高中物理核心素養下的HPS實驗教學實踐

彭歡高

摘? ?要：教師利用HPS模式的教學，以科學史的發展為主線，從定性實驗到定量實驗，與學生共同研究高中物理中的“焦耳定律”，在帶領學生重走科學發展之路的同時，又全面地培養了學生的物理學科核心素養。

關鍵詞：HPS，焦耳定律;定性;定量;核心素養

1? 理論背景

HPS主要內容是： 為提高自然科學類教育質量，將科學史、科學哲學、科學社會學的有關內容納入到相關科學課程中[ 1 ]。該教學模式的具體實施具有一些基本的前提：所授課題必須是科學史上某一位或某一些科學家曾研究過的自然現象與規律。教學步驟通常包括6個環節：①演示現象;②引出觀念;③重溫歷史;④設計實驗;⑤呈現科學觀念和實驗反思;⑥總結與評價。

顯然，重視HPS教育，就是對培養學生物理學科核心素養的重視。那么如何利用該理論指導一線教師的實際教學，就成為科學教育工作者必須面對的實際問題。本文結合高中物理“焦耳定律”的教學實踐，對于如何融入HPS教育理念，從而達到高效培養學生物理學科核心素養的目的，做出以下探討。

2? 教學實踐

2.1? 演示現象：制作電熱切割機，引入電流的的熱效應

為了讓學生通過視覺感受到電流的熱效應，引人新課時，準備了兩根完全相同的鎳鎘合金絲作為電阻絲。用學生電源給其中一個電阻絲通電，將其放在泡沫板上，一段時間后，電阻絲燒紅，教師輕易將泡沫板切割斷。與此同時，讓一個學生將另一個沒有通電的電阻絲切割該泡沫板，該學生無法將泡沫板切割開。本次演示實驗提供了電流熱效應的直觀現象，為激發學生猜想電熱與哪些因素有關做了必要的鋪墊。

2.2? 引出物理觀念

學生通過對親眼看到的實驗現象進行思考：為什么通電的電阻絲可以輕易切斷泡沫板，而沒通電的電阻絲卻不能。通電電阻絲與不通電電阻絲的區別是什么？從而在引出電流熱效應的同時讓學生思考產生這一不同現象的原因，激發探索欲望。并適當提問：“在電流出現在人類社會之后，會不會也有人思考過類似的問題呢？”

2.3? 重溫歷史，感受科學探究之法

伽利略是第一個通過對現象進行數據分析、數學推導和實驗證明的方法來量化科學的。他甚至開發了多種儀器來進一步推進他的觀察。伽利略鼓勵科學工作是可以用實驗數據對現象衡量的，而且是可重復性的，這后來成為科學研究方法的標準。因此，可用歷史洞悉當今公認的科學實踐和過程是如何演變的。

而焦耳在實驗室中注意到電機運轉過程會因摩擦而產生大量的熱量，認為這是動力損失的重要原因，為提高動力裝置的工作效率，由此開始了對電流熱效應的定量研究。焦耳通過大量的實驗發現：當一段金屬導體通過電流一段時間后，無論該導體的形狀、材料如何，其放出的熱量總是和它的電阻成正比關系，表1是他的實驗數據[ 2 ]。

（保證同組實驗盛水量、通電時間，電流大小相等）

接著，焦耳再讓其中一個電阻通電1 h和0.5 h，并記錄實驗數據，如表2所示[ 2 ]：

數據表明：在誤差允許范圍內，電阻一定時，Q與I2成正比。

焦耳通過大量的定量實驗最終得出這一結論，一方面是出于對科學的嚴謹態度，另一方面，也是受當時的科研條件所限。其中科學家對電熱Q的認識不足，利用“溫度差ΔT”替代“電熱Q”的做法雖屬無奈，然數據處理得當，“溫度差ΔT”竟能很好替代“電熱Q”，得到相應比例關系.所以現在看來焦耳的實驗雖然是定量實驗，但當時卻為半定量實驗。

2.4? 設計定性實驗，感受焦耳定律

定性演示焦耳熱與電流的關系（如表3）：取兩個完全相同的電阻絲，利用學生電源，調節電流為兩倍關系，比較切割泡沫板的難易程度。

定性演示焦耳熱與電阻的關系（如表4）：取兩個完全相同的電阻絲，其中一個對折。利用學生電源通以相同的電流，比較切割泡沫板的難易程度。

定性演示焦耳熱與通電時間的關系：取兩個完全相同的電阻絲，利用學生電源通以相同的電流，比較切割泡沫板的時間。

2.5? 設計定量實驗，“重現”科學歷史

歷史上，焦耳通過電阻絲加熱水，以水溫的升高替代生成的熱量。所以決定了當時的實驗是半定量實驗，然而現在需要解決的一個問題便是：如何將半定量實驗變成定量實驗？此時可以啟發學生回顧初中時期的物理概念：熱容量。進而將溫度的變化與熱量的線性關系確定下來。Q=cmΔT，當被加熱的物體和質量確定后，熱量Q即可用溫度的升高替代，從而實現半定量實驗向定量實驗的過渡，這也是焦耳能通過“半定量”實驗得出正確結論的原因。

