“比熱容”教學的邏輯解析和突破策略

葛漢洪 孫有花 陳生桃

(1. 江蘇省高郵市車邏初級中學,江蘇 高郵 225606； 2. 江蘇省高郵市教育局，江蘇 高郵 225600)

“比熱容”由于其自身內涵豐富,外延寬泛,對于初中生而言極為抽象,一直是初中物理課程中公認的一個教學難點,不少教師對其進行了卓有成效的探索,但筆者認為比熱容教學的根本困難和解決之道還有進一步探究的空間,本文談談筆者的相關思考和實踐,以期撥云見日,柳暗花明．

1 “比熱容”教學的邏輯解析

1.1 教材對“比熱容”教學活動編排上的邏輯困境

以蘇科版教材(人教版、教科版等跟蘇科版類似)為例,其對比熱容一節的編排如下:通過夏日陽光下沙子很燙、海水較涼的情境提出問題“為什么海水和沙子的溫度不一樣呢?”并作出猜想:可能是沙子和水吸收相同熱量時升高的溫度不相同,沙子吸熱升溫比水快的緣故．再通過實驗發現相同質量的沙子和水吸收相同的熱量后沙子升溫比水快,經過圖像的意義切換得到“不同物質在質量相等、升高溫度相同的條件下,吸收的熱量不相等．”然后指出，同種物質,物體溫度升高時所吸收的熱量與它的質量和升高溫度的乘積之比是相等的,對于不同物質,上述比值一般不等,最后引入比熱容．我們發現,通過這樣的路徑建立“比熱容”概念至少在以下3方面值得商榷.

(1) 引入情境錯位.

筆者對本地區初中學生的調查顯示,絕大部分學生并不具備在海邊切身感受過在陽光下海水與沙子溫度不同的經驗,這一點姑且不論．鑒于比熱容的定義為“物體溫度升高時吸收的熱量與它的質量和升高溫度的乘積之比．”所以,情境應該通過“質量相同的不同物體升高相同溫度時吸收的熱量一般不等”顯示出物質的一種熱學性質．但教材采用的“同樣的陽光下海水和沙子的溫度不同”的情境實際上是要通過“質量相同的不同物體吸收相同的熱量升高的溫度不同”(其實情境中海水和沙子的質量是捉摸不定的,相等是我們強加給學生的)顯示出物質的這種熱學性質,存在情境錯位的問題,無形中給學生的學習制造了一個障礙．

(2) 建構方法迂回.

因為情境的錯位,使得教學過程需進行一次意義切換,讓學生的認識從“質量相同的沙子和水吸收相同的熱量后升高的溫度不同”過渡到“質量相同的沙子和水升高相同的溫度吸收的熱量不同”,這一步意義切換是通過沙子和水在加熱過程中的溫度-時間圖像完成的,這樣的處理方式讓概念的建立方法抽象晦澀,讓概念的建立過程迂回復雜．實際上,通過比值定義法建立概念,無需圖像的參與．

(3) 物理量之間相互干擾.

本節教材中出現了兩個“快”字,一是在猜想和假設處說:“可能是沙子和水吸收相同熱量時升高的溫度不相同,沙子吸熱升溫比水快的緣故．”二是在討論圖像的意義時說:“質量相等的沙子和水,哪一個(吸熱)升溫快?”而比熱容并不反映不同物體吸熱升溫“快與慢”,而是反映吸熱升溫“多與少”方面性質的物理量．“快與慢”是“多與少”與時間相結合得到的,本實驗中時間是個重要因素,但它不應與升溫“多與少”結合,而應與“相同加熱條件”結合,以便我們通過加熱時間比較“不同物體吸熱的多少”．所以,教材的表述,存在物理量之間相互干擾的問題,會讓學生對所學內容迷惑不解．

1.2 “比熱容”教學的邏輯重構.

