初中物理“比熱容”教學(xué)中的概念易錯(cuò)點(diǎn)分析及實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

曹可攀, 黃致新

摘? ?要：科學(xué)思維是物理學(xué)科核心素養(yǎng)中的關(guān)鍵能力，而物理概念課是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的重要載體。實(shí)際教學(xué)中，概念的學(xué)習(xí)如不考慮學(xué)生思維認(rèn)知的特點(diǎn)，當(dāng)學(xué)生面對(duì)跳躍性或是模糊性的知識(shí)時(shí)，就容易產(chǎn)生易錯(cuò)點(diǎn)。以“比熱容”概念的教學(xué)探討為例展開論述，將學(xué)生的易錯(cuò)點(diǎn)進(jìn)行歸因分析，根據(jù)易錯(cuò)的本質(zhì)原因，在更加符合學(xué)生認(rèn)知能力和認(rèn)知規(guī)律的基礎(chǔ)上對(duì)教材中的有關(guān)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，為一線教師提供參考。

關(guān)鍵詞：科學(xué)思維;物理概念;吸熱能力;吸熱快慢

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-6148（2022）5-0049-4

科學(xué)思維是對(duì)客觀事物本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認(rèn)識(shí)方式，是物理學(xué)習(xí)中學(xué)生必備的核心素養(yǎng)，主要包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證和質(zhì)疑創(chuàng)新等要素。在初中物理教學(xué)中，培養(yǎng)與提高學(xué)生的科學(xué)思維能力，物理概念教學(xué)是重要載體。物理概念是一類物理現(xiàn)象和物理過(guò)程的共同屬性和本質(zhì)特征在人們頭腦中的反映，是對(duì)物理現(xiàn)象和物理過(guò)程的抽象化和概括化的思維形式。在初中物理概念教學(xué)中讓學(xué)生進(jìn)行自主思維活動(dòng)，可促進(jìn)學(xué)生思維能力和思維品質(zhì)的提高，促進(jìn)學(xué)生自主認(rèn)識(shí)物理現(xiàn)象和物理過(guò)程的本質(zhì)，掌握科學(xué)方法，提高科學(xué)素養(yǎng)[1]。物理概念的教學(xué)一直都是初中物理教學(xué)的重點(diǎn)，而這些物理概念往往也很容易成為學(xué)生的易錯(cuò)點(diǎn)。

1? ? 問(wèn)題的提出

在人教版九年級(jí)物理第十三章第3節(jié)“比熱容”的學(xué)習(xí)中，教材主要是通過(guò)“比較不同物質(zhì)吸熱的情況”[2]的實(shí)驗(yàn)（圖1）來(lái)引導(dǎo)學(xué)生分析總結(jié)出不同物質(zhì)具有不同的吸熱能力，從而引出比熱容的概念。教學(xué)中通過(guò)電加熱器分別對(duì)相同質(zhì)量的水和食用油進(jìn)行加熱，當(dāng)升高相同溫度時(shí)來(lái)比較吸熱的多少，從而得出不同物質(zhì)吸熱能力不同的結(jié)論。教師在新課授課時(shí)一般還會(huì)進(jìn)行拓展，介紹另一種比較的方法：控制水和食用油的質(zhì)量相同，加熱相同的時(shí)間來(lái)比較兩種物質(zhì)升高的溫度，從而得出結(jié)論。在教學(xué)中這兩種方法學(xué)生都容易理解和接受，但面對(duì)物質(zhì)吸熱多少和物質(zhì)吸熱能力時(shí)，學(xué)生卻反復(fù)出錯(cuò)。很多學(xué)生對(duì)物質(zhì)吸收熱量的判斷存在問(wèn)題，他們往往是根據(jù)加熱過(guò)程中物質(zhì)溫度變化的高低來(lái)比較吸收熱量的多少。而且對(duì)吸熱能力的理解也有偏差，他們認(rèn)為兩種物質(zhì)吸熱快慢不一定相同，也就無(wú)法用吸熱多少比較吸熱能力。因此，吸熱多少和吸熱能力這兩個(gè)物理概念就成為了本節(jié)內(nèi)容中的易錯(cuò)點(diǎn)。

