創(chuàng)設(shè)情境 激發(fā)思維——兼談“溫度與溫標(biāo)”的教學(xué)設(shè)計

焦 輝

(江蘇省邳州市第二中學(xué),江蘇邳州 221300)

1 教學(xué)設(shè)計說明

筆者本學(xué)期擔(dān)任兩個理科班的物理教學(xué)任務(wù).在進(jìn)行人教版的選修3-3第7章“分子動理論”第4節(jié)“溫度與溫標(biāo)”的教學(xué)時,筆者經(jīng)過認(rèn)真?zhèn)湔n,先在其中一個班進(jìn)行了教學(xué).教學(xué)的大致思路是這樣的.

(1)引入.前面幾節(jié)課我們學(xué)習(xí)了分子動理論,它是研究熱現(xiàn)象的微觀理論.為了更好地研究熱現(xiàn)象,探究更多的熱力學(xué)規(guī)律,我們還必須要引入描述熱現(xiàn)象的物理量.本節(jié)課將學(xué)習(xí)“溫度與溫標(biāo)”.

(2)新課教學(xué).接下來筆者基本上是按照書上的順序進(jìn)行教學(xué)的.首先引入系統(tǒng)、狀態(tài)參量、平衡態(tài)、熱平衡等一系列概念,然后進(jìn)行熱平衡定律的教學(xué),并在此基礎(chǔ)上引入溫度這個物理量,接著討論了溫度計測溫原理,最后進(jìn)行了溫標(biāo)與溫度計的教學(xué).

在教學(xué)實踐中,筆者明顯體會到按上述過程進(jìn)行教學(xué),課堂波瀾不驚、氣氛比較沉悶,更為令人失望的是在某些內(nèi)容上學(xué)生感到不可思議,難以理解.如在學(xué)習(xí)熱平衡定律時,有許多學(xué)生居然在課堂上發(fā)出本課少有的笑聲,說這也能算是一個定律?尤其在學(xué)習(xí)熱平衡定律之后,引入溫度這個物理量時,由于學(xué)生對初中所學(xué)溫度的固有認(rèn)識,大多數(shù)學(xué)生感到茫然.雖然努力采用類比、指導(dǎo)學(xué)生看書等教學(xué)方法,但收效甚微.筆者能感覺到大部分學(xué)生還是勉勉強(qiáng)強(qiáng)地接受.

課后筆者立刻進(jìn)行了認(rèn)真地反思.感到教學(xué)效果不佳的原因主要有以下幾個方面:一是本節(jié)教材十分簡潔,以致難懂(其他教師均有這種感覺),需要教師更多的講解.二是學(xué)生原有知識的影響.三是教學(xué)方法欠妥當(dāng).針對課堂出現(xiàn)的問題,筆者一方面上網(wǎng)搜索與本節(jié)內(nèi)容有關(guān)的教學(xué)資源,尤其是熱平衡定律建立的歷史背景及建立的意義.另一方面及時調(diào)整教學(xué)方法.本節(jié)內(nèi)容與生活聯(lián)系密切、息息相關(guān),本應(yīng)該是一節(jié)能夠出彩的課.經(jīng)過思考,決定從學(xué)生熟知的生活現(xiàn)象入手.筆者精心地選擇了兩個問題作為新課教學(xué)的引入,以問題的形式創(chuàng)設(shè)情景,激發(fā)學(xué)生的思維,然后再去建立物理概念和規(guī)律.按照新的教學(xué)思路在另一個班級進(jìn)行教學(xué)時,效果比較理想.

2 學(xué)情分析

學(xué)生在初中已經(jīng)學(xué)過溫度的概念,將溫度定義為“表示物體冷熱程度的物理量”,這是對溫度的一個通俗解釋.另外,學(xué)生也熟知用溫度計測量溫度的操作過程,但不明確這一操作過程的物理原理.基于對溫度的膚淺認(rèn)識,因而對許多與溫度有關(guān)的物理現(xiàn)象認(rèn)識得也不夠深刻和精細(xì).

