基于實驗改進(jìn)和顯化科學(xué)方法來學(xué)習(xí)比熱容*

王宇航

(北京市育英學(xué)校 北京 100036)

王志茜

(北京市西城外國語學(xué)校 北京 100044)

基于實驗改進(jìn)和顯化科學(xué)方法來學(xué)習(xí)比熱容*

王宇航

(北京市育英學(xué)校 北京 100036)

王志茜

(北京市西城外國語學(xué)校 北京 100044)

針對“比熱容”的教學(xué)現(xiàn)狀，提出了實驗改進(jìn)措施和顯化科學(xué)方法的分析，從而提出全新的教學(xué)設(shè)計，并在教學(xué)實踐中進(jìn)行嘗試.在這樣的教學(xué)設(shè)計和實踐中，學(xué)生們經(jīng)歷了建構(gòu)比熱容概念的完整過程并且感悟了物理學(xué)家在科學(xué)探索中的研究方法.

比熱容 實驗改進(jìn) 科學(xué)方法

1 “比熱容”的教學(xué)現(xiàn)狀分析

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2011年版)》對比熱容的教學(xué)要求如下：“通過實驗，了解比熱容，嘗試用比熱容說明簡單的自然現(xiàn)象.”[1]從各版本教材中的實驗來看[2]，研究對象有水和食用油(或煤油) 、水和沙子這兩種， 加熱方式有電加熱器和酒精燈加熱兩種.

深入分析各版本教材和實驗，我們不難發(fā)現(xiàn)，不同版本教材中的實驗都是圍繞“比較不同物質(zhì)的吸熱能力”而展開.如上所述的實驗確實讓學(xué)生相信不同物質(zhì)的吸熱能力不同，但它們操作麻煩且學(xué)生不易觀察.

在實際教學(xué)中，由于缺乏不同物質(zhì)吸收熱量與質(zhì)量和溫度變化乘積的比值不變這樣的定量實驗，學(xué)生們往往是在教師的引導(dǎo)下，在腦海中“想”這樣的實驗.雖然也有教師借助一些編好的實驗數(shù)據(jù)或者類比生活中的實例[2,3]來幫助學(xué)生理解比值不變這個物質(zhì)特性，但學(xué)生們內(nèi)心深處很難真正認(rèn)可.所以，比熱容的概念建構(gòu)往往是不了了之，學(xué)生們只得以記憶代替了建構(gòu)，用做題來理解和記憶概念.

2 對“比熱容”教學(xué)的實驗改進(jìn)和科學(xué)方法分析

2.1 對“比熱容”的實驗改進(jìn)

在 “比較不同物質(zhì)的吸熱能力”實驗的改進(jìn)過程中，我們摒棄了電加熱器和酒精燈加熱的方法.我們在不銹鋼鍋中放入兩個相同的燒杯，燒杯內(nèi)已分別裝入初溫相同的80 g的水和煤油，水和煤油中插入“郎威”系列高科技產(chǎn)品之中的溫度傳感器，溫度傳感器連結(jié)數(shù)據(jù)采集器.借助“郎威”數(shù)據(jù)采集器的外接端口，把數(shù)據(jù)直接顯現(xiàn)在大屏幕上.待裝置組裝完成后，往鍋內(nèi)直接倒入接近100 ℃的熱水，使熱水水面高度迅速超過燒杯中的液面高度.從實驗效果來看，煤油和水的溫度迅速升高；從溫度變化來看，不到2 min時間，煤油的溫度變化已經(jīng)明顯高于水的溫度變化.

關(guān)于水吸收熱量多少的問題，長期以來在教學(xué)實踐中我們是借助加熱時間相同來定量研究的.但由于加熱條件的限制，在常規(guī)教學(xué)中很難創(chuàng)設(shè)出讓加熱源均勻放熱的條件，所以借助加熱時間來定量研究吸熱多少是非常粗糙的做法.同時，實際加熱過程中由于水的溫差和散熱，也很難創(chuàng)設(shè)出液體均勻吸熱的條件.怎樣盡可能保證加熱源均勻放熱和水均勻吸熱呢？在實驗改進(jìn)中，我們采用能直接顯示壺內(nèi)水溫的電熱水壺作為加熱源，繼而借助加熱時間的長短來定量比較水吸熱多少[4].

