優化物理教學,構建物理概念形成物理觀念
——以“物質的比熱容”概念教學為例

周曉慧

(蘇州市草橋中學校，江蘇 蘇州 215000)

“物理觀念”是從物理學視角形成的關于物質、運動與相互作用、能量等的基本認識;是物理概念和規律等在頭腦中的提煉與升華;是從物理學視角解釋自然現象和解決實際問題的基礎．基于課程理念,順應初中生的心理特征,從生活走向物理,創設生活中的物理情景,提出核心問題,作為任務驅動,激發學習興趣;然后通過實驗探究,鍛煉科學思維,構建科學物理概念;再從物理走向社會,通過師生間的對話,善于用物理概念解釋物理現象,逐步形成物理觀念．

下面以“物質的比熱容”概念教學為例,比熱容是指單位質量的某種物質溫度升高(或降低)1 ℃所吸收(或放出)的熱量的多少,是一個比較抽象的概念,需要通過創設情境,增加學生的體驗,喚醒記憶,并能在觀察物理現象或物理學習過程中發現一些問題,了解學生學習起點,繼而針對問題設計實驗,通過科學的實驗探究,在鍛煉科學思維的同時,獲得對概念的精準理解,構建科學的比熱容概念．本文通過“創設情景,提出核心問題”、“實驗探究,構建物理概念”、“善于解釋,形成物理觀念”3個環節建構比熱容物理概念,從而建立“比熱容”的物理觀念．

1 創設情景,提出核心問題

教學活動:教師通過PPT展示,初夏小朋友在沙灘邊游玩的照片圖1,用亞克力板制作封閉“沙灘與海水”,然后用浴霸燈模擬太陽,一段時間后,請學生用手體驗沙灘和海水的溫度．

圖1

問:有什么不一樣?

答:手在沙子中很燙,而在海水中較涼．

追問:在同樣太陽的照射下,為什么沙子的溫度比海水的高?

通過創設物理情景,將生活現象“沙灘”引入物理課堂,通過體驗,喚醒學生對沙灘與海水溫度的認識,對后續的猜測提供依據,同時提出有價值的問題:為什么沙子的溫度比海水的溫度高?以此作為前側,暴露學生的問題,找到學生學習的起點,于是就可以確定研究的課題:物體升高的溫度與材料是否有關?

青少年期處于從具體形象思維為主要形式向抽象邏輯思維過渡的階段．但是,這種抽象邏輯思維,在很大程度上,仍然是直接與感性經驗相聯系的,仍然具有很大成份的具體形象性．故而要增加學生對物體吸熱升溫的感性認識,加深具體的形象思維,初步認識到物體溫度升高可能與材料有關．使學生堅信物理來源于生活,物理就在自己的身邊,并通過提問的方式,激發學生的求知欲．

2 實驗探究,構建物理概念

“科學探究”是指基于觀察和實驗提出物理問題、形成猜想和假設、設計實驗與制定方案、獲取和處理信息、基于證據得出結論并作出解釋,以及對科學探究過程和結果進行交流、評估反思的能力．也就是通過問題、證據、解釋和交流完成科學探究,構建物理概念．“科學探究”是學生的學習目標,也是重要的教學方式之一,從學生被動接受知識向主動獲取知識轉化,從而培養學生的科學探究能力、實事求是的科學態度和敢于創新的探索精神．

2.1 建科學模型,練科學思維

“科學思維”可以是基于經驗事實構建物理模型的抽象概括過程．可以根據核心問題,應用科學方法,設計實驗方案,在實驗改進和問題解決過程中鍛煉科學思維．

確定研究課題:物體升高的溫度與材料是否有關?并通過問題鏈的方式,鍛煉科學思維,建立科學模型．

① 需要哪些實驗器材?幾個酒精燈?對酒精燈有什么要求?如何控制吸熱相同?如圖2．

圖2

② 需要控制哪個物理量?為什么要控制質量相同?

③ 如何讓沙子均勻受熱?

④ 如何比較溫度的升高量?

把生活現象引入物理課堂,既要與生活現象相符,比如:同一太陽同一時刻可知吸熱相同,則需要相同的酒精燈加熱相同時間;又要彰顯物理研究方法,對次要因素要進行必要的控制,比如:要控制水和沙子的質量相同．更要收集有效數據通過分析得出科學規律,比如:要用溫度計測量溫度,用來比較沙子和水溫度的升高量．

根據學生的認知水平,設計一組有針對性、啟發性、層次性的問題,明確教學重點,展示清晰的線索,避免盲目性和隨意性．通過問題鏈的方式加強對學生的思維訓練,并從廣度和深度提升學生的思維品質,同時提煉出本實驗的關鍵步驟和注意點,比如:通過相同的酒精燈加熱相同時間來控制吸熱相同,通過攪拌的方法使沙子均勻受熱等．

2.2 應合理分工,找科學證據

本實驗用到的器材較多:兩套酒精燈、鐵架臺、燒杯、溫度計、石棉網和三腳架,還有攪拌棒;實驗危險性較高:燒杯、水和沙子、三腳架等溫度都很高,容易燙傷;實驗操作項較多:攪拌、看時間、觀察溫度計并讀數還有記錄．所以本實驗對實驗的安裝、操作等提出很高的要求,所以必須分小組進行合理分工,如圖3．

