談生活情境促進物理習(xí)題課的深度教學(xué)

江蘇省蘇州市吳江區(qū)盛澤第二中學(xué) 顧曉芳

初中階段的物理課程是基于現(xiàn)象的自然科學(xué)基礎(chǔ)課程，那么，物理習(xí)題同樣要基于物理現(xiàn)象。而物理現(xiàn)象的重要載體離不開物理情境，因此，建構(gòu)恰當(dāng)?shù)奈锢砬榫痴归_物理習(xí)題教學(xué)，能夠有效突出學(xué)生的學(xué)習(xí)主體地位，促進學(xué)生習(xí)題課的深度學(xué)習(xí)。下面以電學(xué)中的一個習(xí)題為例，談?wù)勆钪械奈锢砬榫橙绾斡行Т龠M學(xué)生習(xí)題課的深度學(xué)習(xí)。

一、解析習(xí)題，初步解決問題

例題：電熱水壺是家庭常用的電熱器具，小蘇同學(xué)想通過實驗認識一臺銘牌是“220V 1500W”電熱水壺的效率，他在該壺中裝入2500g 的水后，將其接入家庭電路正常工作。在燒水過程中，小蘇記錄下了不同時刻水的溫度，并繪制出“溫度——時間”圖像，如圖1 所示。請回答：

（1）在AB、BC 兩段過程中，水溫上升快的是哪一段？

（2）從圖中可知，水當(dāng)前的沸點是多少？

（3）該電熱水壺?zé)_這壺水（即從A 到C 的過程中）的效率是多少？〔c水=4.2×103J/（kg·℃）〕

（4）為了提高電熱水壺的效率，請你提出一條合理化的建議。

分析：本題的第1、2 小題考查了學(xué)生的圖像信息識別能力，其中第1 小題重點在于考查比較快慢的方法，這里可采用“相同時間比較升高的溫度”；第2 小題在于考查“沸點”的內(nèi)涵理解。此題的重點是第3、4 小題，計算效率以及提出提高效率的建議。

為了回答第4 小題，教師啟發(fā)學(xué)生積極思考，提出問題：電能為什么會損失？損失的電能轉(zhuǎn)換成什么形式的能？如何減少這些能量的損失？接著引導(dǎo)學(xué)生探討這些問題：電水壺?zé)畷r，先是對水壺進行加熱，然后再由水壺對水進行加熱，因此，水壺自身需要消耗部分電能；其次，溫度較高的水壺還會向周圍溫度較低的空氣進行熱傳遞。進一步追問：水壺自身升溫消耗的電能與向周圍空氣中散失掉的能量哪一個更多呢？為了回答這個問題，教師與學(xué)生一起查找資料得知，一般電熱水壺壺身材料為不銹鋼，不銹鋼的比熱容為0.5×103J/(kg·℃)，不銹鋼壺身的質(zhì)量大約為1kg—1.5kg，由此可以算出，燒開水時不銹鋼壺自身消耗的電能約為Q=cm△t=0.5×103J/(kg·℃) ×1.5kg×(98-20)℃=5.85×104J，只 占電能損失的22.4%，而散失在空氣中的能量大約有2.025×105J，占電能損失的77.6%，散失在空氣中的能量幾乎是壺身吸收能量的3.5 倍。于是，如果要提高電熱水壺效率，可以從壺身消耗電能和向空氣散熱兩個角度進行改進，如減少壺身的不銹鋼材料質(zhì)量，如給壺嘴加蓋等。

二、構(gòu)建情境，深入探究

隨著對題目的深入探討，發(fā)現(xiàn)有更多的疑問需要回答。電熱水壺的散熱多少，除了跟是否加蓋有關(guān)外，還有其他的影響因素嗎？不同功率的電熱水壺，它們的效率又與什么因素有關(guān)呢？然而，這些問題已經(jīng)不是學(xué)生已有知識能夠解決的，純粹的思維探討已經(jīng)無法滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。于是，教師組織學(xué)生帶著這些問題，開啟生活情境中實現(xiàn)科學(xué)探究的習(xí)題課模式。

提出問題：電熱水壺的效率與什么因素有關(guān)？

做出猜想：學(xué)生根據(jù)生活經(jīng)驗提出，電熱水壺的效率可能與水的質(zhì)量和水壺的功率有關(guān)。

實驗設(shè)計：用同一個電熱水壺?zé)_初溫相同、質(zhì)量不同的水，計算出電熱水壺的熱效率；用功率不同、容量相同的電熱水壺?zé)_初溫、質(zhì)量均相同的水，計算出電熱水壺的熱效率。