3 教學(xué)設(shè)計

在傳統(tǒng)的教學(xué)過程中,一般都是教師講,學(xué)生聽,教師按照預(yù)先設(shè)計好的教學(xué)思路和教學(xué)過程進(jìn)行教學(xué).即使中間穿插一些提問,也主要是對一些事實現(xiàn)象的再現(xiàn),沒有多大的思考余地.建構(gòu)主義以相反的思路來設(shè)計教和學(xué),主張“在問題解決中學(xué)習(xí)”.同時心理學(xué)的研究也表明,發(fā)現(xiàn)問題是思維的起點,也是思維的源泉和動力,沒有問題的思維是膚淺的思維.因此,在課堂教學(xué)中,教師應(yīng)注重激發(fā)學(xué)生思維的積極性,培養(yǎng)學(xué)生的問題意識.問題意識是指學(xué)生在認(rèn)識活動中意識到一些難以解決的、疑惑的實際問題或理論問題時產(chǎn)生的一種懷疑、困惑、焦慮、探究的心理狀態(tài).這種心理狀態(tài)驅(qū)使學(xué)生積極思維,不斷提出問題和解決問題.在課堂教學(xué)中,教師不僅要培養(yǎng)學(xué)生的問題意識,還要善于挖掘素材,努力創(chuàng)設(shè)各種問題情境,鼓勵、引導(dǎo)學(xué)生多角度、多層面地深入探索問題,用疑問開啟學(xué)生思維的心扉,啟迪學(xué)生智慧,幫助他們不斷挑戰(zhàn)自我,享受到探索問題給自己所帶來的快樂.從而在探索問題的過程中,將知識的理解引向深入.

3.1 新課的引入

教學(xué)片斷1:(教師提出情境與問題,學(xué)生思考回答)

情境與問題1:冰與水混合物的溫度是多少?全體學(xué)生自豪地齊聲回答:0℃.根據(jù)學(xué)生的回答,接著筆者追問了如下兩個小問題:

(1)剛才的問題中提到了“溫度”,這是個很重要的物理量,你對它了解多少?

(2)你是怎么知道冰水混合物的溫度是0℃的?

對于第1個追問,一部分學(xué)生立刻回答:在初中就學(xué)到了,它是“表示物體冷熱程度的物理量”.教師提醒學(xué)生注意:這個定義帶有主觀性,是憑借人的感覺器官經(jīng)過比較得到的,有時會導(dǎo)致錯誤的結(jié)論.例如,冬天當(dāng)我們用手分別去摸放在一起的木頭和鐵塊時,則會感到鐵塊比木頭冷.按照上面的說法,就應(yīng)該是鐵塊的溫度比木頭的低.但事實上,它們的溫度是一樣的.因此,我們有必要給溫度下一個更加科學(xué)的定義.這是我們這節(jié)課的重要任務(wù)之一.

對于第(2)個追問,絕大多數(shù)學(xué)生被問得啞口無言.如果還有個別學(xué)生能夠回答出這是人為規(guī)定的,那么就再追問:為什么要做出這樣的規(guī)定呢?

情境與問題2:生活中,大家都遇到過這樣的情景,在我們感到身體不適時,通常會用溫度計先量一量體溫.經(jīng)過一段時間(約5分鐘)后,取出溫度計,我們看一看溫度計上的示數(shù)就可以知道自己的體溫了.對于這一生活常見的現(xiàn)象,筆者追問了2個小問題:

(1)為什么測量體溫時,需要經(jīng)過一段時間才能取出溫度計?

(2)你明明看的是溫度計,憑什么說溫度計上的示數(shù)就是你的體溫值?

學(xué)生僅憑原有的知識經(jīng)驗很難正確回答這兩個追問.此時,教師適當(dāng)引導(dǎo)學(xué)生:要想深刻理解以上問題,找到答案,還必須耐心地學(xué)習(xí)幾個概念.

設(shè)計意圖:筆者選擇的這兩個情景與問題以及后面的追問是有針對性的.問題1中的兩個追問涉及到溫度概念的引入及溫標(biāo)的建立;問題2中的兩個追問涉及到熱平衡定律及測溫原理.經(jīng)歷以上的互動,這時新舊知識的沖突就建立起來了,這必定會激發(fā)學(xué)生的思維,從而努力去重組自己原有的認(rèn)知結(jié)構(gòu).

