指向深度學習的初中物理概念情境教學探討
——以“比熱容”教學為例

姚 壘

(江蘇省太倉市沙溪第一中學,江蘇 太倉 215421)

1 問題的提出

深度學習是相對于表層學習、機械學習、無意義學習而言的,是學習者認知、情感、思維高度攝入的一種學習方式。李吉林老師首倡的情境教學法,能夠促使深度學習有效發生,激發學生的思維,在符號化的知識和學生之間搭起橋梁,幫助學生建構并理解物理概念。

在初中物理概念教學中,比熱容概念較為抽象,是第一個由三個物理量定義的概念,學生理解起來非常困難,教師只有通過創設合理的教學情境,讓學生主動探索,親身體驗物理概念的建構過程,才能突破這一教學難點。

在比熱容概念的教學中,通常教師會根據“中午海邊的沙子很燙而海水較涼”的現象，提出問題：“同樣都是在太陽光照射下，為什么海水和沙子的溫度不一樣?”設計實驗比較沙子和水在相同時間內升高的溫度。這樣的引入和實驗設計給學生的學習帶來一定困難，首先有的學生存在錯誤的前概念，認為“吸收熱量多溫度高”,很難理解在相同時間內海水和沙子吸收的熱量相同;其次，該情境的引入意在說明吸收相同的熱量沙子和海水升高的溫度不同,而比熱容比較的是不同物質的吸熱本領,學生很難順利過渡到這一點。

下面結合蘇科版“物質的比熱容”的教學,探討在概念教學中創設情境引發學生深度學習的策略。

2 初中物理概念情境教學策略

2.1 利用物理學史創設情境,引出問題

脫離物理學史創設的實驗情境,會讓物理概念的建構顯得牽強,學生知其然而不知其所以然,自然無法實現對概念的深入理解。追溯比熱容概念建立的過程,英國科學家布萊克發現：在蒸餾過程中不斷對液體加熱,溫度計的示數卻保持不變,他得到啟發，首先將“熱量和溫度”這兩個概念區分開來。溫度計所指示的是溫度(他最初稱之為“熱的強度”),而不是熱量。布萊克經過大量的實驗發現:對于同樣的物質,物體的重量(質量)越大,升高的溫度越多,所需要的熱量也越多,滿足Q∝m(t-t0)。他還發現：重量(質量)相同的不同物質,升高相同的溫度所需要的熱量也不同，可用公式Q=cm(t-t0)表達，布萊克把比例系數c叫做比熱。

基于物理學史重構的教學邏輯如圖1所示。

圖1

師:同學們都燒過熱水,要將水燒開,怎樣減少加熱時間?

生:加大火力,減少水的質量,提高水的初溫……

師:加工油炸食物時需要加熱油,在標準大氣壓下,油的沸點為230℃—250℃,水的沸點為100℃,那么初溫、質量都相同的兩鍋水和油,用相同熱源加熱,哪一個先沸騰?

學生觀看視頻:水和油的沸騰對比，現象是油先沸騰。

師:在相同時間內,水和油中哪一個吸收的熱量較多?

生1:油溫度高,油吸收的熱量多。

生2:加熱方式一樣,加熱時間也相同,油和水吸收的熱量一樣多。

師:加熱方式相同時,損失的熱量一樣,可以認為單位時間內吸收的熱量也相同，并不是溫度高的物體吸收的熱量多。200多年前人們也存在上述錯誤的認知,英國科學家布萊克將一塊0℃的冰和77.8℃的熱水相混合,發現冰吸收了熱量,溫度并沒有升高,仍是0℃。他認為溫度計顯示的是“熱的強度”(溫度),而不是“熱量”。

師:在相同時間內水和油吸收的熱量一樣多,為什么油先沸騰?“熱量”又應怎樣測定呢?

設計意圖：從生活情境(加熱水和油,油先沸騰)出發,巧設問題，引出學生認識的誤區：“溫度高的物體吸收的熱量多”,結合布萊克的研究,引導學生深入思考、釋疑,為后續的教學掃清障礙。

2.2 創設實驗情境，引領學生深入探究,建構概念

實驗探究水和油吸熱升溫的現象。

師:本探究的問題中涉及幾個物理量?

生:質量、升高的溫度、吸收的熱量。

師:布萊克經過大量的實驗發現：同樣的物質,質量越大,升高的溫度越多,所需要的熱量也越多。我們要比較水和油吸熱升溫的現象,需要控制哪些物理量?

生:質量和加熱方式相同。

師:我們可以使質量相等的水和油升高相同的溫度,比較吸收的熱量(加熱時間)。

學生實驗:將質量相同的水和油裝入相同的燒杯中,用相同的酒精燈加熱,記錄溫度升高20℃所需要的時間,改變升高的溫度進行多次實驗(圖2)。

圖2

師:我們發現：質量相同的不同物質,升高相同的溫度時,吸收的熱量不同。這一結論顯示出物質具有一種熱學性質——吸熱本領,水和油哪一個的吸熱本領大?