2.2 對“比熱容”的顯化科學(xué)方法分析

在教學(xué)過程中開展科學(xué)方法教育，必須結(jié)合教材來進(jìn)行.教材中研究物理學(xué)所應(yīng)用的基本方法有常規(guī)方法——觀察、實驗、邏輯思維(分析、綜合、歸納、演繹、類比、理想化方法等)、數(shù)學(xué)方法，以及非常規(guī)方法——直覺、猜想、靈感，等等[5].我們認(rèn)為，這些基本方法對比熱容的學(xué)習(xí)依然適用.

比熱容是初中物理教學(xué)中最復(fù)雜的一個概念.比熱容概念的建立涉及不同物質(zhì)吸收熱量與質(zhì)量和溫度變化乘積的比值不變.從學(xué)生認(rèn)知來說，從最初涉及兩個物理量比值不變的密度到涉及3個物理量比值不變的比熱容，他們對比值定義法的認(rèn)識和理解也是在逐步加深.我們認(rèn)為，比熱容的教學(xué)中要重視和突出比值定義法的作用.進(jìn)行比熱容的相關(guān)實驗時，我們把不同物質(zhì)吸收熱量的多少問題轉(zhuǎn)換為加熱時間長短的問題，所以比熱容的教學(xué)也要重視轉(zhuǎn)換法的作用.

3 教學(xué)設(shè)計與實踐

筆者力求通過下面的文字客觀展現(xiàn)本節(jié)課的教學(xué)設(shè)計和實踐過程，以及個別環(huán)節(jié)學(xué)生們現(xiàn)場的反應(yīng).在以下行文中，我們以“展示”來展現(xiàn)本環(huán)節(jié)中教師借助PPT或者語言展示、講述的基本內(nèi)容，以“問題”來展現(xiàn)本環(huán)節(jié)中教師借助PPT或者語言展示的核心問題.在每一個問題后面，給學(xué)生留有思考時間，要求學(xué)生首先自己靜心思考，在自我思考的基礎(chǔ)上小組討論達(dá)成一致，如果小組之間不能達(dá)成一致則全班學(xué)生一起討論.

問題1：不同種類物質(zhì)的吸熱能力是否相同？

對于這個問題，學(xué)生們均認(rèn)可不同種類物質(zhì)的吸熱本領(lǐng)不同.

問題2：怎樣展現(xiàn)不同種類物質(zhì)的“吸熱能力”？

教師要求學(xué)生借助物理語言來描述這個略帶生活性質(zhì)的隨意用語.學(xué)生們積極思考、討論.有學(xué)生提出用升溫多少來表示，有學(xué)生提出用吸收熱量多少來表示.也有學(xué)生提出質(zhì)疑，沒有任何前提就這樣比較太不合理，比如一盆水和一滴油怎么能比較吸熱本領(lǐng)？也有學(xué)生提出，對于不同種類的物質(zhì)必須要有合理的比較標(biāo)準(zhǔn).

在討論過程中，教師引導(dǎo)學(xué)生把思維聚焦到不同物質(zhì)要有合理的比較標(biāo)準(zhǔn)上.學(xué)生們逐漸達(dá)成共識，對于不同種類物質(zhì)，要讓它們的質(zhì)量和初溫相同才可以.但也有學(xué)生提出，對于不同種類物質(zhì)，要讓它們的體積和初溫相同.關(guān)于吸熱能力，學(xué)生們逐步明確，讓質(zhì)量和初溫相同的不同物質(zhì)，變化相同的溫度，看它們吸收熱量多少是否相同.

