創(chuàng)設(shè)情境 激發(fā)思維——兼談“溫度與溫標(biāo)”的教學(xué)設(shè)計(jì)

焦 輝

(江蘇省邳州市第二中學(xué),江蘇邳州 221300)

1 教學(xué)設(shè)計(jì)說(shuō)明

筆者本學(xué)期擔(dān)任兩個(gè)理科班的物理教學(xué)任務(wù).在進(jìn)行人教版的選修3-3第7章“分子動(dòng)理論”第4節(jié)“溫度與溫標(biāo)”的教學(xué)時(shí),筆者經(jīng)過(guò)認(rèn)真?zhèn)湔n,先在其中一個(gè)班進(jìn)行了教學(xué).教學(xué)的大致思路是這樣的.

(1)引入.前面幾節(jié)課我們學(xué)習(xí)了分子動(dòng)理論,它是研究熱現(xiàn)象的微觀理論.為了更好地研究熱現(xiàn)象,探究更多的熱力學(xué)規(guī)律,我們還必須要引入描述熱現(xiàn)象的物理量.本節(jié)課將學(xué)習(xí)“溫度與溫標(biāo)”.

(2)新課教學(xué).接下來(lái)筆者基本上是按照書上的順序進(jìn)行教學(xué)的.首先引入系統(tǒng)、狀態(tài)參量、平衡態(tài)、熱平衡等一系列概念,然后進(jìn)行熱平衡定律的教學(xué),并在此基礎(chǔ)上引入溫度這個(gè)物理量,接著討論了溫度計(jì)測(cè)溫原理,最后進(jìn)行了溫標(biāo)與溫度計(jì)的教學(xué).

在教學(xué)實(shí)踐中,筆者明顯體會(huì)到按上述過(guò)程進(jìn)行教學(xué),課堂波瀾不驚、氣氛比較沉悶,更為令人失望的是在某些內(nèi)容上學(xué)生感到不可思議,難以理解.如在學(xué)習(xí)熱平衡定律時(shí),有許多學(xué)生居然在課堂上發(fā)出本課少有的笑聲,說(shuō)這也能算是一個(gè)定律?尤其在學(xué)習(xí)熱平衡定律之后,引入溫度這個(gè)物理量時(shí),由于學(xué)生對(duì)初中所學(xué)溫度的固有認(rèn)識(shí),大多數(shù)學(xué)生感到茫然.雖然努力采用類比、指導(dǎo)學(xué)生看書等教學(xué)方法,但收效甚微.筆者能感覺到大部分學(xué)生還是勉勉強(qiáng)強(qiáng)地接受.

課后筆者立刻進(jìn)行了認(rèn)真地反思.感到教學(xué)效果不佳的原因主要有以下幾個(gè)方面:一是本節(jié)教材十分簡(jiǎn)潔,以致難懂(其他教師均有這種感覺),需要教師更多的講解.二是學(xué)生原有知識(shí)的影響.三是教學(xué)方法欠妥當(dāng).針對(duì)課堂出現(xiàn)的問題,筆者一方面上網(wǎng)搜索與本節(jié)內(nèi)容有關(guān)的教學(xué)資源,尤其是熱平衡定律建立的歷史背景及建立的意義.另一方面及時(shí)調(diào)整教學(xué)方法.本節(jié)內(nèi)容與生活聯(lián)系密切、息息相關(guān),本應(yīng)該是一節(jié)能夠出彩的課.經(jīng)過(guò)思考,決定從學(xué)生熟知的生活現(xiàn)象入手.筆者精心地選擇了兩個(gè)問題作為新課教學(xué)的引入,以問題的形式創(chuàng)設(shè)情景,激發(fā)學(xué)生的思維,然后再去建立物理概念和規(guī)律.按照新的教學(xué)思路在另一個(gè)班級(jí)進(jìn)行教學(xué)時(shí),效果比較理想.

2 學(xué)情分析

學(xué)生在初中已經(jīng)學(xué)過(guò)溫度的概念,將溫度定義為“表示物體冷熱程度的物理量”,這是對(duì)溫度的一個(gè)通俗解釋.另外,學(xué)生也熟知用溫度計(jì)測(cè)量溫度的操作過(guò)程,但不明確這一操作過(guò)程的物理原理.基于對(duì)溫度的膚淺認(rèn)識(shí),因而對(duì)許多與溫度有關(guān)的物理現(xiàn)象認(rèn)識(shí)得也不夠深刻和精細(xì).