3.2 熱力學(xué)系統(tǒng)、熱力學(xué)平衡態(tài)、狀態(tài)參量等概念的教學(xué)

教學(xué)片斷2:

(1)課件展示:熱力學(xué)的定義(網(wǎng)上資源)

熱力學(xué)是研究熱現(xiàn)象的宏觀理論,是研究熱現(xiàn)象中物質(zhì)系統(tǒng)在平衡態(tài)時的性質(zhì)以及狀態(tài)發(fā)生變化時與外界相互作用的學(xué)科.

(2)讓學(xué)生從定義中提煉出熱力學(xué)研究的對象——熱力學(xué)系統(tǒng)

舉例說明如何根據(jù)研究對象確定熱力學(xué)系統(tǒng)與外界.

(3)創(chuàng)設(shè)情境,感受熱力學(xué)平衡態(tài)及其特點

創(chuàng)設(shè)情境:將兩個冷熱不同的物體A、B放在一起,并設(shè)它們組成的系統(tǒng)不受外界影響,經(jīng)過一段時間后發(fā)現(xiàn)他們的冷熱達(dá)到了一致.此后,不管經(jīng)過多長時間,它們的冷熱均不再變化.我們把這種在不受外界影響的條件下系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)不隨時間而改變的狀態(tài)叫做熱力學(xué)平衡態(tài),反之稱為非平衡態(tài).平衡態(tài)對于熱學(xué)的研究非常重要,但是,平衡態(tài)是一種理想情況,因為任何系統(tǒng)完全不受外界影響是不可能的.

對比分析:熱力學(xué)平衡與通常所說的力學(xué)平衡是有區(qū)別的.熱力學(xué)平衡是指系統(tǒng)中大量微觀粒子的平均宏觀效果不隨時間而改變,但從微觀上看,其中的每一個粒子卻仍然處在一種無規(guī)則的熱運動中.因此,熱力學(xué)平衡是一種動態(tài)平衡.而力學(xué)平衡則是指物體的運動狀態(tài)處于靜止或勻速直線運動.

(4)指導(dǎo)學(xué)生通過已有知識的遷移,引入狀態(tài)參量來描述熱力學(xué)系統(tǒng)的平衡態(tài)

處于力學(xué)平衡的物體,我們使用了坐標(biāo)和速度這兩個物理量來定量地描述物體位置及其變化的特點.同樣,處于熱力學(xué)平衡的系統(tǒng),也需要用到一些物理量來定量描述,這些物理量就叫做熱力學(xué)系統(tǒng)的狀態(tài)參量.狀態(tài)參量是一些用來表示系統(tǒng)固有特性的變量.依據(jù)系統(tǒng)特性的不同,狀態(tài)參量可以分為5大類別.第1類是幾何參量,如體積等;第2類是力學(xué)參量,如壓強(qiáng)等;第3類是熱學(xué)參量,如溫度等;第4類是化學(xué)參量,如濃度等;第5類是電磁參量,如電場強(qiáng)度、磁場強(qiáng)度等.在具體的描述中,究竟要用幾個參量以及哪幾種參量,主要以恰能完全地確定系統(tǒng)的狀態(tài)而定.

設(shè)計意圖:將所學(xué)的知識適當(dāng)?shù)刂糜趶V闊的背景之下,對學(xué)習(xí)的內(nèi)容進(jìn)行適度的開放,有助于學(xué)生掌握探索學(xué)科知識的規(guī)律和遷移應(yīng)用,有助于對學(xué)科知識本體理解的深化和提升.

3.3 熱平衡定律與溫度的教學(xué)

教學(xué)片斷3:

(1)引導(dǎo)學(xué)生再次回憶熱力學(xué)的定義,從定義中明確熱力學(xué)的研究范疇

熱力學(xué)除了研究熱力學(xué)系統(tǒng)在平衡態(tài)時的性質(zhì),還要研究系統(tǒng)與外界相互作用的情形,這才能構(gòu)成一套完整的理論體系.這如同完整的牛頓運動定律必須包括牛頓第三定律一樣.

