基于實驗改進和顯化科學方法來學習比熱容*

王宇航

(北京市育英學校 北京 100036)

王志茜

(北京市西城外國語學校 北京 100044)

基于實驗改進和顯化科學方法來學習比熱容*

王宇航

(北京市育英學校 北京 100036)

王志茜

(北京市西城外國語學校 北京 100044)

針對“比熱容”的教學現狀，提出了實驗改進措施和顯化科學方法的分析，從而提出全新的教學設計，并在教學實踐中進行嘗試.在這樣的教學設計和實踐中，學生們經歷了建構比熱容概念的完整過程并且感悟了物理學家在科學探索中的研究方法.

比熱容 實驗改進 科學方法

1 “比熱容”的教學現狀分析

《義務教育物理課程標準(2011年版)》對比熱容的教學要求如下：“通過實驗，了解比熱容，嘗試用比熱容說明簡單的自然現象.”[1]從各版本教材中的實驗來看[2]，研究對象有水和食用油(或煤油) 、水和沙子這兩種， 加熱方式有電加熱器和酒精燈加熱兩種.

深入分析各版本教材和實驗，我們不難發現，不同版本教材中的實驗都是圍繞“比較不同物質的吸熱能力”而展開.如上所述的實驗確實讓學生相信不同物質的吸熱能力不同，但它們操作麻煩且學生不易觀察.

在實際教學中，由于缺乏不同物質吸收熱量與質量和溫度變化乘積的比值不變這樣的定量實驗，學生們往往是在教師的引導下，在腦海中“想”這樣的實驗.雖然也有教師借助一些編好的實驗數據或者類比生活中的實例[2,3]來幫助學生理解比值不變這個物質特性，但學生們內心深處很難真正認可.所以，比熱容的概念建構往往是不了了之，學生們只得以記憶代替了建構，用做題來理解和記憶概念.

2 對“比熱容”教學的實驗改進和科學方法分析

2.1 對“比熱容”的實驗改進

在 “比較不同物質的吸熱能力”實驗的改進過程中，我們摒棄了電加熱器和酒精燈加熱的方法.我們在不銹鋼鍋中放入兩個相同的燒杯，燒杯內已分別裝入初溫相同的80 g的水和煤油，水和煤油中插入“郎威”系列高科技產品之中的溫度傳感器，溫度傳感器連結數據采集器.借助“郎威”數據采集器的外接端口，把數據直接顯現在大屏幕上.待裝置組裝完成后，往鍋內直接倒入接近100 ℃的熱水，使熱水水面高度迅速超過燒杯中的液面高度.從實驗效果來看，煤油和水的溫度迅速升高；從溫度變化來看，不到2 min時間，煤油的溫度變化已經明顯高于水的溫度變化.

關于水吸收熱量多少的問題，長期以來在教學實踐中我們是借助加熱時間相同來定量研究的.但由于加熱條件的限制，在常規教學中很難創設出讓加熱源均勻放熱的條件，所以借助加熱時間來定量研究吸熱多少是非常粗糙的做法.同時，實際加熱過程中由于水的溫差和散熱，也很難創設出液體均勻吸熱的條件.怎樣盡可能保證加熱源均勻放熱和水均勻吸熱呢？在實驗改進中，我們采用能直接顯示壺內水溫的電熱水壺作為加熱源，繼而借助加熱時間的長短來定量比較水吸熱多少[4].

2.2 對“比熱容”的顯化科學方法分析

在教學過程中開展科學方法教育，必須結合教材來進行.教材中研究物理學所應用的基本方法有常規方法——觀察、實驗、邏輯思維(分析、綜合、歸納、演繹、類比、理想化方法等)、數學方法，以及非常規方法——直覺、猜想、靈感，等等[5].我們認為，這些基本方法對比熱容的學習依然適用.