問題3：怎樣比較不同種類物質(zhì)吸收熱量多少是否相同？

教師明確告訴學(xué)生，現(xiàn)階段沒有能直接測量吸收熱量多少的裝置.這個問題更加激起了學(xué)生們的興趣，他們思考和發(fā)言更加熱烈.有學(xué)生立即提出可以使用相同的酒精燈加熱，有學(xué)生補(bǔ)充還要同時加熱，但有學(xué)生馬上質(zhì)疑就算酒精燈一樣也不能保證酒精燈的火焰相同.關(guān)于酒精燈加熱的問題，學(xué)生們意識到了很多困難.隨即又有學(xué)生提出用相同的熱得快加熱.在討論中，學(xué)生們逐漸認(rèn)可到電加熱的優(yōu)點(diǎn)很多.可以使用電加熱的方式.

展示1：教師展示“比較不同物質(zhì)的吸熱能力”改進(jìn)實驗.

問題4：從這個實驗中能得到什么結(jié)論？

學(xué)生們一致認(rèn)可：煤油的溫度變化比水快，它們的吸熱能力不同.

問題5：水和煤油哪一個吸熱能力大？

有學(xué)生提出煤油的吸熱能力大.但立即就有學(xué)生提出，如果讓水的溫度變化和煤油一樣，則需要更長的加熱時間，水吸熱能力大. 學(xué)生們再次陷入思考，但很快他們達(dá)成共識：對于相同質(zhì)量的水和煤油來說，水的吸熱能力大.

展示2：“吸熱能力”是個模糊的生活用語，但經(jīng)過大家的思考和討論，能用物理知識來描述它了.借助實驗，得到了可靠的結(jié)論.實驗中，把“吸收熱量多少”的問題轉(zhuǎn)換為“加熱時間長短” 的問題，同時在實驗基礎(chǔ)上進(jìn)行了邏輯推理.

問題6：對同一種物質(zhì)來說，有哪些因素會影響吸熱多少？

討論中，學(xué)生們明確了質(zhì)量和溫度變化兩個因素.但也有學(xué)生提出，都是水組成，但冰和水是不同的.教師明確告訴他，可以先不考慮涉及物態(tài)變化的問題.

問題7：對同一種物質(zhì)來說，吸熱多少與質(zhì)量和溫度變化有什么定性關(guān)系？

結(jié)合生活常識，學(xué)生們達(dá)成共識.教師展示了他們的討論結(jié)果.

展示3：對同一種物質(zhì)，其質(zhì)量、溫度變化與吸收熱量有下面幾種關(guān)系.

(1)在質(zhì)量一定的時候，溫度變化越大則吸收熱量越多；

(2)在溫度變化一定的時候，質(zhì)量越大則吸收熱量越多；

(3)質(zhì)量越大、溫度變化越大則吸收熱量越多.

問題8：對同一種物質(zhì)來說，吸收熱量多少與質(zhì)量和溫度變化有定量關(guān)系嗎？

教師舉例，比如質(zhì)量很大的水溫度變化不大，質(zhì)量小的水溫度變化大，它們吸收的熱量可能相同嗎？學(xué)生們猜測它們吸熱可能相同.

問題9：以水為例，怎樣定量展示加熱過程中吸收熱量多少？

學(xué)生們一致認(rèn)可，可以使用電加熱的方式，看加熱時間的長短.

展示4：教師展示使用電熱水壺加熱水的實驗.

問題10：從這個實驗中能得到什么結(jié)論？

由于涉及加熱時間、質(zhì)量和溫度變化3個因素，學(xué)生們暫時沒有發(fā)現(xiàn)規(guī)律.

展示5：教師借助Excel軟件直接計算“加熱時間與質(zhì)量和溫度變化乘積的比值”.