3 教學(xué)設(shè)計(jì)

在傳統(tǒng)的教學(xué)過(guò)程中,一般都是教師講,學(xué)生聽,教師按照預(yù)先設(shè)計(jì)好的教學(xué)思路和教學(xué)過(guò)程進(jìn)行教學(xué).即使中間穿插一些提問,也主要是對(duì)一些事實(shí)現(xiàn)象的再現(xiàn),沒有多大的思考余地.建構(gòu)主義以相反的思路來(lái)設(shè)計(jì)教和學(xué),主張“在問題解決中學(xué)習(xí)”.同時(shí)心理學(xué)的研究也表明,發(fā)現(xiàn)問題是思維的起點(diǎn),也是思維的源泉和動(dòng)力,沒有問題的思維是膚淺的思維.因此,在課堂教學(xué)中,教師應(yīng)注重激發(fā)學(xué)生思維的積極性,培養(yǎng)學(xué)生的問題意識(shí).問題意識(shí)是指學(xué)生在認(rèn)識(shí)活動(dòng)中意識(shí)到一些難以解決的、疑惑的實(shí)際問題或理論問題時(shí)產(chǎn)生的一種懷疑、困惑、焦慮、探究的心理狀態(tài).這種心理狀態(tài)驅(qū)使學(xué)生積極思維,不斷提出問題和解決問題.在課堂教學(xué)中,教師不僅要培養(yǎng)學(xué)生的問題意識(shí),還要善于挖掘素材,努力創(chuàng)設(shè)各種問題情境,鼓勵(lì)、引導(dǎo)學(xué)生多角度、多層面地深入探索問題,用疑問開啟學(xué)生思維的心扉,啟迪學(xué)生智慧,幫助他們不斷挑戰(zhàn)自我,享受到探索問題給自己所帶來(lái)的快樂.從而在探索問題的過(guò)程中,將知識(shí)的理解引向深入.

3.1 新課的引入

教學(xué)片斷1:(教師提出情境與問題,學(xué)生思考回答)

情境與問題1:冰與水混合物的溫度是多少?全體學(xué)生自豪地齊聲回答:0℃.根據(jù)學(xué)生的回答,接著筆者追問了如下兩個(gè)小問題:

(1)剛才的問題中提到了“溫度”,這是個(gè)很重要的物理量,你對(duì)它了解多少?

(2)你是怎么知道冰水混合物的溫度是0℃的?

對(duì)于第1個(gè)追問,一部分學(xué)生立刻回答:在初中就學(xué)到了,它是“表示物體冷熱程度的物理量”.教師提醒學(xué)生注意:這個(gè)定義帶有主觀性,是憑借人的感覺器官經(jīng)過(guò)比較得到的,有時(shí)會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)論.例如,冬天當(dāng)我們用手分別去摸放在一起的木頭和鐵塊時(shí),則會(huì)感到鐵塊比木頭冷.按照上面的說(shuō)法,就應(yīng)該是鐵塊的溫度比木頭的低.但事實(shí)上,它們的溫度是一樣的.因此,我們有必要給溫度下一個(gè)更加科學(xué)的定義.這是我們這節(jié)課的重要任務(wù)之一.

對(duì)于第(2)個(gè)追問,絕大多數(shù)學(xué)生被問得啞口無(wú)言.如果還有個(gè)別學(xué)生能夠回答出這是人為規(guī)定的,那么就再追問:為什么要做出這樣的規(guī)定呢?

情境與問題2:生活中,大家都遇到過(guò)這樣的情景,在我們感到身體不適時(shí),通常會(huì)用溫度計(jì)先量一量體溫.經(jīng)過(guò)一段時(shí)間(約5分鐘)后,取出溫度計(jì),我們看一看溫度計(jì)上的示數(shù)就可以知道自己的體溫了.對(duì)于這一生活常見的現(xiàn)象,筆者追問了2個(gè)小問題:

(1)為什么測(cè)量體溫時(shí),需要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才能取出溫度計(jì)?

(2)你明明看的是溫度計(jì),憑什么說(shuō)溫度計(jì)上的示數(shù)就是你的體溫值?

學(xué)生僅憑原有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)很難正確回答這兩個(gè)追問.此時(shí),教師適當(dāng)引導(dǎo)學(xué)生:要想深刻理解以上問題,找到答案,還必須耐心地學(xué)習(xí)幾個(gè)概念.

