挖掘實驗內(nèi)涵發(fā)展學生科學思維能力

翟磊

摘 要：本文以“焦耳定律實驗”教學為例，談談如何通過深入挖掘實驗內(nèi)涵，聚焦科學方法，充分發(fā)揮探究實驗的重要作用，促進學生科學思維能力的發(fā)展.

關鍵詞：探究實驗;科學方法;科學思維能力

文章編號：1008-4134（2020）12-0055中圖分類號：G633.7文獻標識碼：B

科學思維是物理學科的核心素養(yǎng)之一，是學生應對未來快速發(fā)展的世界、維持自身可持續(xù)發(fā)展應具備的關鍵能力.但初中物理教學實踐中如何培養(yǎng)學生的科學思維這一核心素養(yǎng)中的關鍵能力，面臨諸多困難和挑戰(zhàn)，筆者以初中物理“焦耳定律實驗”的教學為例，來談談如何通過挖掘實驗內(nèi)涵，發(fā)展學生的科學思維能力.

焦耳定律是初中物理的重點內(nèi)容，是能量守恒定律在電能和內(nèi)能轉化中的具體體現(xiàn)，蘊含著豐富的科學思想和科學方法要素，深刻揭示了客觀事物之間的內(nèi)在聯(lián)系，而其中的實驗探究過程更是發(fā)展學生科學思維的高價值素材，本文從三個方面介紹焦耳定律實驗的設計思路與實施策略.

1 明確要探究的問題，抓住科學思維的關鍵線索

焦耳定律實驗的目的是讓學生經(jīng)歷探究“電流通過導體產(chǎn)生的熱量與通過導體的電流、導體的電阻以及通電時間的關系”的過程，為再“發(fā)現(xiàn)”焦耳定律奠定基礎，同時學習科學探究的基本方法.為保證探究的順利進行，首先要明確提出探究的問題，從而為后續(xù)探究指明方向.根據(jù)提出科學問題的原則，要將復雜的多因素問題轉化為單因素問題，也就是只含一個自變量的問題.針對焦耳定律實驗的目的，可以由教師提出或引導學生明確提出如下三個問題：（1）電流通過導體產(chǎn)生的熱量與通過導體的電流有什么關系？（2）電流通過導體產(chǎn)生的熱量與導體的電阻有什么關系？（3）電流通過導體產(chǎn)生的熱量與通電時間有什么關系？然后針對這三個問題分別設計實驗探究方案.設計實驗探究方案是發(fā)展學生科學思維能力最重要的環(huán)節(jié)，如何引導學生抓住設計方案中科學思維的關鍵線索至關重要.在多年教學實踐探索過程中，我們總結了如圖1所示的科學思維引導框圖，利用這個框圖引導學生分別識別每一個探究問題中的因變量、自變量和控制變量，以及后續(xù)怎樣處理這三類變量，這樣就幫助學生抓住了實驗設計中最關鍵的科學思維線索.實踐證明這種方法非常有效，學生真正理解了實驗設計到底要干什么以及怎樣去做，因此很快就能遷移到其他實驗探究中.

2 理清邏輯關系，突破思維難點

控制變量法和轉換法是兩種重要的科學方法，對這兩種方法的深入理解與遷移應用是提高學生問題解決能力的基礎，是促進學生科學思維能力發(fā)展的橋梁.在焦耳定律實驗中，由于電流通過導體產(chǎn)生的熱量Q放的影響因素不止一個，包括電阻R、通過導體的電流I以及通電時間t等因素，因此在實驗中需要對除自變量之外的其他影響Q放的變量進行控制.問題（1）中的控制變量是R和t;問題（2）中的控制變量是I和t;問題（3）中的控制變量是R和I.另外，由于該實驗的因變量Q放無法直接測量，需要將其轉換為其他的物理量，該實驗是用燒瓶內(nèi)煤油升高的溫度Δt的大小來衡量電流通過導體產(chǎn)生的熱量Q放的多少，所需要的主要實驗器材如圖2所示（該實驗的其他常規(guī)器材略），這也是目前在初中物理教學中較為典型的一種實驗裝置，其中瓶內(nèi)液體通常用煤油.

該實驗中為什么可以用燒瓶內(nèi)煤油升高溫度的大小來衡量電流通過電阻絲放出熱量的多少？其依據(jù)是什么？許多教師在教學過程中忽視對上述問題的思考與設計，使得學生對其中的原因認識不清，也就難以學會其中蘊含的科學方法，不利于學生科學思維能力的發(fā)展.為了幫助學生理清其中的邏輯關系，突破學生的思維障礙，使其不僅知其然還要知其所以然，進行了如下的設計：

教師提問：該實驗中的吸、放熱過程是如何進行的？

學生回答：電流通過導體放熱，煤油吸收.

