“比熱容”教學(xué)的邏輯解析和突破策略

葛漢洪 孫有花 陳生桃

(1. 江蘇省高郵市車邏初級(jí)中學(xué),江蘇 高郵 225606； 2. 江蘇省高郵市教育局，江蘇 高郵 225600)

“比熱容”由于其自身內(nèi)涵豐富,外延寬泛,對(duì)于初中生而言極為抽象,一直是初中物理課程中公認(rèn)的一個(gè)教學(xué)難點(diǎn),不少教師對(duì)其進(jìn)行了卓有成效的探索,但筆者認(rèn)為比熱容教學(xué)的根本困難和解決之道還有進(jìn)一步探究的空間,本文談?wù)劰P者的相關(guān)思考和實(shí)踐,以期撥云見日,柳暗花明．

1 “比熱容”教學(xué)的邏輯解析

1.1 教材對(duì)“比熱容”教學(xué)活動(dòng)編排上的邏輯困境

以蘇科版教材(人教版、教科版等跟蘇科版類似)為例,其對(duì)比熱容一節(jié)的編排如下:通過夏日陽光下沙子很燙、海水較涼的情境提出問題“為什么海水和沙子的溫度不一樣呢?”并作出猜想:可能是沙子和水吸收相同熱量時(shí)升高的溫度不相同,沙子吸熱升溫比水快的緣故．再通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)相同質(zhì)量的沙子和水吸收相同的熱量后沙子升溫比水快,經(jīng)過圖像的意義切換得到“不同物質(zhì)在質(zhì)量相等、升高溫度相同的條件下,吸收的熱量不相等．”然后指出，同種物質(zhì),物體溫度升高時(shí)所吸收的熱量與它的質(zhì)量和升高溫度的乘積之比是相等的,對(duì)于不同物質(zhì),上述比值一般不等,最后引入比熱容．我們發(fā)現(xiàn),通過這樣的路徑建立“比熱容”概念至少在以下3方面值得商榷.

(1) 引入情境錯(cuò)位.

筆者對(duì)本地區(qū)初中學(xué)生的調(diào)查顯示,絕大部分學(xué)生并不具備在海邊切身感受過在陽光下海水與沙子溫度不同的經(jīng)驗(yàn),這一點(diǎn)姑且不論．鑒于比熱容的定義為“物體溫度升高時(shí)吸收的熱量與它的質(zhì)量和升高溫度的乘積之比．”所以,情境應(yīng)該通過“質(zhì)量相同的不同物體升高相同溫度時(shí)吸收的熱量一般不等”顯示出物質(zhì)的一種熱學(xué)性質(zhì)．但教材采用的“同樣的陽光下海水和沙子的溫度不同”的情境實(shí)際上是要通過“質(zhì)量相同的不同物體吸收相同的熱量升高的溫度不同”(其實(shí)情境中海水和沙子的質(zhì)量是捉摸不定的,相等是我們強(qiáng)加給學(xué)生的)顯示出物質(zhì)的這種熱學(xué)性質(zhì),存在情境錯(cuò)位的問題,無形中給學(xué)生的學(xué)習(xí)制造了一個(gè)障礙．

(2) 建構(gòu)方法迂回.

因?yàn)榍榫车腻e(cuò)位,使得教學(xué)過程需進(jìn)行一次意義切換,讓學(xué)生的認(rèn)識(shí)從“質(zhì)量相同的沙子和水吸收相同的熱量后升高的溫度不同”過渡到“質(zhì)量相同的沙子和水升高相同的溫度吸收的熱量不同”,這一步意義切換是通過沙子和水在加熱過程中的溫度-時(shí)間圖像完成的,這樣的處理方式讓概念的建立方法抽象晦澀,讓概念的建立過程迂回復(fù)雜．實(shí)際上,通過比值定義法建立概念,無需圖像的參與．

(3) 物理量之間相互干擾.

本節(jié)教材中出現(xiàn)了兩個(gè)“快”字,一是在猜想和假設(shè)處說:“可能是沙子和水吸收相同熱量時(shí)升高的溫度不相同,沙子吸熱升溫比水快的緣故．”二是在討論圖像的意義時(shí)說:“質(zhì)量相等的沙子和水,哪一個(gè)(吸熱)升溫快?”而比熱容并不反映不同物體吸熱升溫“快與慢”,而是反映吸熱升溫“多與少”方面性質(zhì)的物理量．“快與慢”是“多與少”與時(shí)間相結(jié)合得到的,本實(shí)驗(yàn)中時(shí)間是個(gè)重要因素,但它不應(yīng)與升溫“多與少”結(jié)合,而應(yīng)與“相同加熱條件”結(jié)合,以便我們通過加熱時(shí)間比較“不同物體吸熱的多少”．所以,教材的表述,存在物理量之間相互干擾的問題,會(huì)讓學(xué)生對(duì)所學(xué)內(nèi)容迷惑不解．

1.2 “比熱容”教學(xué)的邏輯重構(gòu).

以上分析可見,教材編排的學(xué)習(xí)活動(dòng)存在邏輯偏誤,會(huì)給學(xué)生造成沉重的認(rèn)知負(fù)荷,然而學(xué)生的學(xué)習(xí)只能跟隨教師的思路亦步亦趨,對(duì)概念的理解只能“囫圇吞棗”,而難以“含英咀華”．實(shí)際上,比熱容教學(xué)一定繞不開比值定義法,筆者曾撰文闡述過比值定義法．[1]跟其他通過比值定義得到的物理量一樣,比熱容教學(xué)也需要通過觀察現(xiàn)象確定差異——利用比值準(zhǔn)確比較——定義概念描述差異的邏輯線索展開教學(xué),以經(jīng)歷同中求異、異中求同的比較過程．這里的“同中求異”是指一般來說質(zhì)量相同的不同物質(zhì)組成的物體吸收熱量都伴隨著溫度升高(同),但質(zhì)量相同的不同物質(zhì)組成的物體在升高相同的溫度時(shí)吸收的熱量(一般)不同(異),從而顯露物質(zhì)的一種熱學(xué)性質(zhì)，以明確比較對(duì)象．這里的“異中求同”是指盡管不同物質(zhì)組成的物體溫度升高時(shí)吸收的熱量(一般)不同(異),但都可以利用物體溫度升高時(shí)所吸收的熱量與它的質(zhì)量和升高溫度的乘積之比來定量描述這種熱學(xué)性質(zhì)(同),從而便于精確比較物質(zhì)該方面的熱學(xué)性質(zhì),如此可以用“比值”定義出新物理量，即比熱容．以這樣的邏輯路線為基礎(chǔ),筆者提出了比熱容教學(xué)難點(diǎn)的突破策略.

2 比熱容教學(xué)難點(diǎn)的突破策略

2.1 巧設(shè)情景顯露物質(zhì)性質(zhì)

師:我們以前觀察過水的沸騰,實(shí)驗(yàn)中要適當(dāng)減少酒精燈加熱時(shí)間,可以怎么辦?

……

生:適當(dāng)減少水的質(zhì)量．

師:為什么適當(dāng)減少水的質(zhì)量可以減少加熱時(shí)間?

生:因?yàn)槌鯗叵嗤?都加熱到沸騰,水的質(zhì)量越少需要吸收的熱量越少．

設(shè)計(jì)意圖:這個(gè)看似簡(jiǎn)單的問題對(duì)于本課的學(xué)習(xí)卻特別重要,因?yàn)閷?duì)這個(gè)問題的思考可以幫助學(xué)生在意識(shí)里確立“水吸收的熱量”這個(gè)物理量,認(rèn)識(shí)到加熱時(shí)間的長(zhǎng)短由水需要吸收的熱量多少?zèng)Q定,并且將不可測(cè)量的水吸收的熱量多少與可測(cè)量的加熱時(shí)間建立起聯(lián)系．為下面的活動(dòng)做好鋪墊．從奧蘇貝爾意義學(xué)習(xí)的角度看,學(xué)生是否具有起固定點(diǎn)的概念,對(duì)學(xué)習(xí)是否有意義起重要作用,質(zhì)量、變化的溫度、吸收(放出)的熱量3個(gè)概念就是建立比熱容概念的固定點(diǎn),而學(xué)生對(duì)質(zhì)量、溫度已經(jīng)很熟悉了,需要加強(qiáng)的是熱量．所以,這里有必要板書:通過加熱時(shí)間長(zhǎng)短可以比較出水吸收熱量的多少(轉(zhuǎn)換法)．

師:如果觀察其他液體的沸騰,例如煤油,你覺得影響將水和煤油加熱到沸騰所需時(shí)間長(zhǎng)短的因素有哪些?

生:質(zhì)量、初溫、沸點(diǎn)、……

設(shè)計(jì)意圖:這樣做并不是真的要去將水和煤油加熱到沸騰,探究影響水和煤油加熱長(zhǎng)短的因素,只是為了順應(yīng)學(xué)生經(jīng)驗(yàn),架設(shè)教學(xué)起點(diǎn)而設(shè)計(jì)的一個(gè)引導(dǎo)性問題．

師:如果在相同的加熱條件下,讓質(zhì)量、初溫相同的水和煤油升高到相同的溫度,你覺得所用時(shí)間相同嗎?