以上分析可見,教材編排的學習活動存在邏輯偏誤,會給學生造成沉重的認知負荷,然而學生的學習只能跟隨教師的思路亦步亦趨,對概念的理解只能“囫圇吞棗”,而難以“含英咀華”．實際上,比熱容教學一定繞不開比值定義法,筆者曾撰文闡述過比值定義法．[1]跟其他通過比值定義得到的物理量一樣,比熱容教學也需要通過觀察現象確定差異——利用比值準確比較——定義概念描述差異的邏輯線索展開教學,以經歷同中求異、異中求同的比較過程．這里的“同中求異”是指一般來說質量相同的不同物質組成的物體吸收熱量都伴隨著溫度升高(同),但質量相同的不同物質組成的物體在升高相同的溫度時吸收的熱量(一般)不同(異),從而顯露物質的一種熱學性質，以明確比較對象．這里的“異中求同”是指盡管不同物質組成的物體溫度升高時吸收的熱量(一般)不同(異),但都可以利用物體溫度升高時所吸收的熱量與它的質量和升高溫度的乘積之比來定量描述這種熱學性質(同),從而便于精確比較物質該方面的熱學性質,如此可以用“比值”定義出新物理量，即比熱容．以這樣的邏輯路線為基礎,筆者提出了比熱容教學難點的突破策略.

2 比熱容教學難點的突破策略

2.1 巧設情景顯露物質性質

師:我們以前觀察過水的沸騰,實驗中要適當減少酒精燈加熱時間,可以怎么辦?

……

生:適當減少水的質量．

師:為什么適當減少水的質量可以減少加熱時間?

生:因為初溫相同,都加熱到沸騰,水的質量越少需要吸收的熱量越少．

設計意圖:這個看似簡單的問題對于本課的學習卻特別重要,因為對這個問題的思考可以幫助學生在意識里確立“水吸收的熱量”這個物理量,認識到加熱時間的長短由水需要吸收的熱量多少決定,并且將不可測量的水吸收的熱量多少與可測量的加熱時間建立起聯系．為下面的活動做好鋪墊．從奧蘇貝爾意義學習的角度看,學生是否具有起固定點的概念,對學習是否有意義起重要作用,質量、變化的溫度、吸收(放出)的熱量3個概念就是建立比熱容概念的固定點,而學生對質量、溫度已經很熟悉了,需要加強的是熱量．所以,這里有必要板書:通過加熱時間長短可以比較出水吸收熱量的多少(轉換法)．

師:如果觀察其他液體的沸騰,例如煤油,你覺得影響將水和煤油加熱到沸騰所需時間長短的因素有哪些?

生:質量、初溫、沸點、……

設計意圖:這樣做并不是真的要去將水和煤油加熱到沸騰,探究影響水和煤油加熱長短的因素,只是為了順應學生經驗,架設教學起點而設計的一個引導性問題．

師:如果在相同的加熱條件下,讓質量、初溫相同的水和煤油升高到相同的溫度,你覺得所用時間相同嗎?

生:…….

設計意圖:該問題于學生而言既在情理之中,又在意料之外,可以有效將學生引入“憤”、“悱”狀態,從而激發學生探究欲望,強化學生學習動機．

師:讓我們通過實驗探究一下．

學生實驗:裝置如圖1所示.(建議用小燒杯裝30g的水和煤油通過加熱將溫度升高20℃,并將全班分為盡量多的小組,收集盡量多的數據,可以讓結果更有說服力)

圖1

實驗現象表明:讓質量、初溫相同的水和煤油升高到相同的溫度所用的時間不同．

師:加熱時間不同說明什么?

生:說明相同質量的水和煤油升高相同的溫度需要吸收的熱量不同．(有了之前的鋪墊,學生很容易回答出來)

師:如果用其他物質做實驗,會發現相同質量的不同物質升高相同的溫度需要吸收的熱量一般不同,這就顯示出物質的一種熱學性質,就水和煤油而言,這種熱學性質誰強?

生:水.

設計意圖:比值定義法的核心思想是“通過比值進行比較”,所以,教學的首要任務是確立比較對象的一種熱學性質,而物質的這種熱學性質并不像有些比較對象那樣直觀(例如學習速度概念時的比較對象是物體運動的快慢)．本活動的好處是不但有情境,而且有實物,一方面切合學生的已有經驗,另一方面可以直觀顯露物質的這種熱學性質的差異,以這樣的活動作為概念學習的第一手資料,才更能訴諸學生的思維．

2.2 熟用方法比較物質性質

師:如果1kg甲物質組成的物體,溫度升高1℃吸收的熱量是2.4×103J, 而1kg乙物質組成的物體,溫度升高1℃吸收的熱量是2.1×103J,則甲、乙的這種熱學性質誰強?

生:甲．

師:如果2kg丙物質組成的物體,溫度升高6℃吸收的熱量是2.52×104J,5kg，丁物質組成的物體,溫度升高3℃吸收的熱量是2.7×103J,則丙、丁的這種熱學性質誰強?

