用活教材巧設(shè)問 進(jìn)階導(dǎo)學(xué)促素質(zhì)
——“物質(zhì)的比熱容”教材分析與優(yōu)化教學(xué)

高成軍

(蘇州市陸慕高級中學(xué),江蘇 蘇州 215131)

2017版高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)中指出,物理教學(xué)若僅以知識為線索展開,就會導(dǎo)致教學(xué)設(shè)計聚焦于知識,僅僅專注于學(xué)生獲得知識,而忽視物理課程對學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng).為此,必須把培養(yǎng)物理學(xué)科核心素養(yǎng)作為物理教學(xué)的重要目標(biāo),將“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”等物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)落實于教學(xué)活動中.這個觀點不僅適用于高中物理教學(xué),也同樣適用于初中物理教學(xué),初中物理教學(xué)就要注意對學(xué)生這4個方面素養(yǎng)的培養(yǎng).

“物質(zhì)的比熱容”是初中物理教材中非常重要的概念,也是對初中學(xué)生來說比較難理解的概念.我們在組織這節(jié)內(nèi)容教學(xué)時,要創(chuàng)造性地使用教材,即“用教材教”,而不是“教教材”.并且要根據(jù)初中學(xué)生的認(rèn)知特點,注重物理概念構(gòu)建的過程,使學(xué)生形成關(guān)于物質(zhì)比熱容的正確的物理觀念的同時,體會科學(xué)探究過程,培養(yǎng)初中學(xué)生的科學(xué)思維.本文下面就對蘇科版物理教材九年級上冊不同版本的“物質(zhì)的比熱容”一節(jié)內(nèi)容的教材進(jìn)行分析,并提出優(yōu)化教學(xué)設(shè)計.

1 對蘇科版教材關(guān)于“物質(zhì)的比熱容”一節(jié)內(nèi)容編寫的比較分析

蘇科版義務(wù)教育教科書《物理》九年級上冊一共出版過3版,分別是2004年5月第1版、2007年6月第2版、2013年6月第3版.其中第1版和第2版關(guān)于“物質(zhì)的比熱容”一節(jié)內(nèi)容編寫相同,沒有作任何調(diào)整.第3版教材編寫對該節(jié)內(nèi)容作出了調(diào)整.下面就第3版(以下簡稱新版)與前兩版(以下簡稱原版)的教材進(jìn)行簡單地對比分析.

1.1 原版教材構(gòu)建比熱容概念的思路與教學(xué)時遇到的困難

原版教材中安排了活動12.5——探究物質(zhì)吸熱升溫的屬性.從提出問題,做出猜想與假設(shè),到實驗設(shè)計,進(jìn)行實驗搜集證據(jù),最后分析得出結(jié)論與交流討論,符合科學(xué)探究的一般過程.其中在設(shè)計實驗環(huán)節(jié),同時提出了兩種比較方法: (1) 加熱相同時間比較升高的溫度;(2)升高相同的溫度比較加熱時間.在進(jìn)行實驗與收集證據(jù)環(huán)節(jié),搜集的是沙子和水升高相同的溫度所需要的加熱時間(如圖1所示).從數(shù)據(jù)中得出結(jié)論:質(zhì)量相同的不同物質(zhì)升高相同的溫度吸收的熱量不同.然后引出“我們把單位質(zhì)量的某種物質(zhì)溫度升高(降低)1 ℃所吸收(放出)的熱量叫做這種物質(zhì)的比熱容.”并追述“進(jìn)一步的研究表明,同種物質(zhì)的比熱容相同,而不同物質(zhì)的比熱容一般不同”.

圖1 加熱相同質(zhì)量的沙子和水

原版教材突出的優(yōu)點是數(shù)據(jù)記錄簡潔,便于驗證猜想.實驗中記錄的是質(zhì)量相等的沙子和水升高10 ℃和20 ℃的加熱時間,質(zhì)量是事先既定的,實驗過程中只需記錄4個時間數(shù)據(jù)(如表1示),記錄數(shù)據(jù)少,簡潔明了,易于操作.在實驗過程中,學(xué)生也很容易看到“沙子升溫快”的現(xiàn)象,對學(xué)生來說認(rèn)識到“水的吸熱本領(lǐng)比沙大”是水到渠成的事情.