實驗器材：容量相同但功率不同的新電熱水壺兩只、家用單相電能表、溫度計、電子臺秤等。

探究方式：學(xué)生分組實驗。

考慮到本次實驗探究有如下問題：第一，只有當(dāng)電熱水壺獨立工作時，電能表所記錄的電能才是電熱水壺消耗的電能，如果在家庭中實驗，則很難確保讓電熱水壺獨立工作；第二，家庭電路電壓超過人體安全電壓，學(xué)生在家做實驗，如果沒有教師或家長陪伴，存在安全隱患。因此，本實驗不適合讓學(xué)生在家里完成。為解決上述問題，教師將實驗室的電能表安裝在大小合適的木板上，一頭接上插頭，連到實驗室的插座上，另一頭接上插座，用以接插電熱水壺。

三、實施探究，增強學(xué)習(xí)信度

學(xué)生先用規(guī)格為“1500W 5L”的電熱水壺進行實驗，實驗數(shù)據(jù)和計算結(jié)果記錄在表一中。

根據(jù)表一的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)：同一個電熱水壺，在環(huán)境相同的前提下，水裝得越滿，它的熱效率越高。不過，81.6%、82.4%、83.6%這三個值雖有差異，但是很接近，會不會是實驗誤差導(dǎo)致的呢？為了解答學(xué)生的疑惑，證明這個結(jié)論的可靠性，學(xué)生又用規(guī)格為“2000W 5L”的電熱水壺進行實驗，實驗的數(shù)據(jù)以及計算結(jié)果記錄在表二中。

從表二的實驗數(shù)據(jù)同樣可以看到，電熱水壺的三個熱效率存在著差異，而且差異很明顯，更為重要的是依然得出了盛水量越多電水壺的熱效率越高這個結(jié)果。這兩個實驗數(shù)據(jù)顯示：同一個電熱水壺的熱效率不是固定不變的。

分析：同一個電熱水壺盛不同的水量進行加熱，壺身的吸熱量基本不變，當(dāng)盛水量越多，需要加熱的時間會越長，消耗的電能將越多，散失在空氣的能量也越多，但由于散失在空氣中的能量增長量比水吸熱的增長量要少得多，因此，電熱水壺的熱效率會隨著盛水量的增大而增大。

相同的盛水量，但電熱水壺的功率不同，電熱水壺的熱效率又如何呢？要回答這個問題，只要分析表1和表2 中對應(yīng)的實驗序號就有答案了。

結(jié)論：相同環(huán)境前提下，用功率不同的電熱水壺加熱相同質(zhì)量的水，水吸收的熱量和壺身吸收的熱量都基本相同，功率越大的電熱水壺加熱時間越短，散失在空氣的能量就越少，因此，功率大的電熱水壺的熱效率就越高。

表一

表二

四、展開調(diào)查，拓展學(xué)習(xí)寬度

至此，實驗探究部分已經(jīng)完成，并得到了如下結(jié)論：（1）電熱水壺的電能利用率與水的質(zhì)量有關(guān)，水的質(zhì)量越多，利用率也就越高；（2）電熱水壺功率的大小對電能利用率也有很大的影響，在水的質(zhì)量相同的情況下，功率大的電熱水壺的熱效率就越高（2000W 的電熱水壺的利用率比1500W 的要提高近10%）。現(xiàn)在，學(xué)生很想知道，平時人們使用電熱水壺的習(xí)慣是怎么樣的？是否會關(guān)注能源的利用率？

為此，學(xué)生設(shè)計了一張調(diào)查表進行問卷調(diào)查，調(diào)查結(jié)果統(tǒng)計如表三：

表三（調(diào)查人數(shù)：100 人）

從調(diào)查統(tǒng)計可以看出，大多數(shù)人生活中有節(jié)能意識，但是具體的行為卻并不一定能夠做到，主要原因是缺乏節(jié)能的相關(guān)知識。因此，學(xué)生覺得節(jié)能、環(huán)保、低碳生活應(yīng)該落實到行動中。

體驗式的情境探究學(xué)習(xí)，尤其是與學(xué)生生活息息相關(guān)的情境學(xué)習(xí)，有利于檢驗并鞏固學(xué)生的理論知識，培養(yǎng)并鍛煉學(xué)生的組織與合作能力，鼓勵并挖掘?qū)W生勇于質(zhì)疑、敢于探索的內(nèi)在潛質(zhì)，促進學(xué)生的深度學(xué)習(xí)，厚實學(xué)生學(xué)習(xí)素養(yǎng)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)能力。