生:水，因為水升高同樣的溫度吸收的熱量多。

師:布萊克經過大量的實驗研究，認為實驗結果可以用公式Q=cm(t-t0)來表達，公式可以變形得到：c=Q/(mΔt),我們用“比熱容”來反映不同物質吸收熱量的本領。

設計意圖：學生很容易在熟悉的生活情境中找出比熱容概念所涉及的三個物理量,順著布萊克的發現路徑設計實驗,實驗探究順理成章。實驗中比較不同物質升高相同溫度時吸收熱量的多少,使學生順利過渡到不同物質吸熱本領不同,理解比熱容的內涵。

2.3 運用類比方法創設情境,建構概念

教師適時提問：為什么在相同的時間內水和油吸收的熱量一樣多,油先沸騰？對于這一問題學生一時無法回答,教師創設物理情境，進行類比遷移,可以幫助學生突破認知障礙。

教師在水平桌面上放兩個橫截面積不同、高度相同的燒杯a和b。

師:如果把這兩個燒杯裝滿水,誰需要的水多?誰的盛水本領大?

生:大燒杯b。

教師將等質量的紅墨水倒入兩個燒杯中,觀察液面高度的變化(圖3)。

圖3

師:不同物質吸熱本領的不同可與杯子容納液體本領的不同相類比,吸收的熱量可與盛水量相類比,升高的溫度可與液面高度的變化相類比。大燒杯b容納液體的本領強,放入相同的液體,液面升高得少,請試著解釋不同物質吸收相同熱量時溫度的變化情況。

生:比熱容大的物質吸收熱量的本領強,吸收相同的熱量時升高的溫度小。

設計意圖：利用實驗結論解釋課堂引入情境中設置的問題,前后呼應,主題突出,引發了學生的深度思考。創設情境,利用類比方法化抽象為形象,學生能夠自行進行類比遷移,幫助學生真正理解概念內涵,發展學生的高階思維能力。

2.4 回歸生活,解決實際問題

根據比熱容概念的內涵,比熱容大的物質吸熱(放熱)本領強,溫度的變化小,教師可以從上述表現創設生活情境,幫助學生理解比熱容的物理意義。學生親歷探究的過程，建構了比熱容概念,教師可以引導學生運用探究中的思路方法分析一些生活現象。

師:為什么海邊中午沙子較燙、海水較涼，傍晚時沙子較涼而海水較溫暖?

生:因為沙子的比熱容小,吸熱和放熱本領都小,當與海水吸收或放出相同的熱量時,升高或降低的溫度大,也就是說沙子升溫快,降溫也快。

師:為什么汽車發動機用水進行冷卻?冬天用熱水袋裝水取暖?

生:因為水的比熱容大,吸熱和放熱本領都大,升高或降低相同的溫度,吸收或放出的熱量多。

設計意圖：深度學習要求學習者深入理解學習情境,對關鍵要素進行正確判斷和把握,在相似情境中能夠做到舉一反三,也能在新情境中分析、判斷差異，運用所學知識解決問題。通過生活情境的真實再現,聯系實際學以致用,學生在對所學知識的遷移應用中,深化了對概念的理解,提高了學生的問題解決能力。

3 教學反思

3.1 創設情境引發深度學習,促進學生深刻理解概念

初中生的思維處于由形象思維向抽象思維過渡的階段,比熱容的概念較為抽象,這就要求教師在用好教材的同時,進行再次開發重組,關注物理概念的建構歷程，重構符合學生認知特點的教學邏輯。教學情境是連接學生思維的紐帶,在有效建構物理概念的過程中起著不可或缺的作用。教師精心創設情境，設計環環相扣的問題鏈,引導學生深度思考,在新舊經驗間進行比較，并對知識進行遷移,在概念的建構和應用過程中深刻理解概念的內涵。

3.2 多管齊下引發深度學習,有效發展學生科學思維

在教學中教師依據物理史實，從學生經驗出發，創設生活情境引發學生思考,創設實驗情境引導學生探究,運用類比方法掃清概念理解上的障礙,學生在建構概念時經歷了科學探究的過程,領悟了控制變量法、比值定義法、類比法等科學方法,并能將所學知識和方法進行遷移運用,實現由形象思維向抽象思維的螺旋式上升,學生的科學思維能力得到有效發展。

巧設情境引導學生深度思考是建構物理概念的關鍵，教師要充分挖掘教學資源,利用學生已有的生活經驗,創設引發學生深度學習的多樣化物理情景,實現教學與學生發展融合共進。學生在建構、運用概念的過程中,完善了概念網絡,能夠運用學習策略和新知識解決實際問題,促進了學生核心素養的發展。