面對這樣的結(jié)果，學(xué)生們?nèi)滩蛔“l(fā)出了“啊”的聲音.有一些課前預(yù)習(xí)過的學(xué)生恍然大悟地說，“書上的原來是這個意思！”

問題11：0.003 9s/(g·℃)告訴你什么信息？

學(xué)生們意識到，水在吸熱升溫過程中，加熱時間與質(zhì)量和溫度變化乘積的比值基本不改變.換言之，對水來說，加熱過程中吸熱多少與質(zhì)量和溫度變化乘積的比值不變.

問題12：其他物質(zhì)是否也具有類似性質(zhì)？

展示6：閱讀課本相關(guān)內(nèi)容，畫出重點(diǎn)，提出疑問，并且完成課本上的練習(xí)題.

展示7：以水為例，我們驚奇地發(fā)現(xiàn)，加熱過程中吸熱多少與質(zhì)量和溫度變化乘積的比值竟然不變！而對不同物質(zhì)來說，這個比值是不同的.看來這個比值是反映物質(zhì)自身性質(zhì)的物理量.這個比值就是描述物質(zhì)吸熱能力的比熱容.此前所學(xué)的密度也有類似的性質(zhì).密度和比熱容都屬于物理學(xué)中的比值定義法.

問題13：比熱容的單位是什么？

問題14：比熱容的物理意義是什么？

展示8：可以借助上述的比值定義法得出比熱容的實際測量方法；可以用吸收熱量多少、質(zhì)量和溫度變化量的單位推理得到比熱容的單位.

4 教學(xué)反思

在進(jìn)行如上所述的教學(xué)設(shè)計和實踐時，我們試圖借助問題引導(dǎo)學(xué)生將思維聚焦于怎樣把“吸熱能力”這個口頭化的語言轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y量的物理量上.在思考討論過程中，學(xué)生們逐漸把一個個模糊問題清晰化，并且結(jié)合所學(xué)知識提出合理的實驗方案.他們經(jīng)歷了去偽存真、去粗存精的思考過程.改進(jìn)后的實驗又震撼了學(xué)生們，從實驗數(shù)據(jù)中他們驚奇地發(fā)現(xiàn)，對水來說，加熱過程中吸熱多少與質(zhì)量和溫度變化乘積的比值不變！回顧整節(jié)課，他們真正經(jīng)歷了建構(gòu)比熱容概念的完整過程，感悟了物理學(xué)家在科學(xué)探索中的研究方法.

回顧教學(xué)過程，我們也有遺憾.當(dāng)學(xué)生們看到0.003 9這個數(shù)據(jù)時，忍不住發(fā)出了“啊”的聲音，作為教師，學(xué)生們這樣的學(xué)習(xí)狀態(tài)讓我們激動和興奮.但我們也在想，怎樣才能使學(xué)生們自己透過幾組數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)這個隱藏的秘密呢？

1 中華人民共和國教育部制定.義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2011年版).北京：北京師范大學(xué)出版社，2012.21

2 朱文軍．比熱容教學(xué)的深度備課．物理教學(xué)，2014(02)：32～34

3 邢紅軍.初中物理高端備課.北京：中國科學(xué)技術(shù)出版社，2014.63

4 王宇航，王志茜．用電熱水壺定量研究水的比熱容．物理之友，2015(09)： 14～16

5 張憲魁. 物理科學(xué)方法教育.青島：中國海洋大學(xué)出版社，2015.23

*中國教育學(xué)會物理教學(xué)專業(yè)委員會2015-2017年重點(diǎn)課題“遵循知識形成過程的教學(xué)實踐研究”階段性研究成果之一;北京市海淀區(qū)2015年度教育科學(xué)規(guī)劃課題“促進(jìn)初中生閱讀物理教材的實踐研究” 研究成果之一,項目編號：HDGH2015150

王宇航(1979- )，男，碩士，中教一級,研究方向為中學(xué)物理教學(xué).

王志茜(1981- )，女，碩士，中教一級,研究方向為中學(xué)物理教學(xué).

2016-07-04)