“熱機”教學中的“看似容易其實難”及突破

吳志華

摘 要：初中物理“熱機”教學中，有幾處貌似容易其實困難的地方，如教材陳述雖然簡單，但隱含著豐富的物理內涵；“試管熱機”實驗演示看起來容易，卻存在很多改進之處；教學方法看似單一，其實需要培養學生很多能力和良好的習慣。這就需要教師把握課標，根據學生的實際與特點，采用靈活恰當的教學策略。

關鍵詞：初中物理；“熱機”教學；教學策略

人教版九年級物理全一冊中的“熱機”，在教學實踐中存在幾處看起來容易，其實困難的地方，需要教師把握課程目標，根據學生實際及物理學科的特點加以突破。

一、教材看似一篇閱讀課文，其實包含著豐富的物理內涵

教材以“汽車是如何獲得機械能的呢？”的提問開篇，接著演示“試管熱機”實驗，然后以記敘文的方式，敘述了“熱機”概念、汽油機工作原理、柴油機和汽油機工作過程的不同及“科學世界”中的“現代汽車”。整個內容看起來像一篇語文閱讀課文，但只要細心品味就會發現“課文”中隱含著豐富的物理內涵。

第一，涉及的物理概念多。本節內容講述了“熱機”、內燃機、沖程、工作循環等物理新概念，也牽涉到了內能、機械能、燃料、做功、壓強等已學的物理概念。這些概念相互聯系、相互衍生。如通過內能與機械能的轉化說明“熱機”；通過燃料燃燒的位置說明內燃機是“熱機”；等等。第二，涉及的物理知識延伸廣。在講述“汽油機吸氣沖程中為什么能將汽油和空氣的混合物吸進汽缸”和“排氣沖程中是怎樣將廢氣排出”時，教師要引導學生把知識延伸到汽缸內氣體體積的變化，從而引起的氣壓變化，以及與大氣壓的關系。在分析吸氣、壓縮、排氣三個沖程中的活塞運動及能量情況時，就要拓展延伸到飛輪的作用及慣性知識。在分析四個沖程中的活塞運動、曲軸轉動時，就要拓展延伸到每完成一個工作循環，活塞往復兩次，曲輪轉動兩周，燃氣做功一次等。第三，涉及的物理理念實。首先，滲透了“物理知識來源于生活，服務于社會”的理念。本節內容與生產、生活聯系緊密。熱機是一種廣泛使用的動力設備，如摩托車、汽車、飛機、輪船、火車、收割機、推土機等都使用了“熱機”。從燃料的燃燒中獲得內能是人類使用能量的主要來源，特別是“熱機”工作的原理所涉及的工業設計技術，其設計的巧妙之處都是為了實現更高效地利用內能做功這一目的。其次，體現了“從實際出發，面向學生”的觀念。本節內容側重于如何實現內能的利用，教材通過章首圖的蒸汽機車和節首圖火箭汽車（噴汽發動機汽車），突出所討論問題的偏重技術的背景。作為“熱機”最常見的應用之一的汽車，學生并不陌生。然而速度極快的火箭汽車，反映了人類對于速度的不斷追求，這很容易引發學生的興趣。因此，教材首先給出了火箭汽車的圖片，從汽車怎樣獲得機械能引入新課，結合上一章內能的學習，引導學生。為了便于學生理解，教材結合汽油機結構示意圖，簡單介紹了汽油機構造，只突出了那些為講清工作過程所必須知道的部件。針對學生對熱機能夠連續工作的疑惑，教材既關注了“熱機”工作中能量轉化等物理問題，又注意了工程技術的一些目的是如何實現的，如連桿與曲軸的作用。基于教材已較為詳細地介紹了汽油機的基本工作過程，柴油機的構造、工作原理與汽油機相似，教材增加了柴油機內容，并且介紹得很簡單，這樣有利于學生進行知識的遷移。最后，滲透了科學與技術相互發展與促進的STS思想。通過學習汽油機四個沖程的過程，幫助學生認識科學研究和實際技術的開發過程是不同的；通過汽油機與柴油機優缺點的對比，滲透了事物是一分為二的辯證思想；通過節后“科學世界”中的“現代汽車”，幫助學生更加全面理解科學如何應用于技術和技術如何促進科學發展的STS思想。還有，通過“熱機”的發展與分類，培養學生了解物理學史、熱愛科學的意識；通過柴油機優點的呈現，以及現代汽車技術的提高，培養學生節能減排、保護環境的可持續發展的意識。

為了突破以上難處，教師可以采取以下行動策略：第一，從學生已有的生活經驗和知識背景出發，挖掘物理因素。在課前學生已經有煮飯時水蒸氣能把鍋蓋頂起以及對汽車的了解等生活經驗，已經有前章學習的有關內能知識及瓦特改良蒸汽機的故事等知識背景。因此，教師只要恰當地引導和啟發，使學生自覺地貼近生活找物理，并意識到物理源于生活；使學生能給物理找“原型”，把常識提煉為物理，促進學生對知識的理解；使學生能依托知識背景，促進知識的遷移發展。第二，講清知識在現實生活和社會中的應用。如本節中提到的汽車、輪船、飛機、摩托車等都是學生耳熟能詳的“熱機”應用的實例，教師要使學生感受到物理與現實生活的聯系，增強其物理應用意識，培養學生用物理眼光看問題、用物理頭腦想問題、用物理知識解決實際問題的意識。第三，為學生提供自學問題單，教給學生學習策略。如本節教學可以通過諸如“熱機”的實質是什么、每個過程中能量情況怎樣等設問方式，擬定自學提綱，讓學生自主學習；可以通過柴油機與汽油機在構造和工作原理上的對比，找相同點和不同點，滲透對比學習策略。

二、“演示”看似一個簡單的熱學實驗，其實操作起來并不容易

教材通過“試管熱機”中水蒸氣沖開瓶塞，演示了內能轉化為機械能的過程，使學生直觀地觀察到能量的轉化，幫助學生加深對“熱機”概念的理解。本實驗看起來很簡單，其一，需要的實驗器材少，只有鐵架臺、試管、膠塞、酒精燈、水；其二，裝置設計簡單，便于操作；第三，實驗現象明顯，膠塞被沖開，同時有霧產生。但是，真正操作起來有難度。若器材選擇和裝配不合適，就可能實驗不成功。水多了，把水燒開需要較長時間，水少了會很快蒸發和沸騰，不能充分顯示蒸汽的動力。試管的大小、傾斜度和塞子的塞緊程度都對實驗有影響：若試管太大，瓶口太上，塞得太松，由于膠塞的重力原因，蒸汽沖不開塞子，或塞子只在瓶口振動，且產生的霧很少，學生看不見；若試管太小，瓶口太低，塞得太緊，可能因為試管內壓強太大、水倒流而導致試管爆裂，出現安全事故。若要在短時間內使該實驗做成功，就要選擇優化的實驗方案。最好選擇中號試管，內裝三分之一試管的熱水，不用橡皮塞而用膠木塞且塞得不松不緊，不泄氣即可。試管傾斜角約為30°，酒精燈的火勢不能太猛。本實驗真正分析起來也不容易。從能量轉化的角度來看，涉及燃料的化學能轉化為水、水蒸氣的內能，再轉化為塞子的機械能；從物體內能改變的角度來看，涉及熱傳遞和做功；從物態變化的角度來看，涉及汽化與液化。這些雜糅在一起，學生難于厘清，這就需要教師采用復習與提問、討論的方法加以突破。

三、教學方法看似單一，其實需要培養學生的能力和習慣較多

本節內容的教學只要采用觀察和對比兩種教學方法即可。所謂觀察，那就是引導學生觀察教師做的“試管熱機”演示實驗，觀察汽油機、柴油機模型；所謂對比，那就是引導學生將汽油機和柴油機的主要結構和四個沖程加以比較。但僅做到以上兩點還遠遠不夠。其實，通過本節的教學需要培養學生的能力和習慣還很多，如通過演示實驗和模型、課件的展示可以培養學生觀察和分析問題的能力以及良好的觀察習慣；通過提出諸如什么叫“熱機”、吸氣沖程中為什么能將汽油和空氣的混合物吸進汽缸等問題，可以培養學生思考與解決問題的能力；在學習汽油機后，讓學生對照模型和動畫圖片閱讀課文，自主學習柴油機的工作原理，嘗試用自己的語言描述柴油機的結構和工作狀態，引導學生將汽油機和柴油機的主要結構和四個沖程加以比較，這樣可以培養學生的自學能力，還可以培養學生的發散思維和比較能力；通過引導學生閱讀“科學世界——現代汽車”，可以擴展學生的知識面，激發學生的學習興趣；通過課堂小結，讓學生談本課的收獲及不明白的問題，可以培養學生自我評價與歸納的能力以及有拓展延伸的意識與習慣。

物理教師要有敏銳的眼光，很好地把握課程目標，深挖教材隱含的物理內涵，找到教與學中的困難，根據學生實際，尋求可行的突破策略，力求課堂教學高效。

（作者單位：湖南省常德市鼎城區石公橋鎮中學）