2? ? 產(chǎn)生問(wèn)題的原因分析

對(duì)于易錯(cuò)點(diǎn)，首先要分析產(chǎn)生錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)的原因，找到學(xué)生出現(xiàn)理解偏差的本質(zhì)原因，才能引導(dǎo)學(xué)生分析物理概念的本質(zhì)，形成正確的科學(xué)觀念。在“吸熱多少”這個(gè)易錯(cuò)點(diǎn)當(dāng)中，學(xué)生判斷吸收熱量的多少都與溫度聯(lián)系在一起，這其中有兩個(gè)原因：其一，學(xué)生現(xiàn)有的感性認(rèn)識(shí)。好比一瓶水加熱到50攝氏度肯定比加熱到40攝氏度吸收的熱量多，根據(jù)生活中的體驗(yàn)，物體溫度升高越多意味著吸收的熱量就越多。其二，學(xué)生對(duì)物體內(nèi)能、溫度、熱量等相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)與理解。對(duì)于同一物體而言，溫度越高的物體內(nèi)能就越大，熱傳遞作為改變內(nèi)能的方式之一，在熱傳遞過(guò)程中內(nèi)能的變化是通過(guò)熱量在轉(zhuǎn)移，所以升高溫度的多少就是吸收熱量多少的宏觀表現(xiàn)。然而，在熱傳遞的過(guò)程中，對(duì)于不同物質(zhì)而言，溫度變化的多少就不能去衡量熱量的多少了。

為了讓學(xué)生能對(duì)不同物質(zhì)吸收熱量多少進(jìn)行判斷，在人教版教材中把物質(zhì)吸收熱量的多少轉(zhuǎn)換成了物質(zhì)加熱時(shí)間的多少。在人教版課本實(shí)驗(yàn)中，為了讓學(xué)生接受物質(zhì)吸收熱量和時(shí)間有關(guān)，教材里面專門交代了 “電加熱器每秒放出的熱量是一定的，當(dāng)它浸沒在液體中時(shí)，可認(rèn)為液體每秒吸收的熱量相同”[2]。在比較不同物質(zhì)吸熱情況的演示實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，采用相同規(guī)格的電加熱器進(jìn)行加熱，根據(jù)焦耳定律（九年級(jí)物理第十八章第4節(jié)）我們可以知道電加熱器每秒產(chǎn)生的熱量是相同的。再根據(jù)熱平衡原理Q■=Q■，則可以推理出物體每秒吸收的熱量也是相同的，換言之，液體吸收熱量的快慢是相同的。這樣的安排看似解決了學(xué)生對(duì)吸熱多少的判斷問(wèn)題，但卻引出了新的物理問(wèn)題——吸熱快慢，而對(duì)新的物理問(wèn)題沒有去探究和解釋，反而使一些有想法的學(xué)生產(chǎn)生了疑惑。

在“吸熱能力”這個(gè)易錯(cuò)點(diǎn)當(dāng)中，主要原因是學(xué)生沒有經(jīng)歷科學(xué)思維的過(guò)程，憑借自己的感性認(rèn)識(shí)把物質(zhì)吸熱能力理解成物質(zhì)吸熱快慢。這些學(xué)生錯(cuò)誤地認(rèn)為物體溫度上升快，說(shuō)明物體吸收熱量就快，物體吸熱能力就越強(qiáng)。同時(shí)，教材中也沒有對(duì)吸熱快慢進(jìn)行任何敘述和解釋，教師在授課時(shí)也沒有對(duì)吸熱快慢進(jìn)行講解，導(dǎo)致這種錯(cuò)誤的認(rèn)知一直影響這些學(xué)生。