(2)創(chuàng)設(shè)情境,建立熱平衡的概念

將兩個分別處于不同平衡態(tài)的系統(tǒng)(物體)進(jìn)行接觸使它們之間發(fā)生傳熱,它們的狀態(tài)參量均會發(fā)生改變.經(jīng)過足夠長的時間,這兩個系統(tǒng)便會達(dá)到一種新的、共同的平衡狀態(tài),由于這種平衡狀態(tài)是兩個系統(tǒng)在發(fā)生傳熱的條件下達(dá)到的,所以這種平衡叫做熱平衡.

“熱平衡”指的是兩個系統(tǒng)之間的關(guān)系,平衡態(tài)指的是一個系統(tǒng)的狀態(tài),兩者不能混淆.

(3)理想小實驗,建立熱平衡定律,科學(xué)引入“溫度”

圖1

如圖1甲所示,A、B、C為3個平衡狀態(tài)各異的系統(tǒng),用一絕熱壁將 A與B隔開,并使它們同時與C進(jìn)行接觸傳熱.這樣,經(jīng)過一定的時間后,A與B便會與C達(dá)到熱平衡.這時,如果我們迅速地將 A、B間的絕熱壁換成導(dǎo)熱壁,將A、B與C之間的導(dǎo)熱壁換成絕熱壁,如圖1乙所示,那么,我們會發(fā)現(xiàn),A、B的狀態(tài)沒有任何變化,換句話說,系統(tǒng)A與系統(tǒng)B也達(dá)到了熱平衡.這種與第三個系統(tǒng)達(dá)到熱平衡的兩個物體之間也必定處于熱平衡的事實就叫做熱平衡定律.它是在熱力學(xué)第一、第二定律發(fā)現(xiàn)后,人們才認(rèn)識到這一規(guī)律的重要性和基礎(chǔ)性的,因此又稱為熱力學(xué)第零定律.

熱平衡定律告訴我們,一切互為熱平衡的系統(tǒng)都必定具有某個共同的熱學(xué)性質(zhì),我們就把表征這一“共同熱學(xué)性質(zhì)”的物理量叫做溫度.換句話說,溫度是決定諸物體是否達(dá)到熱平衡的物理量,它的特征就是“一切達(dá)到熱平衡的系統(tǒng)都具有相同的溫度”.

(4)引導(dǎo)學(xué)生再思考情境與問題2,明確溫度計的測溫原理

人體和溫度計分別是兩個系統(tǒng),它們接觸后需一定的時間才能達(dá)到熱平衡,這時溫度計的溫度就是人體的溫度.

設(shè)計意圖:既能讓學(xué)生體會物理概念及規(guī)律建立的過程,也能夠體現(xiàn)物理學(xué)研究問題的基本思路和方法,促使學(xué)生形成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度與價值觀.

3.4 溫標(biāo)的教學(xué)

教學(xué)片斷4:

(1)聯(lián)系生產(chǎn)生活、科學(xué)研究實際,理解建立溫標(biāo)的必要性與理論依據(jù)

在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究和實際生活中,人們不僅需要知道溫度的高低,還需要知道溫度的具體數(shù)值.這就好像我們要了解一個物體的長度一樣,不僅要知道它是長是短,還要知道它的具體數(shù)值.這個工作是靠一個測量長度數(shù)值的標(biāo)準(zhǔn)尺子來完成的.與長度測量的情況一樣,我們要想具體地測量物體的溫度數(shù)值,需要有一把能夠度量溫度數(shù)值的“標(biāo)準(zhǔn)尺子”,也就是溫標(biāo).

熱力學(xué)第零定律不僅給出了溫度的科學(xué)概念,而且還指出了溫度的測量方法,那就是事先選擇一個物體作標(biāo)準(zhǔn)(這個被選作標(biāo)準(zhǔn)的物體就叫溫度計),然后將它與待測物體進(jìn)行接觸,只要經(jīng)過一段時間,當(dāng)它與待測物體達(dá)到熱平衡時,則標(biāo)準(zhǔn)物體所表示的溫度就是待測物體的溫度.