教師追問：他們之間存在怎樣的關系？

學生回答：在不考慮熱損失的情況下，可近似認為Q吸=Q放.

教師引導學生回答：依據(jù)公式Q吸=cmΔt，可以找到Q吸與Δt的對應關系;又由于Q吸=Q放，由此可找到Q放與Δt的對應關系，即電流通過導體放出的熱量的多少Q(mào)放可以轉換為煤油升高的溫度Δt的大小，其內(nèi)在的邏輯關系如圖3所示.

為了使學生明確將Q放轉換為Δt成立的條件，對該實驗中需要控制的變量有更加全面的認識，進行了如下設計：

教師提問：如果兩個燒瓶內(nèi)裝的是不同種液體，那么升高溫度高的液體吸收的熱量是否一定比另一種液體吸收的熱量多？

學生回答：當液體的c或m 不相同時，升高溫度高的液體吸收的熱量不一定比另一種液體多.例如質量相等的煤油和水，即使煤油升高的溫度高，它吸收的熱量也不一定比水多.

教師追問：需要滿足什么條件時，升高溫度高的液體其吸收的熱量比另一種液體多？

教師引導學生回答：當c和m 相同時，由公式 Q吸=cmΔt 可知，此時的Q吸與Δt才滿足一一對應關系，即升高溫度高的液體吸收的熱量多，進而使得Q放與Δt滿足一一對應關系，使Q放轉換為Δt成立.

通過上述的分析，可以更好地幫助學生理解用液體升高溫度的大小反應導體放出熱量的多少成立的條件，也有助于學生進一步理解控制變量c和m的目的是將Q放轉換為Δt（見表1）.

教師提問：本實驗中的吸熱物質選用的是煤油，用水可以嗎？

這一問題引發(fā)了學生的熱烈討論，有的學生認為：煤油的比熱容小于水的比熱容，由公式Q吸=cmΔt可知，相同質量的煤油和水升高相同溫度，煤油吸收的熱量少，需要的加熱時間短，能夠節(jié)約時間，還可以減少散熱損失，所以應該用煤油.而有的學生則認為，選用水也可以，而且用水更便宜，至于加熱時間長的問題，可以通過換功率更大的電阻來解決.

教師提問：本實驗中將Q放轉換為Δt的前提是電熱絲放出的熱量全部被煤油吸收，想一想，實驗器材還有沒有值得改進的地方？

學生討論后回答：裝煤油的燒瓶的保溫效果不好，熱量散失比較多，如果改用真空保溫杯，保溫效果會好很多，電熱絲放出的熱量就幾乎全部被煤油吸收，這樣就可以減小實驗誤差.

為了更好地幫助學生理解實驗的原理本質，理清各物理量之間的邏輯關系，教師利用下面的表1，引導學生對整個實驗的關鍵問題進行梳理.

3 及時遷移應用，促進鞏固內(nèi)化

為了促進學生對焦耳定律實驗本質的理解和內(nèi)化，對實驗中蘊含的科學方法及時有效地進行遷移和應用，提高學生的問題解決能力，筆者設計了如下實驗設計的任務：實驗桌上有水、燒杯、溫度計、鐵架臺，分別裝有相同質量酒精燃料的酒精燈和煤油燃料的煤油燈，請你利用上述器材設計實驗比較煤油和酒精這兩種燃料的熱值.

解決此題的關鍵是如何比較酒精和煤油放出熱量的多少.教師可以啟發(fā)引導學生遷移焦耳定律實驗的設計思路，將燃料燃燒放出的熱量Q放轉換為水吸收的熱量Q吸，依據(jù)公式Q吸=cmΔt，就可以利用水升高的溫度Δt的大小衡量水吸收的熱量Q吸的多少，進而衡量燃料放出的熱量Q放的多少.即通過比較質量相同的水升高溫度的多少比較燃料放出熱量的多少，實現(xiàn)燃料熱值的比較，其內(nèi)在的邏輯關系如圖4所示，實驗裝置如圖5所示.

在反饋糾正學生的實驗設計時，進一步追問學生這個實驗將燒杯改為雙層玻璃保溫杯是否可以？理由是什么？你有哪些改進實驗的建議？通過這些開放性問題引發(fā)學生持續(xù)思考，這是發(fā)展學生科學思維的重要途徑.

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（收稿日期：2020-03-13）