通過(guò)對(duì)學(xué)生以上兩個(gè)易錯(cuò)點(diǎn)的分析，不難得出錯(cuò)誤的根本原因就是學(xué)生對(duì)于吸熱快慢的理解出現(xiàn)了問(wèn)題。物體吸熱快慢不屬于初中物理研究的范疇，實(shí)際教學(xué)中很多教師和學(xué)生都沒有接觸吸熱快慢這個(gè)概念。從科學(xué)本質(zhì)的角度，要真正弄懂和理解為什么不同物質(zhì)吸收熱量的多少與加熱的時(shí)間有關(guān)系，又勢(shì)必會(huì)引出物質(zhì)吸熱快慢的問(wèn)題。但是，學(xué)生沒有經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)探究、分析歸納、科學(xué)推理等一系列的科學(xué)思維，對(duì)于教材中直接給出的液體吸熱快慢相同這一結(jié)論，學(xué)生很難去想象和理解，而且對(duì)物質(zhì)吸熱快慢和吸熱能力的概念造成混淆，就形成了知識(shí)的易錯(cuò)點(diǎn)。

3? ? 解決問(wèn)題的策略和方法

為了解決在實(shí)際教學(xué)中出現(xiàn)的這些問(wèn)題，筆者借鑒相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[3-4]對(duì)教材中的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)，將吸收熱量的多少轉(zhuǎn)換成熱水降低的溫度，實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。在一個(gè)密閉的容器內(nèi)（保溫杯），裝入適量的熱水，控制好熱水的初溫，把相同質(zhì)量、相同溫度的水和食用油分兩次用試管放入密閉容器內(nèi)進(jìn)行加熱。兩次實(shí)驗(yàn)都要控制熱水的質(zhì)量和初溫相同，當(dāng)熱水的溫度每降低3 ℃時(shí)，記錄水和食用油的溫度變化。

實(shí)際操作如下：

（1）取兩支相同的試管，在試管口各塞上一個(gè)橡皮塞，在橡皮塞上打孔，將溫度計(jì)通過(guò)橡皮塞上的小孔插入試管中，在兩支試管內(nèi)分別裝入質(zhì)量相等的水和食用油。703BF590-C796-4438-808F-FBA4B9A1BD22

（2）在一塊木板上鉆2個(gè)孔，大孔剛好插入試管、小孔剛好插入溫度計(jì)即可。

（3）將裝有水的試管插入大孔中固定好，試管口塞上塞子，并使溫度計(jì)的玻璃泡與液體充分接觸，小孔中插入溫度計(jì)。然后，在密閉的容器（保溫杯）中倒入適量熱水，將插好試管和溫度計(jì)的木板蓋在保溫杯杯口，記錄此時(shí)兩支溫度計(jì)的示數(shù)。

（4）可以觀察記錄試管內(nèi)的水升高一定的溫度時(shí)，試管外熱水降低的溫度;也可以控制試管外熱水降低的溫度，記錄試管內(nèi)的水升高的溫度。

（5）取出裝有水的試管，并將保溫杯中的熱水倒出，重復(fù)以上（3）（4）操作。（將裝有食用油的試管插入大孔中固定好，試管口塞上塞子，在保溫杯中倒入初溫和質(zhì)量都一樣的熱水，將插好試管和溫度計(jì)的木板蓋在保溫杯杯口。觀察記錄試管內(nèi)的食用油升高一定的溫度時(shí)，試管外熱水降低的溫度;也可以控制試管外熱水降低的溫度，記錄試管內(nèi)的食用油升高的溫度[3]。）

注意事項(xiàng)：

（1）實(shí)驗(yàn)時(shí)試管中液體的質(zhì)量要適量，以保溫杯中的熱水液面超過(guò)或剛好等于試管中兩種液體的液面為好。

（2）實(shí)驗(yàn)中使用的熱水溫度不要太高（約60 ℃），同時(shí)試管的橡皮塞應(yīng)塞緊，減少熱散失。特別是裝水的試管，要防止出現(xiàn)水加熱汽化，水蒸氣對(duì)外做功將塞子彈出去的情況發(fā)生[4]。