比熱容是初中物理教學中最復雜的一個概念.比熱容概念的建立涉及不同物質吸收熱量與質量和溫度變化乘積的比值不變.從學生認知來說，從最初涉及兩個物理量比值不變的密度到涉及3個物理量比值不變的比熱容，他們對比值定義法的認識和理解也是在逐步加深.我們認為，比熱容的教學中要重視和突出比值定義法的作用.進行比熱容的相關實驗時，我們把不同物質吸收熱量的多少問題轉換為加熱時間長短的問題，所以比熱容的教學也要重視轉換法的作用.

3 教學設計與實踐

筆者力求通過下面的文字客觀展現本節課的教學設計和實踐過程，以及個別環節學生們現場的反應.在以下行文中，我們以“展示”來展現本環節中教師借助PPT或者語言展示、講述的基本內容，以“問題”來展現本環節中教師借助PPT或者語言展示的核心問題.在每一個問題后面，給學生留有思考時間，要求學生首先自己靜心思考，在自我思考的基礎上小組討論達成一致，如果小組之間不能達成一致則全班學生一起討論.

問題1：不同種類物質的吸熱能力是否相同？

對于這個問題，學生們均認可不同種類物質的吸熱本領不同.

問題2：怎樣展現不同種類物質的“吸熱能力”？

教師要求學生借助物理語言來描述這個略帶生活性質的隨意用語.學生們積極思考、討論.有學生提出用升溫多少來表示，有學生提出用吸收熱量多少來表示.也有學生提出質疑，沒有任何前提就這樣比較太不合理，比如一盆水和一滴油怎么能比較吸熱本領？也有學生提出，對于不同種類的物質必須要有合理的比較標準.

在討論過程中，教師引導學生把思維聚焦到不同物質要有合理的比較標準上.學生們逐漸達成共識，對于不同種類物質，要讓它們的質量和初溫相同才可以.但也有學生提出，對于不同種類物質，要讓它們的體積和初溫相同.關于吸熱能力，學生們逐步明確，讓質量和初溫相同的不同物質，變化相同的溫度，看它們吸收熱量多少是否相同.

問題3：怎樣比較不同種類物質吸收熱量多少是否相同？

教師明確告訴學生，現階段沒有能直接測量吸收熱量多少的裝置.這個問題更加激起了學生們的興趣，他們思考和發言更加熱烈.有學生立即提出可以使用相同的酒精燈加熱，有學生補充還要同時加熱，但有學生馬上質疑就算酒精燈一樣也不能保證酒精燈的火焰相同.關于酒精燈加熱的問題，學生們意識到了很多困難.隨即又有學生提出用相同的熱得快加熱.在討論中，學生們逐漸認可到電加熱的優點很多.可以使用電加熱的方式.

展示1：教師展示“比較不同物質的吸熱能力”改進實驗.

問題4：從這個實驗中能得到什么結論？

學生們一致認可：煤油的溫度變化比水快，它們的吸熱能力不同.

問題5：水和煤油哪一個吸熱能力大？

有學生提出煤油的吸熱能力大.但立即就有學生提出，如果讓水的溫度變化和煤油一樣，則需要更長的加熱時間，水吸熱能力大. 學生們再次陷入思考，但很快他們達成共識：對于相同質量的水和煤油來說，水的吸熱能力大.

展示2：“吸熱能力”是個模糊的生活用語，但經過大家的思考和討論，能用物理知識來描述它了.借助實驗，得到了可靠的結論.實驗中，把“吸收熱量多少”的問題轉換為“加熱時間長短” 的問題，同時在實驗基礎上進行了邏輯推理.

問題6：對同一種物質來說，有哪些因素會影響吸熱多少？

討論中，學生們明確了質量和溫度變化兩個因素.但也有學生提出，都是水組成，但冰和水是不同的.教師明確告訴他，可以先不考慮涉及物態變化的問題.

問題7：對同一種物質來說，吸熱多少與質量和溫度變化有什么定性關系？

結合生活常識，學生們達成共識.教師展示了他們的討論結果.

展示3：對同一種物質，其質量、溫度變化與吸收熱量有下面幾種關系.

(1)在質量一定的時候，溫度變化越大則吸收熱量越多；

(2)在溫度變化一定的時候，質量越大則吸收熱量越多；

(3)質量越大、溫度變化越大則吸收熱量越多.