表1 記錄加熱時間

按原版教材的設(shè)計思路,筆者在實施實際教學(xué)的過程中遇到了3個突出的問題:第一,前置兩種實驗方案,進(jìn)行比較,涉及的物理量比較多,學(xué)生思維容易混亂.學(xué)生之前接觸的物理過程涉及的物理量比較少,一下接觸那么多變量,還要變換控制變量,學(xué)生領(lǐng)會困難,容易混亂,增加教學(xué)難度;第二,比熱容的定義得出太突然,學(xué)生難以接受為什么把“單位質(zhì)量的某種物質(zhì)溫度升高(降低)1℃所吸收(放出)的熱量”定義為這種物質(zhì)的比熱容,為什么要突出單位質(zhì)量;第三,很難理解比熱容的大小與物體的質(zhì)量、吸收熱量的多少、升高的溫度都無關(guān),是物質(zhì)本身的物理屬性.

1.2 新版教材構(gòu)建比熱容概念的思路與教學(xué)時遇到的困難

圖2 描點作圖

新版教材同樣安排了活動12.5——探究不同物質(zhì)吸熱升溫的現(xiàn)象.在設(shè)計實驗環(huán)節(jié)與老版比較有兩個地方作出了調(diào)整,第一,只提出一種比較方法,即“用相同的酒精燈加熱相同時間比較溫度上升的快慢”;第二,新版實驗記錄的數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)的處理方式與老版不同,新版記錄了5個時間點的5組10個溫度數(shù)據(jù)(如表2所示),并對數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像描點作圖像處理(如圖2所示).

表2 每隔1 min記錄沙子和水的溫度

與原版比較,新版的調(diào)整有2個方面的優(yōu)點:第一,雖然少了一種比較方法,但是更符合學(xué)生的認(rèn)知心理,降低了學(xué)生思維的干擾因素,使學(xué)生的觀察和思考更具有方向性;第二,新版實驗記錄的數(shù)據(jù)是加熱相同時間的水和沙升高的溫度.這與生活中的體驗及課前提出的猜想方向相一致,也符合了學(xué)生思維的特點;第三,新版在實驗數(shù)據(jù)處理上做出了調(diào)整,采取了物理學(xué)中常用的方法——描點作圖,畫出“物質(zhì)溫度隨加熱時間變化的圖像”(圖2),分析圖像得到“質(zhì)量相等的沙子和水,沙子升溫快”的結(jié)論,進(jìn)一步分析圖像找到“如果升高相同的溫度,水需要加熱更長的時間,即水需要吸收更多的熱量”的規(guī)律,由此得到不同物質(zhì)吸收熱量的本領(lǐng)不同.也正是不同物質(zhì)吸收熱量的本領(lǐng)不同,所以雖然沙和水質(zhì)量相等,吸收熱量相同,會出現(xiàn)升高的溫度不同的現(xiàn)象.

但是新版教材的這種安排,在實施教學(xué)時,又有遇到新的困難.

首先,在實際教學(xué)時,由于實驗操作過程、描點作圖、圖像分析等都要耗費一定的時間,使得教學(xué)內(nèi)容和時間會顯得過于冗長,很難完成教學(xué)任務(wù).尤其是通過描點圖像再從圖像中找規(guī)律,對初中的學(xué)生來說有一定的難度.

其次,從教材內(nèi)容可以看出,新版教材運用了“比值法”定義比熱容.這種定義方法相比較原版更符合物理概念的建立與發(fā)展規(guī)律,但這個比值的得出太突然,缺少鋪墊,沒有讓學(xué)生經(jīng)歷比值定義建立的過程,學(xué)生理解困難,體會不深刻,具體分析如下.

新版教材在得到“不同物質(zhì)在質(zhì)量相等、升高(或降低)相同溫度的條件下,吸收(或放出)的熱量不相等”的結(jié)論后這樣描述:

物理學(xué)中,將物體溫度升高時吸收的熱量與它的質(zhì)量和升高溫度的乘積之比,叫做比熱容.比熱容在數(shù)值上等于單位質(zhì)量的某種物質(zhì)溫度升高(或降低)1℃所吸收(或放出)的熱量,它是物質(zhì)的一種物理屬性.”