設(shè)計(jì)意圖:筆者選擇的這兩個(gè)情景與問題以及后面的追問是有針對(duì)性的.問題1中的兩個(gè)追問涉及到溫度概念的引入及溫標(biāo)的建立;問題2中的兩個(gè)追問涉及到熱平衡定律及測(cè)溫原理.經(jīng)歷以上的互動(dòng),這時(shí)新舊知識(shí)的沖突就建立起來(lái)了,這必定會(huì)激發(fā)學(xué)生的思維,從而努力去重組自己原有的認(rèn)知結(jié)構(gòu).

3.2 熱力學(xué)系統(tǒng)、熱力學(xué)平衡態(tài)、狀態(tài)參量等概念的教學(xué)

教學(xué)片斷2:

(1)課件展示:熱力學(xué)的定義(網(wǎng)上資源)

熱力學(xué)是研究熱現(xiàn)象的宏觀理論,是研究熱現(xiàn)象中物質(zhì)系統(tǒng)在平衡態(tài)時(shí)的性質(zhì)以及狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)與外界相互作用的學(xué)科.

(2)讓學(xué)生從定義中提煉出熱力學(xué)研究的對(duì)象——熱力學(xué)系統(tǒng)

舉例說(shuō)明如何根據(jù)研究對(duì)象確定熱力學(xué)系統(tǒng)與外界.

(3)創(chuàng)設(shè)情境,感受熱力學(xué)平衡態(tài)及其特點(diǎn)

創(chuàng)設(shè)情境:將兩個(gè)冷熱不同的物體A、B放在一起,并設(shè)它們組成的系統(tǒng)不受外界影響,經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后發(fā)現(xiàn)他們的冷熱達(dá)到了一致.此后,不管經(jīng)過(guò)多長(zhǎng)時(shí)間,它們的冷熱均不再變化.我們把這種在不受外界影響的條件下系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)不隨時(shí)間而改變的狀態(tài)叫做熱力學(xué)平衡態(tài),反之稱為非平衡態(tài).平衡態(tài)對(duì)于熱學(xué)的研究非常重要,但是,平衡態(tài)是一種理想情況,因?yàn)槿魏蜗到y(tǒng)完全不受外界影響是不可能的.

對(duì)比分析:熱力學(xué)平衡與通常所說(shuō)的力學(xué)平衡是有區(qū)別的.熱力學(xué)平衡是指系統(tǒng)中大量微觀粒子的平均宏觀效果不隨時(shí)間而改變,但從微觀上看,其中的每一個(gè)粒子卻仍然處在一種無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)中.因此,熱力學(xué)平衡是一種動(dòng)態(tài)平衡.而力學(xué)平衡則是指物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)處于靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng).

(4)指導(dǎo)學(xué)生通過(guò)已有知識(shí)的遷移,引入狀態(tài)參量來(lái)描述熱力學(xué)系統(tǒng)的平衡態(tài)

處于力學(xué)平衡的物體,我們使用了坐標(biāo)和速度這兩個(gè)物理量來(lái)定量地描述物體位置及其變化的特點(diǎn).同樣,處于熱力學(xué)平衡的系統(tǒng),也需要用到一些物理量來(lái)定量描述,這些物理量就叫做熱力學(xué)系統(tǒng)的狀態(tài)參量.狀態(tài)參量是一些用來(lái)表示系統(tǒng)固有特性的變量.依據(jù)系統(tǒng)特性的不同,狀態(tài)參量可以分為5大類別.第1類是幾何參量,如體積等;第2類是力學(xué)參量,如壓強(qiáng)等;第3類是熱學(xué)參量,如溫度等;第4類是化學(xué)參量,如濃度等;第5類是電磁參量,如電場(chǎng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)強(qiáng)度等.在具體的描述中,究竟要用幾個(gè)參量以及哪幾種參量,主要以恰能完全地確定系統(tǒng)的狀態(tài)而定.

設(shè)計(jì)意圖:將所學(xué)的知識(shí)適當(dāng)?shù)刂糜趶V闊的背景之下,對(duì)學(xué)習(xí)的內(nèi)容進(jìn)行適度的開放,有助于學(xué)生掌握探索學(xué)科知識(shí)的規(guī)律和遷移應(yīng)用,有助于對(duì)學(xué)科知識(shí)本體理解的深化和提升.

3.3 熱平衡定律與溫度的教學(xué)

教學(xué)片斷3:

(1)引導(dǎo)學(xué)生再次回憶熱力學(xué)的定義,從定義中明確熱力學(xué)的研究范疇

熱力學(xué)除了研究熱力學(xué)系統(tǒng)在平衡態(tài)時(shí)的性質(zhì),還要研究系統(tǒng)與外界相互作用的情形,這才能構(gòu)成一套完整的理論體系.這如同完整的牛頓運(yùn)動(dòng)定律必須包括牛頓第三定律一樣.