生:…….

設(shè)計(jì)意圖:該問題于學(xué)生而言既在情理之中,又在意料之外,可以有效將學(xué)生引入“憤”、“悱”狀態(tài),從而激發(fā)學(xué)生探究欲望,強(qiáng)化學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)．

師:讓我們通過實(shí)驗(yàn)探究一下．

學(xué)生實(shí)驗(yàn):裝置如圖1所示.(建議用小燒杯裝30g的水和煤油通過加熱將溫度升高20℃,并將全班分為盡量多的小組,收集盡量多的數(shù)據(jù),可以讓結(jié)果更有說服力)

圖1

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表明:讓質(zhì)量、初溫相同的水和煤油升高到相同的溫度所用的時(shí)間不同．

師:加熱時(shí)間不同說明什么?

生:說明相同質(zhì)量的水和煤油升高相同的溫度需要吸收的熱量不同．(有了之前的鋪墊,學(xué)生很容易回答出來)

師:如果用其他物質(zhì)做實(shí)驗(yàn),會(huì)發(fā)現(xiàn)相同質(zhì)量的不同物質(zhì)升高相同的溫度需要吸收的熱量一般不同,這就顯示出物質(zhì)的一種熱學(xué)性質(zhì),就水和煤油而言,這種熱學(xué)性質(zhì)誰強(qiáng)?

生:水.

設(shè)計(jì)意圖:比值定義法的核心思想是“通過比值進(jìn)行比較”,所以,教學(xué)的首要任務(wù)是確立比較對(duì)象的一種熱學(xué)性質(zhì),而物質(zhì)的這種熱學(xué)性質(zhì)并不像有些比較對(duì)象那樣直觀(例如學(xué)習(xí)速度概念時(shí)的比較對(duì)象是物體運(yùn)動(dòng)的快慢)．本活動(dòng)的好處是不但有情境,而且有實(shí)物,一方面切合學(xué)生的已有經(jīng)驗(yàn),另一方面可以直觀顯露物質(zhì)的這種熱學(xué)性質(zhì)的差異,以這樣的活動(dòng)作為概念學(xué)習(xí)的第一手資料,才更能訴諸學(xué)生的思維．

2.2 熟用方法比較物質(zhì)性質(zhì)

師:如果1kg甲物質(zhì)組成的物體,溫度升高1℃吸收的熱量是2.4×103J, 而1kg乙物質(zhì)組成的物體,溫度升高1℃吸收的熱量是2.1×103J,則甲、乙的這種熱學(xué)性質(zhì)誰強(qiáng)?

生:甲．

師:如果2kg丙物質(zhì)組成的物體,溫度升高6℃吸收的熱量是2.52×104J,5kg，丁物質(zhì)組成的物體,溫度升高3℃吸收的熱量是2.7×103J,則丙、丁的這種熱學(xué)性質(zhì)誰強(qiáng)?

設(shè)計(jì)意圖:因?yàn)檫@里丙、丁的質(zhì)量不相等,升高的溫度也不相等,所以不能通過直接比較吸收熱量的方法比較兩物質(zhì)的這種性質(zhì)誰強(qiáng)．如果學(xué)生能夠根據(jù)經(jīng)驗(yàn)想到將質(zhì)量、升高的溫度這兩個(gè)物理量放在分母上,將吸收的熱量放在分子上,得到吸收的熱量與質(zhì)量和升高溫度的乘積的比值,比值的結(jié)果就是當(dāng)質(zhì)量為1kg時(shí),升高的溫度為1℃時(shí)物體吸收的熱量,通過比值就能夠方便比較不同物質(zhì)這方面熱學(xué)屬性,就說明學(xué)生能夠熟練使用比值定義法,并且也能夠理解“物體溫度升高時(shí)所吸收的熱量與它的質(zhì)量和升高溫度的乘積之比”是怎么得來的．筆者認(rèn)為,這就是以已有的“漁”取新鮮的“魚”,對(duì)學(xué)生自主建構(gòu)比熱容的定義至關(guān)重要．

2.3 引入概念描述物質(zhì)屬性

師:實(shí)驗(yàn)表明,相同質(zhì)量的同種物質(zhì)組成的物體溫度降低1℃放出的熱量跟溫度升高1℃吸收的熱量相等．既然相同質(zhì)量的不同物質(zhì)組成的物體,升高(降低)相同溫度吸收(放出)的熱量一般不同,顯示了不同物質(zhì)的一種熱學(xué)性質(zhì),并且用“物體溫度升高(降低)時(shí)所吸收(放出)的熱量與它的質(zhì)量和升高(降低)溫度的乘積之比”可以定量描述物質(zhì)的這種性質(zhì),物理學(xué)就給這個(gè)比值引入了專門的物理量叫‘比熱容’,用來描述物質(zhì)的這種性質(zhì)．

學(xué)生閱讀教材,自學(xué)比熱容的定義、單位、計(jì)算公式、比熱容表,說說有哪些發(fā)現(xiàn).