2 對兩種版本教材的綜合利用和改進(jìn)

2.1 實驗視頻輔助實驗演示,巧妙設(shè)問,引發(fā)思考,進(jìn)階處理,幫助學(xué)生發(fā)現(xiàn)物理現(xiàn)象背后的本質(zhì)

學(xué)習(xí)進(jìn)階理論告訴我們,學(xué)習(xí)是一個不斷積累不斷發(fā)展的過程,由淺入深,由點至面,由近及遠(yuǎn),循序漸進(jìn).筆者在實施教學(xué)時,就綜合了兩種版本教材的優(yōu)點,使學(xué)習(xí)逐漸深入.首先按照新版教材的設(shè)計,先用實驗研究“不同物質(zhì)吸熱升溫現(xiàn)象”,再利用實驗視頻巧妙設(shè)計問題,引導(dǎo)學(xué)生思考得出“新的方法”——比較不同物質(zhì)在相同質(zhì)量時升高相同溫度所需要的熱量,就能比較它們的吸熱本領(lǐng).既避開老版教材兩個角度同時探究的復(fù)雜,也避開新教材描點作圖、分析圖像的繁瑣,進(jìn)階處理,思維順暢.即有利于學(xué)生的理解,也使教學(xué)環(huán)節(jié)簡潔,具體教學(xué)過程如下.

先創(chuàng)設(shè)問題情境引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計實驗研究“不同物質(zhì)吸熱升溫的現(xiàn)象”.從實驗搜集的數(shù)據(jù)可以看出“質(zhì)量相等的水和沙吸收相同熱量后沙子的溫度上升得快”.基于實驗過程不能重現(xiàn),筆者播放一段事先錄好的同樣的實驗視頻,在觀察到沙子的溫度上升到40 ℃時暫停視頻,提出問題“要使初溫相同的水也升高到40 ℃應(yīng)怎樣?”學(xué)生立刻回答“對水繼續(xù)加熱”,說明“水需要吸收更多的熱量”,證明“水的吸熱本領(lǐng)比沙子大”.換播“煤油和水吸熱升溫”的實驗視頻,得到的結(jié)論是類似的.由此可見不同物質(zhì)的吸熱本領(lǐng)不同.筆者通過實驗視頻的輔助教學(xué),綜合利用新舊兩個版本的教材,創(chuàng)設(shè)恰當(dāng)?shù)膯栴}情境,以“問題”啟發(fā)學(xué)生思考、分析、總結(jié),直至發(fā)現(xiàn)“新的方法”——比較不同物質(zhì)在相同質(zhì)量時升高相同溫度所需要的熱量就能比較它們的吸熱本領(lǐng).這樣規(guī)避了繁瑣的思維過程和費時費力的描點圖像,降低教學(xué)難度,有助于學(xué)生通過表面現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)本質(zhì)規(guī)律.

2.2 創(chuàng)設(shè)“問題鏈?zhǔn)健闭n堂,引導(dǎo)討論,經(jīng)歷“比值法”建立概念的過程,培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科素養(yǎng)

物理教學(xué)若僅以知識為線索展開,就會導(dǎo)致教學(xué)設(shè)計聚焦于知識,僅僅專注于學(xué)生獲得知識,而忽視物理課程對學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng).為此,必須把培養(yǎng)物理學(xué)科核心素養(yǎng)作為物理教學(xué)的重要目標(biāo),將“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”等物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)落實于教學(xué)活動中.教師引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷物理概念的構(gòu)建過程和物理規(guī)律的形成過程,是發(fā)展“科學(xué)思維”的重要途徑.

“比值法”是物理學(xué)中定義物理概念的一種非常重要的思想方法.科學(xué)合理地實施教學(xué),讓學(xué)生經(jīng)歷從實驗現(xiàn)象到比值法建立物理概念這一重要的科學(xué)探究過程,對正確認(rèn)識概念本身和對學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng)都是大有裨益的.

筆者在實施過程中,結(jié)合初中學(xué)生的學(xué)習(xí)特點和認(rèn)知規(guī)律,設(shè)計如下.