圖3

按實驗要求,學生分成4人小組,按需求及特長進行合理分工,兩位學生讀數,一位學生攪拌沙子、另一學生記錄數據．

分工是為了培養學生分工合作的能力,鍛煉主動與他人合作的精神,增強學生對物理現象的體驗和感悟．讓學生多種感覺器官參加活動,聽、說、看、做、想,眼耳口手腦都被調動起來．更是為了順利完成探究實驗,提高學生的學習效果,又培養了他們分析、綜合、比較、概括的抽象邏輯思維能力．

2.3 借數據分析,提思維品質

“用沙子做實驗很危險”,這是很多教師的經驗．因為沙子在起始階段受熱不均勻,導致在起初時溫度上升的比水慢,給數據分析帶來“麻煩”．故而需要不斷的攪拌,然而攪拌也不能讓沙子完全均勻受熱,初期沙子的溫度不可避免的比水上升的慢,一段時間后沙子的溫度才趕超水的溫度,進入正常狀態,如表1所示,所以對數據分析提出很高的要求．

表1

問:要分析前面的數據還是后面的數據?

追問:前面的數據為什么是無效的?判斷依據是什么?

追問:什么原因造成的?

追問:對后面哪些數據進行分析?你得到什么結論?依據是什么?

學生答:取第4-6 min,質量和吸熱相同時,沙子升高的溫度比水多,沙子的升溫本領強．說明:物質吸熱升溫的多少與物質種類有關．

追問:當質量和升高的溫度相同時,沙子吸收的熱量________(填“大于”或“等于”或“小于”)水吸收的熱量．證據是什么?(通過分析哪些數據得到的結論)說明了(填“沙子”或“水”)的吸熱本領強．

學生答:沙子取4-6 min,水取4-9 min的數據,說明他們的溫度升高是一樣的,水的加熱時間大于沙子,說明水吸熱多,所以水的吸熱本領大于沙子．

介紹書本方法:圖像分析法,如圖4.

圖4

因為比熱容表示的是物質吸熱本領的強弱,故而教師應該逐步引導學生認識吸熱本領,并學會比較吸熱本領強弱的方法——質量和升高溫度相同,比較吸收熱量的多少．

物理課堂是一個理性課堂,要講證據,實驗是為了尋找證據,找到合理的數據才能得到正確的物理規律,培養學生實事求是的科學精神．同時通過問題鏈引導學生深度思維,鍛煉學生思維的獨立性和批判性,提升思維的深刻性、廣闊性．到此初步認識吸熱本領,如果直接引入比熱容及其定義,對學生來說難度還是比較大．故而要搭建感性認識的階梯,幫助學生認識比熱容及其物理意義的來龍去脈．

2.4 搭思維階梯,構物理概念

根據以上所學，質量和升高溫度相同時,比較吸收熱量的多少?通過具體的實例比較酒精和煤油的吸熱本領．

(A) 經測量:2 kg的酒精溫度升高3 ℃,吸收1.44×104J熱量；

(B) 經測量:3 kg的煤油溫度升高10 ℃,吸收 6.3×104J熱量．

根據新學的判斷方法,對數據進行相應的處理．

酒精:1.44×104J/(2 kg×3 ℃)=2.4×103J/(kg·℃)；

煤油:6.3×104J/(3 kg×10 ℃)=2.1×103J/(kg·℃).

問題鏈: ① 為什么要除以m和Δt?

② 誰的吸熱本領強?判斷依據?

③ 他們的吸熱本領有多強?(比值表示的物理意義)

學生1: 除以m和Δt是為了得到相同的質量和Δt；

學生2:酒精吸熱本領強,依據是2.4×103J/(kg·℃)>2.1×103J/(kg·℃)；

學生3:酒精2.4×103J/(kg·℃)表示:1 kg酒精溫度升高1 ℃吸收的熱量是2.4×103J．

煤油2.1×103J/(kg·℃)表示:1 kg煤油溫度升高1 ℃吸收的熱量是2.4×103J．

最后,根據學生的數學表達式,補上比熱容的計算公式．使得公式來的水到渠成,而不是那么的突兀．

青少年的思維特點雖然從形象思維快速向抽象思維發展,但還是以形象思維為主,所以要提供具體的實例,增強形象思維的感性認識,從而上升抽象思維建立比熱容的概念．

以實例練習為評價證據,采用之前得到的方法進行判斷,既是對剛學物理知識的應用和評價,更是構建比熱容概念的必要階梯．通過追問:為什么要用熱量除以質量和升高的溫度?通過數據發現誰的吸熱本領強?數據表示的物理意義是什么?逐步認識比熱容的定義．追問“比值的物理意義”是為比值賦予物理生命,“比值”是在物理方法引領下的比值．

3 善于解釋,形成物理觀念

物理觀念的形成在于用物理模型解釋物理現象,并形成一種習慣,即善于從物理走向社會,從物理學視角解釋自然現象和解決實際問題．

(1) 如圖5所示,拖拉機發動機工作時溫度到達2000 ℃以上,故而采用循環流動的水進行冷卻,你能用新學的知識說說用水冷卻的優點嗎?

圖5

解釋:在質量和升高的溫度相同的情況下,水的比熱容大,能吸收的熱量多,所以冷卻效果好．

(2) 請用新學的知識解釋:夏天中午感覺沙灘燙腳,海水中比較涼快的原因?

解釋:相同質量的水和沙子,吸收相同的熱(同一個太陽照射),因為沙子的比熱容小于水,所以沙子上升的溫度比水多,沙子的溫度較高．

(3) 夏天晚上感覺沙灘涼快還是海水涼快?

解釋:相同質量的沙子和水,放出相同的熱(晚上是放熱),因為沙子的比熱容小于水,所以沙子降低的溫度多,沙子的溫度較低．