教材中的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)比如表1所示。

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)先解決了吸熱多少的問(wèn)題，再通過(guò)測(cè)量吸熱的時(shí)間順理成章地解決了吸熱快慢的問(wèn)題。而人教版教材直接告知吸熱快慢是相同的，然后通過(guò)加熱時(shí)間判斷吸熱多少，對(duì)吸熱快慢這個(gè)概念有意回避。吸熱快慢的影響因素很復(fù)雜，比如在發(fā)生熱傳遞時(shí)，高溫物體與低溫物體之間的溫度差會(huì)影響到低溫物體的吸熱快慢。水和食用油在吸熱的過(guò)程中，水的溫度上升慢，食用油的溫度上升快，那么水與電加熱器之間的溫度差一直在變化，水吸熱的快慢也在不斷變化，同理可知食用油吸熱的快慢也在不斷變化。按照教材中的解釋，水和食用油吸熱快慢是相同的，那水和食用油在加熱的過(guò)程中其吸熱快慢的變化也應(yīng)該都是相同的。當(dāng)然，很多物理實(shí)驗(yàn)可以進(jìn)行理想化的處理，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中是可以忽略一些影響不大的因素，比如加熱過(guò)程中水和食用油散熱的問(wèn)題。關(guān)于教材中本節(jié)實(shí)驗(yàn)的處理，也不排除是編者在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)考慮到了吸熱快慢的問(wèn)題，但在電加熱器加熱的過(guò)程中電加熱器的溫度可以高達(dá)1000 ℃左右，所以電加熱器與水的溫差Δt1和電加熱器與食用油的溫差Δt2之間的差距比較小，可以忽略不計(jì)，從而近似地認(rèn)為加熱過(guò)程中水和食用油的吸熱快慢是相同的。但是，對(duì)于物理概念的建立，只有親身體驗(yàn)之后，學(xué)生才會(huì)有更深刻的感受，才會(huì)提出新猜想、新假說(shuō)，提出有意義、有價(jià)值的問(wèn)題。精心地設(shè)計(jì)和引導(dǎo)他們對(duì)所觀察到的、了解到的問(wèn)題進(jìn)行思考，從而提升學(xué)生的提問(wèn)思維水平，培養(yǎng)正確的科學(xué)研究態(tài)度，引發(fā)強(qiáng)烈的求知欲，不斷提出很多新的問(wèn)題，也能引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)用發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的眼光去看待事物[5]。

4? ? 結(jié)? 語(yǔ)

通過(guò)這種改進(jìn)不僅能有效解決吸熱快慢帶來(lái)的干擾問(wèn)題，而且把吸收熱量的多少轉(zhuǎn)換成放熱物體的溫度變化，更加符合學(xué)生的認(rèn)知，更能讓學(xué)生接受和理解，而且也不需要牽涉到還沒學(xué)習(xí)的電學(xué)知識(shí)，也符合物理學(xué)科由易到難的知識(shí)特點(diǎn)。同時(shí)，在改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中鼓勵(lì)學(xué)生去質(zhì)疑不同物質(zhì)的吸熱快慢是否相同，培養(yǎng)初中生批判性思維，讓學(xué)生在理解事物的基礎(chǔ)上善于質(zhì)疑辨析，在質(zhì)疑辨析中加深對(duì)深層知識(shí)和復(fù)雜概念的理解[1]，這樣更有利于對(duì)學(xué)生物理觀念、科學(xué)思維的培養(yǎng)。由于條件所限，圖2中的裝置因散熱、測(cè)溫時(shí)間等因素對(duì)實(shí)驗(yàn)會(huì)有一定的影響，但不影響實(shí)驗(yàn)結(jié)論，如果改用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)器材，將得到更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，解決學(xué)生的疑惑，引導(dǎo)學(xué)生質(zhì)疑分析，將更加有效地促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展[6]。

參考文獻(xiàn)：

[1]葉成林.聚焦物理概念建構(gòu)的初中生科學(xué)思維能力提高策略——以蘇科版初中物理教材中的物理概念建構(gòu)為例[J].物理教師，2020，41（8）：49-52.

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[3]胡世龍.基于多版本教材中“比較不同物質(zhì)的吸熱能力”實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)分析與改進(jìn)[J].物理教學(xué)探討，2013，31（10）：25，27.

[4]姜文俊.物質(zhì)的比熱容演示實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)[J].中學(xué)物理，2013，31（10）：30.

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[6]張杰.大數(shù)據(jù)視野下借助數(shù)字化物理實(shí)驗(yàn)深度開發(fā)初中生科學(xué)思維的探討[J].物理教學(xué)，2018，40（8）：49-50，13.

（欄目編輯? ? 劉? ?榮）703BF590-C796-4438-808F-FBA4B9A1BD22