(2)創(chuàng)設(shè)情境,建立熱平衡的概念

將兩個(gè)分別處于不同平衡態(tài)的系統(tǒng)(物體)進(jìn)行接觸使它們之間發(fā)生傳熱,它們的狀態(tài)參量均會(huì)發(fā)生改變.經(jīng)過(guò)足夠長(zhǎng)的時(shí)間,這兩個(gè)系統(tǒng)便會(huì)達(dá)到一種新的、共同的平衡狀態(tài),由于這種平衡狀態(tài)是兩個(gè)系統(tǒng)在發(fā)生傳熱的條件下達(dá)到的,所以這種平衡叫做熱平衡.

“熱平衡”指的是兩個(gè)系統(tǒng)之間的關(guān)系,平衡態(tài)指的是一個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài),兩者不能混淆.

(3)理想小實(shí)驗(yàn),建立熱平衡定律,科學(xué)引入“溫度”

圖1

如圖1甲所示,A、B、C為3個(gè)平衡狀態(tài)各異的系統(tǒng),用一絕熱壁將 A與B隔開,并使它們同時(shí)與C進(jìn)行接觸傳熱.這樣,經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間后,A與B便會(huì)與C達(dá)到熱平衡.這時(shí),如果我們迅速地將 A、B間的絕熱壁換成導(dǎo)熱壁,將A、B與C之間的導(dǎo)熱壁換成絕熱壁,如圖1乙所示,那么,我們會(huì)發(fā)現(xiàn),A、B的狀態(tài)沒有任何變化,換句話說(shuō),系統(tǒng)A與系統(tǒng)B也達(dá)到了熱平衡.這種與第三個(gè)系統(tǒng)達(dá)到熱平衡的兩個(gè)物體之間也必定處于熱平衡的事實(shí)就叫做熱平衡定律.它是在熱力學(xué)第一、第二定律發(fā)現(xiàn)后,人們才認(rèn)識(shí)到這一規(guī)律的重要性和基礎(chǔ)性的,因此又稱為熱力學(xué)第零定律.

熱平衡定律告訴我們,一切互為熱平衡的系統(tǒng)都必定具有某個(gè)共同的熱學(xué)性質(zhì),我們就把表征這一“共同熱學(xué)性質(zhì)”的物理量叫做溫度.換句話說(shuō),溫度是決定諸物體是否達(dá)到熱平衡的物理量,它的特征就是“一切達(dá)到熱平衡的系統(tǒng)都具有相同的溫度”.

(4)引導(dǎo)學(xué)生再思考情境與問題2,明確溫度計(jì)的測(cè)溫原理

人體和溫度計(jì)分別是兩個(gè)系統(tǒng),它們接觸后需一定的時(shí)間才能達(dá)到熱平衡,這時(shí)溫度計(jì)的溫度就是人體的溫度.

設(shè)計(jì)意圖:既能讓學(xué)生體會(huì)物理概念及規(guī)律建立的過(guò)程,也能夠體現(xiàn)物理學(xué)研究問題的基本思路和方法,促使學(xué)生形成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度與價(jià)值觀.

3.4 溫標(biāo)的教學(xué)

教學(xué)片斷4:

(1)聯(lián)系生產(chǎn)生活、科學(xué)研究實(shí)際,理解建立溫標(biāo)的必要性與理論依據(jù)

在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究和實(shí)際生活中,人們不僅需要知道溫度的高低,還需要知道溫度的具體數(shù)值.這就好像我們要了解一個(gè)物體的長(zhǎng)度一樣,不僅要知道它是長(zhǎng)是短,還要知道它的具體數(shù)值.這個(gè)工作是靠一個(gè)測(cè)量長(zhǎng)度數(shù)值的標(biāo)準(zhǔn)尺子來(lái)完成的.與長(zhǎng)度測(cè)量的情況一樣,我們要想具體地測(cè)量物體的溫度數(shù)值,需要有一把能夠度量溫度數(shù)值的“標(biāo)準(zhǔn)尺子”,也就是溫標(biāo).

熱力學(xué)第零定律不僅給出了溫度的科學(xué)概念,而且還指出了溫度的測(cè)量方法,那就是事先選擇一個(gè)物體作標(biāo)準(zhǔn)(這個(gè)被選作標(biāo)準(zhǔn)的物體就叫溫度計(jì)),然后將它與待測(cè)物體進(jìn)行接觸,只要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間,當(dāng)它與待測(cè)物體達(dá)到熱平衡時(shí),則標(biāo)準(zhǔn)物體所表示的溫度就是待測(cè)物體的溫度.

