電度”(指的是靜電計的張角示數)與電量(摩擦起電機的摩擦轉數)成正比;電量相同時,“帶電度”與萊頓瓶的尺寸成反比.基于以上發現,卡文迪什用“電英寸”(inches if electricity)代表萊頓瓶儲存高密度的電學特性,并制作了初步的度量器具.此時電英寸這一概念只是一個以標準球形萊頓瓶為基準的參照量度,并沒有建立與以往物理概念間的聯系.

從科學哲學角度,亞里士多德曾對質和量有過如下闡釋:“性質:實體得以成為某個實體,取決于實體的性質;數量:同類實體累積的多少問題,即表現為實體的數量.”[12]在電容器中,器具能夠儲存高密度電荷是其具備的性質,也因此得以被稱為電容器.電容這一物理量從屬的物理規律是:在電容器不變的條件下,電容器所儲存的電荷量Q與兩極板間的電勢差U是成正比的.物理規律的構成往往是“規律的限定條件+規律的數學形式”,前者表達其適用范圍,后者表達其數學特征,其中規律的限定條件表明了這一規律和適用范圍之間的從屬關系,也暗示了由這一規律引出的物理量與其限定條件間的關系.這一規律的限定條件是“電容器不變”,表明了這一規律是受到電容器這一器具的支配,而這往往也可以詮釋為由電容作為兩者的比值是電容器物體本身的一種屬性特征.

3.4 外延拓展——器具的現實應用

2022年義務教育物理課程標準中明確提出了要培養學生的科學態度與責任,其中包含“初步認識科學本質,體會物理學對人類認識深化及社會發展的推動作用”.在這一階段,通過展示描繪電容器對于科學領域和社會生活中的重要作用,能夠幫助學生認識電容器對于科學與社會發展的重要性.

在與教材相關的閉合電路中,電容器具有隔斷直流、連通交流、阻止低頻的特性,可以廣泛應用在多種場合[13].在中等教育階段,學生容易理解是儲能功能——在如圖3的閉合回路中并聯電容,可以實現小燈炮的緩慢熄滅和緩慢亮起.

圖3 電路示意圖

此外,電容器在日常生活中的方方面面都扮演著重要的角色,例如照相機中的閃光燈等.還有研究前沿的超級電容器,它比同體積的電解電容器容量大2 000～6 000倍,功率密度比電池高10～100倍.它能夠用做內燃機中啟動電力、太陽能電池輔助電源,甚至還應用于航空航天等領域[14].

4 教學啟示

本文基于HPS視角,在教學設計中闡述了電容器及電容概念教學背后的教學邏輯,揭示了電容器及電容概念的物理本質,相對完善地從社會和物理兩個層面構建了電容器及電容概念的4個環節.在這一教學設計中,HPS作為一種有別于傳統物理教育模式的教學視角,其中有很多值得現代教育借鑒的理念與思想.在物理教育中融合社會和物理兩者的視角,從科學史實和社會背景出發,挖掘物理概念誕生的社會動機,而后以物理本質和科學方法為要點組織物理概念教學,最后拓展至社會應用的教學設計模式對于物理其他概念教學應當是有些許參考借鑒意義.