設(shè)計(jì)意圖:在經(jīng)歷了觀察物理現(xiàn)象,離析出物理表象,再到生成物理意義的整個(gè)思維活動(dòng)之后,最后對(duì)物理意義進(jìn)行符號(hào)表征,建構(gòu)物理知識(shí),這樣的知識(shí)才是具有生命活力的知識(shí),才是能夠轉(zhuǎn)化為學(xué)生學(xué)科素養(yǎng)的知識(shí)．

2.4 聯(lián)系生活理解物質(zhì)性質(zhì)

引導(dǎo)學(xué)生對(duì)比“水”和其他液體(例如酒精)的比熱容的物理意義,思考汽車的冷卻液應(yīng)該選用哪種液體,并說明理由(水的比熱容大,所以吸熱能力強(qiáng))．然后讓學(xué)生對(duì)比水和沙子的比熱容的物理意義,思考如果吸收相同的熱量,它們各自升高的溫度是什么關(guān)系(水的比熱容大,所以溫度難以改變),再結(jié)合生活情境思考:從清晨到中午,海水和海邊的沙子升高的溫度是什么關(guān)系;從白天到夜晚,海水和沙子降低的溫度是什么關(guān)系;一天之內(nèi),海水和沙子的溫差是什么關(guān)系.通過事例幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)到水的比熱容大，在不同的情境中會(huì)有吸熱能力強(qiáng)和溫度難以變化兩種不同的表現(xiàn)．

設(shè)計(jì)意圖:因?yàn)槌踔袑W(xué)生的物理認(rèn)知水平尚處于具體運(yùn)算階段,對(duì)概念的理解還不能脫離具體事物的支持,所以,在運(yùn)用概念解釋生活現(xiàn)象之前,需輔之以具體的數(shù)據(jù),可以幫助學(xué)生豐富對(duì)概念的體驗(yàn),活化對(duì)概念的理解,充分認(rèn)識(shí)到概念存在的意義．

通過解釋生活中其他跟比熱容有關(guān)的現(xiàn)象幫助學(xué)生鞏固所學(xué)．例如，海陸風(fēng)的形成原因．冬天用的暖手寶里面應(yīng)該用什么液體,為什么?為什么沙漠地區(qū)會(huì)有 “早穿皮襖午穿紗，圍著火盆吃西瓜”的諺語.科學(xué)家測(cè)量發(fā)現(xiàn),三峽水庫的修建使得當(dāng)?shù)叵奶斓臍鉁叵陆盗思s5℃,冬天氣溫上升約3℃,為什么?育秧苗時(shí),人們?cè)跍囟鹊偷囊雇硗硖锢锕嗨?可以防止秧苗被凍傷,為什么?

設(shè)計(jì)意圖:本課的前3階段揭示比熱容的“來龍”,讓學(xué)生明白比熱容“是什么”,本階段還需揭示比熱容的“去脈”,讓學(xué)生明白生活中“什么是”比熱容．如此,學(xué)生能經(jīng)歷“從生活走向物理,從物理走向社會(huì)”的學(xué)習(xí)過程,在對(duì)新學(xué)知識(shí)的遷移應(yīng)用中準(zhǔn)確把握比熱容的內(nèi)涵,初步感知比熱容的外延,深化對(duì)概念的理解．

由于本課涉及的物理量較多,所以有必要進(jìn)一步設(shè)置問題情景以厘清物理量與物理量之間的關(guān)系,加深學(xué)生對(duì)相關(guān)概念的理解.

師:如圖2用兩個(gè)同樣的酒精燈給水和煤油加熱,怎樣比較水和煤油吸收熱量的多少?

生:比較酒精燈加熱時(shí)間．

師:如圖3,加熱工具不同,還可以通過比較加熱時(shí)間的方法比較水和煤油吸收熱量的多少嗎?怎么辦?

生:不能,……

圖3

參考文獻(xiàn)：

1 葛漢洪,孫有花.摭談初中物理課程中的“比值定義法”[J]. 中學(xué)物理教學(xué)參考,2016(7)： 13-16.