結(jié)合實驗和視頻,請同學(xué)們思考:質(zhì)量是1 kg的A物質(zhì)升高1 ℃需要吸收4.2×103J的熱量,質(zhì)量是1 kg的B物質(zhì)升高1 ℃需要吸收0.92×103J的熱量,A和B哪個吸熱本領(lǐng)大?

引導(dǎo)討論:下列各物質(zhì)與A相比,誰的吸熱本領(lǐng)大?你是怎么比較的?

質(zhì)量是2 kg的C物質(zhì)升高1 ℃需要吸收8.4×103J的熱量;質(zhì)量是1 kg的D物質(zhì)升高3 ℃需要吸收12.6×103J的熱量;質(zhì)量是2 kg的E物質(zhì)升高2 ℃需要吸收16.8×103J的熱量;質(zhì)量是2 kg的F物質(zhì)升高3 ℃需要吸收5.52×103J的熱量.

經(jīng)討論發(fā)現(xiàn): (1) 1 kg的C、D、E都升高1 ℃,需要吸收的熱量與A相同,C、D、E的吸熱本領(lǐng)與A相同;

(2) 同樣的方法發(fā)現(xiàn),F的吸熱本領(lǐng)比A小,但是與B相同;

(3) 在上述演繹過程中,尤其是E、F物質(zhì),實際上計算的是熱量與質(zhì)量、升高溫度的比值.

再討論:如果質(zhì)量是mkg的H物質(zhì)升高Δt℃需要吸收QJ的熱量.如何比較H與A的吸熱本領(lǐng)?

2.3 回歸實驗,認(rèn)識生活,通過問題解決促進(jìn)物理觀念的形成

物理觀念的形成和發(fā)展需要學(xué)生通過物理概念、物理規(guī)律等內(nèi)容的學(xué)習(xí)及應(yīng)用才能逐步形成.在教學(xué)中,通過對物理概念和規(guī)律的逐步學(xué)習(xí)、系統(tǒng)反思和遷移應(yīng)用,可促進(jìn)學(xué)生物理觀念的不斷發(fā)展,使其學(xué)會用這些觀念解釋自然現(xiàn)象,解決生產(chǎn)生活中的實際問題,促進(jìn)物理學(xué)科核心素養(yǎng)的達(dá)成.

本節(jié)得到比熱容的概念以后,再回到實驗現(xiàn)象,反思為什么實驗中的沙子和水升高相同的溫度,水需要吸收更多的熱量?為什么實驗中的沙子和水吸收相同的熱量,沙子的溫度會上升得更快?在經(jīng)過上面一系列的思維過程后,學(xué)生會清楚地意識到上述現(xiàn)象都是因為沙子的吸熱本領(lǐng)(即比熱容)比水小的緣故.

比熱容不僅僅反應(yīng)了物質(zhì)的吸熱本領(lǐng),也反應(yīng)了物質(zhì)的放熱本領(lǐng).

解釋生活現(xiàn)象:為什么在夏天同樣的日照下,海灘邊的沙子比水燙,到傍晚卻比水涼?這是因為沙子的比熱容小,吸熱本領(lǐng)放熱本領(lǐng)都小,沙子的溫度升高得快也下降得快.

前后呼應(yīng)的教學(xué)不僅僅使一節(jié)課顯得非常完整,也使一節(jié)課的主題非常突出.

物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng),要求教師通過物理的教與學(xué),能夠讓學(xué)生形成正確的“物理觀念”,并能用其解釋自然現(xiàn)象和解決實際問題;要求學(xué)生通過學(xué)習(xí)能夠正確運用科學(xué)思維方法,進(jìn)行科學(xué)推理、找出規(guī)律、形成結(jié)論;能夠有對實驗探究過程和結(jié)果進(jìn)行交流、評估和反思的能力.筆者通過對“比熱容”一節(jié)的教材分析與處理發(fā)現(xiàn),這一節(jié)課無不圍繞“核心素養(yǎng)”的培養(yǎng)展開.作為執(zhí)教者,應(yīng)勤于反思、不畏困難、尊重教材,同時還要轉(zhuǎn)變觀念、活用教材,客觀地引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究和物理概念的構(gòu)建過程,才能在真正意義上培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng).