初中和高中物理中溫度概念教學(xué)銜接的探討

楊雅歆 吳立東 鄒斌

摘要：初中物理溫度從定性感知的角度進行概念的闡述，而在高中教學(xué)中溫度概念的闡述是以熱力學(xué)第零定律和統(tǒng)計理論為基礎(chǔ)的并解釋了氣體溫度的統(tǒng)計意義.分析了初高中溫度概念教學(xué)中的物理問題研究對象、溫度計制作原理、攝氏溫標和熱力學(xué)溫標中存在的內(nèi)容差異著手，探討了初高中溫度概念教學(xué)的銜接，并提出采用問題串的教學(xué)設(shè)計讓學(xué)生親歷概念的形成過程.

關(guān)鍵詞：溫度；初中物理；高中物理；教學(xué)銜接

基金項目：北京物理學(xué)會2018-2019年度教育科研立項重點課題“微課在中學(xué)物理課堂實施效果研究”，課題編號：WLXH1807.

作者簡介：楊雅歆（1996-），女，山西太原人，研究生，研究方向：物理學(xué)科教學(xué)；

吳立東（1970-），女，北京市人，本科，中學(xué)物理高級教師，研究方向：初中物理學(xué)科教學(xué)；

鄒斌（1980-），男，山東威海人，博士，副教授，研究方向：物理教育研究.

通訊作者：鄒斌（1980-），副教授，研究方向：物理教育，zoubin@muc.edu.cn.

1引言

核心素養(yǎng)下要求重視概念的形成過程，而非結(jié)果.溫度是一個很抽象的物理概念，究竟什么是溫度？初中物理將溫度描述為物體冷熱程度的物理量，這顯然是一個人為定性的感知，而人的感知往往不夠準確，甚至于可能會出現(xiàn)錯誤.所以為了更準確地描述物體的冷熱程度，利用熱力學(xué)第零定律和液體熱脹冷縮的規(guī)律制成溫度計來測量系統(tǒng)的溫度值，從而定量描述物體系統(tǒng)的冷熱程度.除此之外，高中從熱平衡定律和統(tǒng)計理論出發(fā)重新對溫度的概念進行更準確地闡述.初中到高中溫度概念的學(xué)習(xí)即是一個從定性到定量，從宏觀到微觀，從單一物體到研究系統(tǒng)的過程.如何在這一過程中探討初高中溫度概念的教學(xué)銜接方式，如何在概念建立過程中持續(xù)地培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，即是本文需要探究的問題.

2初中物理對溫度概念的闡述

人教版初中課本八年級上冊將表示物體冷熱程度的物理量定義為溫度[1].這里只簡單定性描述了物體的冷熱程度.但是，人的感知往往不準確，比如在冬天用左右手分別觸摸室外的木塊和鐵塊，感覺鐵塊更冷，而實際上長時間放在戶外的鐵塊和木塊，他們的溫度與外界溫度是相同的.這里冷熱的感覺，是我們主觀的感受，因為木塊和鐵塊的熱導(dǎo)率不同，而造成人有這一感受的，這是因為在相同時間內(nèi)鐵塊從人體表吸收的熱量比木塊更多，也就是說鐵塊的比熱容比木塊的比熱容更小，當吸收或放出的熱量相同時，鐵塊的溫度變化要比木塊的溫度變化大得多.其實這就是傳導(dǎo)造成的冷熱感覺干擾了學(xué)生對溫度概念的理解，是典型的負遷移造成的倒攝抑制的思維障礙[2].

由此發(fā)現(xiàn)，單靠人體定性地感知物體的溫度是不可靠的，要想更準確地判斷溫度高低，就要從定性感知向定量判斷過渡.根據(jù)液體熱脹冷縮的規(guī)律，利用溫度計來對溫度進行定量地測量.八年級上冊第三章第一節(jié)就進一步講解了如何正確地使用溫度計以及日常生活中有哪些溫度計等.

3高中物理對溫度概念的闡述

我們知道，組成物質(zhì)的分子在作永不停歇的無規(guī)則熱運動，物質(zhì)內(nèi)部的分子不停地碰撞，其中每個分子的動能也在不停地變化.研究單個分子的動能大小是無意義的，這就需要用到統(tǒng)計理論.分子動能不是系統(tǒng)中某個分子的動能大小，而是系統(tǒng)中全部分子熱運動動能的平均值，即分子熱運動的平均動能.人教版高中物理課本在引入平均動能的概念后提出：物質(zhì)的溫度是分子熱運動平均動能的標志，其表征了分子運動的劇烈程度.

熱力學(xué)第零定律是熱力學(xué)三大定律的基礎(chǔ)，它也定義了溫度的概念：如果兩個熱力學(xué)系統(tǒng)與第三個熱力學(xué)系統(tǒng)處于熱平衡，那么它們也必處于熱平衡.也就是熱平衡是傳遞的.兩個系統(tǒng)處于熱平衡時，他們必具有某個共同的熱學(xué)性質(zhì)，我們把表征這一“共同熱學(xué)性質(zhì)”的物理量叫做溫度[3].即在熱平衡狀態(tài)下，處于熱平衡的兩個系統(tǒng)，分子的平均動能相等.

此外，人教版高中物理課本選修3 -3第八章第四節(jié)氣體熱現(xiàn)象的微觀意義中還進行了更為詳細的介紹，對于理想氣體，熱力學(xué)溫度T與分子熱運動的平均動能Ek成正比，即T=aEk.這一公式也揭示了氣體溫度的統(tǒng)計意義，即溫度是大量氣體分子熱運動的集體宏觀表現(xiàn)，對個別分子，談其溫度是無意義的，我們關(guān)注的是組成系統(tǒng)的大量分子表現(xiàn)出來的整體的熱學(xué)性質(zhì).

在講解T=aEk這一公式的比例系數(shù)a時需要注意，不能根據(jù)理想氣體溫度公式將a簡單解釋為23k.這是因為我們需要考慮，在常溫下理想氣體平均動能與氣體分子的平動及轉(zhuǎn)動自由度有關(guān).比如，單原子氣體分子有3個自由度，每個分子的平均動能則為k=32kT；常溫下不計振動自由度，雙原子氣體分子和非共線的多原子分子分別有5個和6個平動和轉(zhuǎn)動自由度，其分子的平均動能分別為k=52kT和k=3kT.

4初高中物理如何在溫度概念學(xué)習(xí)中銜接

學(xué)生在初中物理學(xué)習(xí)和日常生活實踐中，對溫度已經(jīng)建立了初步的概念，高中的溫度概念的教學(xué)應(yīng)基于學(xué)生已有的概念基礎(chǔ)，破解迷思概念，逐步建構(gòu)更加科學(xué)完善的概念[4].初高中物理教學(xué)中最大的不同即是初中學(xué)習(xí)的物理現(xiàn)象和過程大多是學(xué)生可以定性感知到的，而高中所學(xué)習(xí)的一些物理規(guī)律和物理概念往往較為抽象，而對這些概念又需要定量地去描述它.如何找尋初高中教學(xué)中的銜接點，從而最大限度避免教學(xué)中的盲區(qū)？首先，初高中溫度教學(xué)中大致有以下三點不同.

41不同點一：研究對象的表述有差異

初中所講的溫度是指單一物體的冷熱程度，是一種更為貼近生活情景的表述.而高中所講的溫度指兩系統(tǒng)間的一種平衡狀態(tài)，研究的是系統(tǒng)整體宏觀表現(xiàn)出來的性質(zhì)，是一種較為具有物理專業(yè)色彩的科學(xué)表述.

42不同點二：溫度計的制作原理從定性描述到定量敘述

溫度計的使用也是這一節(jié)學(xué)習(xí)的重點，學(xué)會使用溫度計不僅是研究物態(tài)變化的需要，也是學(xué)生生活實際的需要[5].在初中，將溫度計制作原理簡單地說成是由液體熱脹冷縮原理制成，而高中提到需要規(guī)定測溫物質(zhì)的某種特性與溫度間存在某種線性關(guān)系，來制造不同形式的溫度計.這種線性關(guān)系即是一種定量描述溫度的方式，也表明了高中比初中更注重定量探究物體的性質(zhì).

43不同點三：初中主要講攝氏溫標，高中更多使用熱力學(xué)溫標

初中講的是攝氏溫標，更準確地講只提到了攝氏溫度的概念；而高中提到了熱學(xué)中更普遍適用的熱力學(xué)溫標.攝氏溫標依賴具體的測溫物質(zhì)，規(guī)定標準大氣壓下冰水混合物的溫度為0攝氏度，沸水是100攝氏度，可見當使用不同的測溫物質(zhì)，所測量的溫度也可能會有所不同.而熱力學(xué)溫標不依賴于測溫物質(zhì)，以絕對零度（0K）為最低溫度，而水的三相點溫度為273.16K.（另外，學(xué)生往往認為水的三相點溫度是在標準大氣壓下測量的.這里需要補充的是，根據(jù)吉布斯相律，當液態(tài)水、水蒸氣和冰三相平衡共存時，水的三相點壓強是確定的，實驗測量結(jié)果為610.9Pa，遠比標準大氣壓要小.）

由于有關(guān)溫度概念及其測量問題比較繁雜，在初中教學(xué)時很難向?qū)W生精準而嚴密地介紹清楚，采用通俗和模糊處理是初中教學(xué)中常采用的一種方式[6].所以初中物理只講攝氏溫度而不提熱力學(xué)溫標.

在這樣的基礎(chǔ)上我們應(yīng)該如何做好銜接教學(xué)并讓學(xué)生親身經(jīng)歷概念的形成過程？在高中溫度概念教學(xué)中，不妨采用問題串的方式引入.具體設(shè)計問題如下：

（1）為什么寒冷的冬天鐵塊摸起來比木塊要冷？

（2）為什么當溫度計示數(shù)不發(fā)生改變時，我們就說此時溫度計的示數(shù)就是被測物體的溫度呢？

（3）宏觀表現(xiàn)出來系統(tǒng)的溫度大小與對應(yīng)著微觀狀態(tài)下組成系統(tǒng)物質(zhì)的分子有哪些關(guān)系？

第一個問題意在讓學(xué)生體會到溫度的變化與熱量傳遞相關(guān)；第二個問題讓學(xué)生意識到系統(tǒng)內(nèi)存在著一種熱傳遞的平衡狀態(tài)，從初中的“單一物體”的概念自然過渡到系統(tǒng)整體，從而為建立溫度的概念打下基礎(chǔ)；第三個問題從宏觀到微觀，物體系統(tǒng)的溫度顯然是這個系統(tǒng)的宏觀表現(xiàn)出來的一個概念，而從微觀本質(zhì)上講物質(zhì)是由大量分子組成的，為了研究組成系統(tǒng)的分子整體表現(xiàn)出的熱學(xué)性質(zhì)，從而引出分子平均動能的概念，接下來再進一步指出溫度的微觀意義：溫度是組成物質(zhì)的分子熱運動平均動能的標志.從溫度的宏觀概念到微觀意義，學(xué)生親身經(jīng)歷概念的形成過程，能更清楚地建立溫度的概念，也能更清楚地明白溫度的宏觀意義與微觀意義之間的聯(lián)系.

5結(jié)論

本文從初高中溫度概念教學(xué)出發(fā)，分析了初高中課本中如何對溫度概念進行闡述，包括高中比初中知識所深入的地方.我們還分析了初高中溫度概念教學(xué)中三點不同，總結(jié)出了初高中溫度概念教學(xué)的銜接點，從定性到定量，從宏觀到微觀，從單一物體到研究系統(tǒng).并建議具體采用問題串的方式開展教學(xué)，力求學(xué)生親歷概念的形成過程，從而進一步提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng).

參考文獻：

[1]人民教育出版社課程教材研究所，物理課程教材研究開發(fā)中心.物理（八年級上冊）[M].北京：人民教育出版社，2012：47-52.

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[3]人民教育出版社課程教材研究所，物理課程教材研究開發(fā)中心.物理（選修3-3）[M].北京：人民教育出版社，2010：10-29.

[4]姜民.物理核心概念教學(xué)的實踐與體會——以“溫度”概念為例[J].中小學(xué)教材教學(xué)，2016（09）：62-65+16.

[5]王芳，高海燕.基于“目標—評價—教學(xué)”一致性的《溫度》教學(xué)設(shè)計[J].中學(xué)物理，2015，33（18）：29-31.

[6]本刊資料室.國際單位制中的“攝氏度”[J].物理通報，2015（07）：124-125.