(2)提供世界上曾經(jīng)產(chǎn)生過(guò)的幾種不同的溫標(biāo),選擇性地介紹兩種比較有影響的早期溫標(biāo):華氏溫標(biāo)和攝氏溫標(biāo).讓學(xué)生體會(huì)溫標(biāo)建立的過(guò)程,并幫助學(xué)生自主總結(jié)出建立溫標(biāo)需要做的主要工作.

要建立溫標(biāo),大致需要做4件事情:第一是選擇適當(dāng)?shù)奈镔|(zhì)作為測(cè)溫物質(zhì),如水銀、酒精、金屬絲等;第二是選擇測(cè)溫物質(zhì)隨溫度而變化的性質(zhì),如體積、壓力、電阻等;第三是規(guī)定測(cè)溫物質(zhì)的性質(zhì)隨溫度而變化的關(guān)系,通常多假設(shè)它們?yōu)榫€性關(guān)系;第四是確定溫度的零點(diǎn)和分度方法.

(3)對(duì)比引入熱力學(xué)溫標(biāo),并留下自主學(xué)習(xí)空間

教師闡述:早期溫標(biāo)在當(dāng)時(shí)的歷史條件下對(duì)發(fā)展工農(nóng)業(yè)及科學(xué)研究起過(guò)不少的推進(jìn)作用,但存在缺點(diǎn)(學(xué)生課后通過(guò)查找資料、上網(wǎng)等方式查閱并交流).現(xiàn)代科學(xué)中用得更多的是熱力學(xué)溫標(biāo),它是最理想的溫標(biāo)(學(xué)生課后通過(guò)查找資料、上網(wǎng)等方式查閱并交流),是開爾文于1884年創(chuàng)立的,所以又叫開爾文溫標(biāo).熱力學(xué)溫標(biāo)表示的溫度叫做熱力學(xué)溫度,它是國(guó)際單位制中7個(gè)基本物理量之一,用符號(hào) T表示,單位是開爾文,符號(hào)為 K.

1960年,國(guó)際計(jì)量大會(huì)確定了攝氏溫標(biāo)與熱力學(xué)溫標(biāo)的關(guān)系:攝氏溫標(biāo)由熱力學(xué)溫標(biāo)導(dǎo)出.攝氏溫度t與熱力學(xué)溫度T的關(guān)系為T=t+273.15K.還可以推導(dǎo)出ΔT=Δt.

設(shè)計(jì)意圖:一方面把教材看作是傳遞教學(xué)信息的重要媒介,變“教教材”為“用教材教”.另一方面倡導(dǎo)建立具有“主動(dòng)參與”、“樂于探究”和“交流與合作”特征的學(xué)習(xí)方式,努力使教師的教學(xué)過(guò)程和學(xué)生的學(xué)習(xí)活動(dòng)都發(fā)揮出最大的效益.

4 教學(xué)行動(dòng)思考

把物理教學(xué)的內(nèi)容和學(xué)生的生活實(shí)際聯(lián)系起來(lái),有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情,強(qiáng)化學(xué)生的實(shí)踐意識(shí),提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力;把物理知識(shí)與應(yīng)用技術(shù)、人文科學(xué)相結(jié)合,能使學(xué)生獲得一個(gè)更為廣闊的視野,有助于學(xué)生形成科學(xué)的價(jià)值觀,增強(qiáng)社會(huì)責(zé)任感.這些都是高中物理課程目標(biāo)所強(qiáng)調(diào)的.在教學(xué)中我們要充分利用各種教育資源,溝通課堂內(nèi)外,拓展學(xué)生的學(xué)習(xí)空間,增強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新的機(jī)會(huì).只要我們從學(xué)生學(xué)習(xí)與發(fā)展出發(fā),源于學(xué)科的本體,著眼于學(xué)生發(fā)展的本位,實(shí)施開放、綜合的策略,既不能過(guò)度地遠(yuǎn)離教材,漫無(wú)邊際,也不能狹隘地拘于條條框框,整合不到位.我們有理由相信,有情境、有問題、又有機(jī)整合的課堂必定是鮮活、充滿生命力的課堂,是為學(xué)生終身學(xué)習(xí)和發(fā)展打基礎(chǔ)的課堂,是符合現(xiàn)代教育的價(jià)值取向的課堂,這樣的課堂值得我們繼續(xù)深入探索.