問題8：對同一種物質來說，吸收熱量多少與質量和溫度變化有定量關系嗎？

教師舉例，比如質量很大的水溫度變化不大，質量小的水溫度變化大，它們吸收的熱量可能相同嗎？學生們猜測它們吸熱可能相同.

問題9：以水為例，怎樣定量展示加熱過程中吸收熱量多少？

學生們一致認可，可以使用電加熱的方式，看加熱時間的長短.

展示4：教師展示使用電熱水壺加熱水的實驗.

問題10：從這個實驗中能得到什么結論？

由于涉及加熱時間、質量和溫度變化3個因素，學生們暫時沒有發現規律.

展示5：教師借助Excel軟件直接計算“加熱時間與質量和溫度變化乘積的比值”.

面對這樣的結果，學生們忍不住發出了“啊”的聲音.有一些課前預習過的學生恍然大悟地說，“書上的原來是這個意思！”

問題11：0.003 9s/(g·℃)告訴你什么信息？

學生們意識到，水在吸熱升溫過程中，加熱時間與質量和溫度變化乘積的比值基本不改變.換言之，對水來說，加熱過程中吸熱多少與質量和溫度變化乘積的比值不變.

問題12：其他物質是否也具有類似性質？

展示6：閱讀課本相關內容，畫出重點，提出疑問，并且完成課本上的練習題.

展示7：以水為例，我們驚奇地發現，加熱過程中吸熱多少與質量和溫度變化乘積的比值竟然不變！而對不同物質來說，這個比值是不同的.看來這個比值是反映物質自身性質的物理量.這個比值就是描述物質吸熱能力的比熱容.此前所學的密度也有類似的性質.密度和比熱容都屬于物理學中的比值定義法.

問題13：比熱容的單位是什么？

問題14：比熱容的物理意義是什么？

展示8：可以借助上述的比值定義法得出比熱容的實際測量方法；可以用吸收熱量多少、質量和溫度變化量的單位推理得到比熱容的單位.

4 教學反思

在進行如上所述的教學設計和實踐時，我們試圖借助問題引導學生將思維聚焦于怎樣把“吸熱能力”這個口頭化的語言轉變為可測量的物理量上.在思考討論過程中，學生們逐漸把一個個模糊問題清晰化，并且結合所學知識提出合理的實驗方案.他們經歷了去偽存真、去粗存精的思考過程.改進后的實驗又震撼了學生們，從實驗數據中他們驚奇地發現，對水來說，加熱過程中吸熱多少與質量和溫度變化乘積的比值不變！回顧整節課，他們真正經歷了建構比熱容概念的完整過程，感悟了物理學家在科學探索中的研究方法.

回顧教學過程，我們也有遺憾.當學生們看到0.003 9這個數據時，忍不住發出了“啊”的聲音，作為教師，學生們這樣的學習狀態讓我們激動和興奮.但我們也在想，怎樣才能使學生們自己透過幾組數據發現這個隱藏的秘密呢？

1 中華人民共和國教育部制定.義務教育物理課程標準(2011年版).北京：北京師范大學出版社，2012.21

2 朱文軍．比熱容教學的深度備課．物理教學，2014(02)：32～34

3 邢紅軍.初中物理高端備課.北京：中國科學技術出版社，2014.63

4 王宇航，王志茜．用電熱水壺定量研究水的比熱容．物理之友，2015(09)： 14～16

5 張憲魁. 物理科學方法教育.青島：中國海洋大學出版社，2015.23

*中國教育學會物理教學專業委員會2015-2017年重點課題“遵循知識形成過程的教學實踐研究”階段性研究成果之一;北京市海淀區2015年度教育科學規劃課題“促進初中生閱讀物理教材的實踐研究” 研究成果之一,項目編號：HDGH2015150

王宇航(1979- )，男，碩士，中教一級,研究方向為中學物理教學.

王志茜(1981- )，女，碩士，中教一級,研究方向為中學物理教學.

2016-07-04)