設計意圖:因為這里丙、丁的質量不相等,升高的溫度也不相等,所以不能通過直接比較吸收熱量的方法比較兩物質的這種性質誰強．如果學生能夠根據經驗想到將質量、升高的溫度這兩個物理量放在分母上,將吸收的熱量放在分子上,得到吸收的熱量與質量和升高溫度的乘積的比值,比值的結果就是當質量為1kg時,升高的溫度為1℃時物體吸收的熱量,通過比值就能夠方便比較不同物質這方面熱學屬性,就說明學生能夠熟練使用比值定義法,并且也能夠理解“物體溫度升高時所吸收的熱量與它的質量和升高溫度的乘積之比”是怎么得來的．筆者認為,這就是以已有的“漁”取新鮮的“魚”,對學生自主建構比熱容的定義至關重要．

2.3 引入概念描述物質屬性

師:實驗表明,相同質量的同種物質組成的物體溫度降低1℃放出的熱量跟溫度升高1℃吸收的熱量相等．既然相同質量的不同物質組成的物體,升高(降低)相同溫度吸收(放出)的熱量一般不同,顯示了不同物質的一種熱學性質,并且用“物體溫度升高(降低)時所吸收(放出)的熱量與它的質量和升高(降低)溫度的乘積之比”可以定量描述物質的這種性質,物理學就給這個比值引入了專門的物理量叫‘比熱容’,用來描述物質的這種性質．

學生閱讀教材,自學比熱容的定義、單位、計算公式、比熱容表,說說有哪些發現.

設計意圖:在經歷了觀察物理現象,離析出物理表象,再到生成物理意義的整個思維活動之后,最后對物理意義進行符號表征,建構物理知識,這樣的知識才是具有生命活力的知識,才是能夠轉化為學生學科素養的知識．

2.4 聯系生活理解物質性質

引導學生對比“水”和其他液體(例如酒精)的比熱容的物理意義,思考汽車的冷卻液應該選用哪種液體,并說明理由(水的比熱容大,所以吸熱能力強)．然后讓學生對比水和沙子的比熱容的物理意義,思考如果吸收相同的熱量,它們各自升高的溫度是什么關系(水的比熱容大,所以溫度難以改變),再結合生活情境思考:從清晨到中午,海水和海邊的沙子升高的溫度是什么關系;從白天到夜晚,海水和沙子降低的溫度是什么關系;一天之內,海水和沙子的溫差是什么關系.通過事例幫助學生認識到水的比熱容大，在不同的情境中會有吸熱能力強和溫度難以變化兩種不同的表現．

設計意圖:因為初中學生的物理認知水平尚處于具體運算階段,對概念的理解還不能脫離具體事物的支持,所以,在運用概念解釋生活現象之前,需輔之以具體的數據,可以幫助學生豐富對概念的體驗,活化對概念的理解,充分認識到概念存在的意義．

通過解釋生活中其他跟比熱容有關的現象幫助學生鞏固所學．例如，海陸風的形成原因．冬天用的暖手寶里面應該用什么液體,為什么?為什么沙漠地區會有 “早穿皮襖午穿紗，圍著火盆吃西瓜”的諺語.科學家測量發現,三峽水庫的修建使得當地夏天的氣溫下降了約5℃,冬天氣溫上升約3℃,為什么?育秧苗時,人們在溫度低的夜晚往秧田里灌水,可以防止秧苗被凍傷,為什么?

設計意圖:本課的前3階段揭示比熱容的“來龍”,讓學生明白比熱容“是什么”,本階段還需揭示比熱容的“去脈”,讓學生明白生活中“什么是”比熱容．如此,學生能經歷“從生活走向物理,從物理走向社會”的學習過程,在對新學知識的遷移應用中準確把握比熱容的內涵,初步感知比熱容的外延,深化對概念的理解．

由于本課涉及的物理量較多,所以有必要進一步設置問題情景以厘清物理量與物理量之間的關系,加深學生對相關概念的理解.

師:如圖2用兩個同樣的酒精燈給水和煤油加熱,怎樣比較水和煤油吸收熱量的多少?

生:比較酒精燈加熱時間．

師:如圖3,加熱工具不同,還可以通過比較加熱時間的方法比較水和煤油吸收熱量的多少嗎?怎么辦?

生:不能,……

圖3

參考文獻：

1 葛漢洪,孫有花.摭談初中物理課程中的“比值定義法”[J]. 中學物理教學參考,2016(7)： 13-16.