(2)提供世界上曾經(jīng)產(chǎn)生過的幾種不同的溫標(biāo),選擇性地介紹兩種比較有影響的早期溫標(biāo):華氏溫標(biāo)和攝氏溫標(biāo).讓學(xué)生體會溫標(biāo)建立的過程,并幫助學(xué)生自主總結(jié)出建立溫標(biāo)需要做的主要工作.

要建立溫標(biāo),大致需要做4件事情:第一是選擇適當(dāng)?shù)奈镔|(zhì)作為測溫物質(zhì),如水銀、酒精、金屬絲等;第二是選擇測溫物質(zhì)隨溫度而變化的性質(zhì),如體積、壓力、電阻等;第三是規(guī)定測溫物質(zhì)的性質(zhì)隨溫度而變化的關(guān)系,通常多假設(shè)它們?yōu)榫€性關(guān)系;第四是確定溫度的零點和分度方法.

(3)對比引入熱力學(xué)溫標(biāo),并留下自主學(xué)習(xí)空間

教師闡述:早期溫標(biāo)在當(dāng)時的歷史條件下對發(fā)展工農(nóng)業(yè)及科學(xué)研究起過不少的推進(jìn)作用,但存在缺點(學(xué)生課后通過查找資料、上網(wǎng)等方式查閱并交流).現(xiàn)代科學(xué)中用得更多的是熱力學(xué)溫標(biāo),它是最理想的溫標(biāo)(學(xué)生課后通過查找資料、上網(wǎng)等方式查閱并交流),是開爾文于1884年創(chuàng)立的,所以又叫開爾文溫標(biāo).熱力學(xué)溫標(biāo)表示的溫度叫做熱力學(xué)溫度,它是國際單位制中7個基本物理量之一,用符號 T表示,單位是開爾文,符號為 K.

1960年,國際計量大會確定了攝氏溫標(biāo)與熱力學(xué)溫標(biāo)的關(guān)系:攝氏溫標(biāo)由熱力學(xué)溫標(biāo)導(dǎo)出.攝氏溫度t與熱力學(xué)溫度T的關(guān)系為T=t+273.15K.還可以推導(dǎo)出ΔT=Δt.

設(shè)計意圖:一方面把教材看作是傳遞教學(xué)信息的重要媒介,變“教教材”為“用教材教”.另一方面倡導(dǎo)建立具有“主動參與”、“樂于探究”和“交流與合作”特征的學(xué)習(xí)方式,努力使教師的教學(xué)過程和學(xué)生的學(xué)習(xí)活動都發(fā)揮出最大的效益.

4 教學(xué)行動思考

把物理教學(xué)的內(nèi)容和學(xué)生的生活實際聯(lián)系起來,有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情,強(qiáng)化學(xué)生的實踐意識,提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力;把物理知識與應(yīng)用技術(shù)、人文科學(xué)相結(jié)合,能使學(xué)生獲得一個更為廣闊的視野,有助于學(xué)生形成科學(xué)的價值觀,增強(qiáng)社會責(zé)任感.這些都是高中物理課程目標(biāo)所強(qiáng)調(diào)的.在教學(xué)中我們要充分利用各種教育資源,溝通課堂內(nèi)外,拓展學(xué)生的學(xué)習(xí)空間,增強(qiáng)學(xué)生實踐創(chuàng)新的機(jī)會.只要我們從學(xué)生學(xué)習(xí)與發(fā)展出發(fā),源于學(xué)科的本體,著眼于學(xué)生發(fā)展的本位,實施開放、綜合的策略,既不能過度地遠(yuǎn)離教材,漫無邊際,也不能狹隘地拘于條條框框,整合不到位.我們有理由相信,有情境、有問題、又有機(jī)整合的課堂必定是鮮活、充滿生命力的課堂,是為學(xué)生終身學(xué)習(xí)和發(fā)展打基礎(chǔ)的課堂,是符合現(xiàn)代教育的價值取向的課堂,這樣的課堂值得我們繼續(xù)深入探索.