那么在現如今科研環境發達的今天如何更高效地完成焦耳定律的定量實驗呢？首先我們需要保溫性更好的容器，其次需要能夠實時記錄并讀取溫度的儀器和軟件。

如圖1、圖2所示，另外需要的軟件為DISLab，可實時讀取溫度傳感器的數據并能智能處理數據。實驗所需器材介紹完畢后，那么聯系焦耳當年的做法如何設計實驗呢？

Q=I2Rt

Q=cmΔT

將溫度變化量ΔT做縱坐標，時間t做橫坐標時候，斜率K==，通過采集數據，繪制圖形，擬合直線方程，比對斜率，即可采用控制變量法定量驗證焦耳定律。

有了前面的理論支撐，教師首先設計實驗電路，如圖3（a）、圖3（b）所示。

如圖4所示：將兩電阻分別放入密閉容器中（焦耳定律實驗器），裝等量煤油，通過DISLab采集數據，將其溫度時間數據繪制成圖像，再擬合為線性方程，讀取線性方程的斜率即可。電熱Q與電阻R的關系中，根據圖3電路設計，擬合為線性方程，實驗得到K1=0.0144，K2=0.0078。即定量的得出電熱Q與電阻R成正比的關系。同樣，在探究電熱Q與電流I的關系中，根據圖4設計，將R1和R2分別放入密閉容器中（焦耳定律實驗器），裝等量煤油，通過DISLab采集數據，將其溫度時間數據繪制成圖像，擬合為線性方程，得到K1=0.0115，K2=0.0032，即定量的得出電熱Q與電流的平方I2成正比的關系。

教師在演示完上述實驗后，通過數據處理與分析，在誤差允許范圍內，定量地得出了焦耳定律。在現代社會利用更先進的實驗器材得到了焦耳數年來得到的相同結論。由此可以非常有效地反應科技改變生活的同時，更能促進科技的長足進步。

然而，教師的上述實驗雖然可以得出結論，但實施起來卻需要兩個電路分開操作，耗時耗力，可以向學生提出改進方法：此時完全可以用分組的形式，讓學生自行設計實驗方案。這個時候是開發學生創造力想象力和創新能力的良好時機，為他們適應今后多變的社會生活奠定良好的基礎。學生在課堂上往往能夠提出很多教師本身都無法想到的實驗新方法。本文針對上述實驗提出一個新的改造實驗。

設計電路如圖5（a）所示，分別將R1、R2、R3置于裝有等量同種煤油的焦耳定律實驗器。通過DISLab采集數據，將其溫度時間數據繪制成圖像，再擬合為線性方程，讀取線性方程的斜率即可。三個電阻產生的熱量與時間的線性方程如圖5（b）所示，R1、R2、R3的斜率關系（如表5所示）在誤差允許范圍內滿足焦耳定律：電熱Q與電流的平方I2成正比，與電阻R成正比的關系。

2.6? 呈現科學的物理觀念與實驗反思

教師講解并和學生一同重走科學之路的過程中，為學生實現觀念轉變提供了良好的契機，這一環節需要學生對實驗現象進行觀察，對數據進行收集和處理，從而對自我形成的物理觀念做出自我解釋。在最終得出正確的結論后，將知識內化的過程中同時形成嚴謹而又科學的物理觀念。

在對實驗的反思中，有學生可能會提出，為什么焦耳當年研究該現象的時候只研究電流，而不研究電壓呢？對于這一問題的提出，教師首先一定要給予高度的肯定，隨后結合科學史的發展給出正確解釋：歐姆引入物理量電壓E時，他最初將之稱為電力計力差，但論文得不到德國電學界認同，理論偃旗息鼓多年，直到1840年以后才得以公諸于世，在此期間焦耳全然不知電壓概念，何談焦耳通過實驗進行電熱Q與電壓U的探究[ 3 ]？

但是事實上，根據歐姆定律，焦耳定律是否真的可以改寫成Q=t呢？對此問題，教師可以從理論推導與實驗驗證的的方法雙管齊下，讓學生再一次認識到要生成正確的物理觀念需要十分嚴謹的科學責任與態度，培養其物理學科核心素養。理論上，教師通過能量守恒與功能關系的角度解釋純電阻電路與非純電阻電路的異同點。實驗上還可以參考文章《為什么焦耳定律不寫成Q=U2/Rt——電熱與電壓無關嗎？》[ 4 ]，多角度多層面的展示科學探究的過程與科學態度。

2.7? 總結與評價

首先對本節課的內容和實驗方法做出總結，再結合科學歷史的發展過程，強調科學理論體系的演變與完善是數代人經過長年累月的實驗與理論的積累，才最終形成如今課本上呈現的焦耳定律的正確表達式：Q=I2Rt。

一堂課往往不能終止于知識的傳授完畢，應加入必要的教師（學生）總結和教師（學生相互）評價環節。通過總結與評價，幫助學生更深刻地理解科學探究的本質與正確科學觀念形成的艱難性和嚴謹性，在潛移默化中培養學生的科學思維和實驗探究精神。

3? 結束語

焦耳沒有研究Q與U一定有歷史淵源和時代的局限性，然而他高超的實驗技能與永不向命運低頭的精神令人嘆服！以史鑒今，不僅是一種尊重事實的科學求實態度，更是一種超越“歷史”、創造“未來”的勇氣與豪邁。將科學史中科學家的探究過程展現在學生面前，在傳授知識的過程中，讓學生能“看見”歷史，甚至親自“重現”歷史，無疑會形成更深刻的印象和更牢固的物理學科核心素養。

參考文獻：

[1] 徐新兵，葉萍.中學物理實驗教學中融入HPS教育的研究.[J].中國現代教育裝備，2020（24）：28-30.

[2] JPJoule. On the Production of heat by Voltaic Electrictity [J]. Philosophical Transactions of the Royal Society of London，Vol.4（1837-1843）：290-282.

[3] 李嘯，陸建隆.基于物理學史視角的電熱與影響因素電壓關系的探討[J].物理通報，2020（9）：112-115.

[4] 牛仲林，姚弘凱.為什么焦耳定律不寫成Q=U2/Rt——電熱與電壓無關嗎？[J].中學物理，2021，39（2）：58-60.