培養學生科學思維的問題鏈設置
——以“電熱器 電流的熱效應”為例

2018年11月，筆者受邀在一次學科展示活動中執教了“電熱器 電流的熱效應”一課，現將課堂實錄加以整理，闡述在具體的一節課上，如何設計問題鏈和實驗載體，在單元設計視角下落實對學生科學思維的培養。

一、課堂實錄摘要

活動1：感受電熱（電流通過導體產生熱量）的多少與哪些因素有關？

在自制插線板（導線較細）上接一個燈泡，通電后請學生摸一摸燈泡，說出感覺。請他再摸一下連接插線板的導線。感受燈泡和連接插線板的導線，哪一個更熱？

師：燈泡（燈絲）和插線板的導線之間是怎么連接的？可能是哪個物理量的不同造成了它們的溫度不同？

生：串聯?？赡苁且驗樗鼈兊碾娮璨煌?。導線和燈絲串聯接入電路，如圖1所示，通過它們的電流和通電時間相同。電流通過導線和燈泡都會發熱，燈泡的溫度高些，可能是因為燈絲的電阻比導線的電阻大一些的緣故。

（圖1）

（圖2）

（把電爐也接入插線板，再請學生上來摸一摸導線，感覺導線比之前更熱了。）

師：兩次導線溫度不同，說明電流通過導線產生的熱量不同。把圖2和圖1進行比較，可能是什么物理量的不同導致電流通過導線產生熱量不同呢？

生：電流。

師：哪一次電熱更多呢？

生：第二次電熱更多。

師：只可能是電流不同的原因嗎？

生：時間，第二次時間比第一次時間長。

活動2：設計實驗方案比較電熱的多少。

師：剛才大家猜想電熱可能與三個因素（電阻、電流、時間）有關，我們在設計實驗時要用到什么方法？

生：控制變量法。

師：還有一個問題我們必須解決，那就是如何比較導體通電后產生的熱量多少呢？

生：比較溫度。

師：（出示一個電阻）用普通的溫度計去測量一個電阻的溫度方便嗎？回顧我們在第十二章研究燃料熱值時，是如何反映燃料燃燒時放出熱量的多少的？

生：把電阻放入水中，通電后用溫度計測量水溫升高的多少。

師：為什么要用水呢？

生：水的比熱容大。

師：比熱容大，有什么好處？

生：升溫慢。

師：升溫快慢是相對的。如果升溫過慢，對課堂上做實驗是不利的，比如30分鐘才升高1攝氏度，那多浪費時間呀！那我們應該怎么辦呢？

生：選比熱容比較小的煤油作為被加熱對象吧！

師：剛才大家想到的是加熱液體，如煤油或水，我們還可以加熱什么呢？

生：空氣。

師（出示器材）：讓電阻加熱氣體，用這些氣體來吹氣球，通過觀察氣球大小來判斷電熱的多與少。氣體除了吹氣球，還可以吹液柱，可以在細直管里滴入一滴水珠，封住里面的氣體。這個裝置也有一些不足，大家找找看？

生：氣體會把水珠吹走。

師：是的，有時水珠會被吹出去，有時遇冷水珠會被吸到瓶中。針對這一不足，大家想想看我們之前曾用過一個什么樣的裝置，它也是用管子裝水，但不是直管子，里面的水柱可以被氣體推動？（展示器材）

師：通過觀察什么就知道電熱的多與少了？

生：液柱上升的高度。

師：無論是加熱氣體還是液體，都要注意裝置的氣密性。如果某同學在實驗過程中，沒有觀察到液柱上升，可能是什么問題呢？

生：裝置氣密性差。

師：還有可能是什么原因呢？

生：沒有通電。

師：那你如何判斷電路中有沒有電流呢？

生：串聯一個燈泡。燈亮有電流，燈不亮沒有電流。

師：燈亮肯定有電流，沒有電流燈肯定不亮。但是燈不亮一定是沒有電流的原因嗎？

生：也可能是因為電流過小，燈泡的實際功率太小。

師：所以，除了串聯一個燈泡外，有沒有更好的方法去檢驗是否通電呢？

生：串聯一個電流表。

活動3：定性探究電熱與電阻的關系。

學生選用不同器材進行實驗，記錄數據。

生：通過觀察到阻值大的一側液柱上升得快，可以得出的結論是——當電流和通電時間相同時，導體的電阻越大，產生的熱量越多。

活動4：設計電路探究電熱與電流的關系。

生：保持電阻和通電時間相同，改變電流。

師：如何選擇器材做到電阻和通過時間相同，電流不同呢？

生：5Ω電阻和5Ω電阻并聯。

師：兩個阻值相同的電阻并聯，電流不一樣嗎？如何才能做到使通過它們的電流不同呢？

生：可以在某個支路串一個變阻器，如圖3所示。

師：除了這個方案，有沒有其他方案了？是否可以讓兩個5Ω電阻串聯，然后讓某個5Ω電阻中的電流和另一個5Ω電阻中的電流不同呢？

生：在一個5Ω電阻兩端并聯一個變阻器，如圖4所示。

師：剛才大家用的是5Ω電阻兩個，能否5Ω電阻只用一個呢？

生：可以。讓5Ω電阻與一個滑動變阻器串聯來改變電流大小，如圖5所示。

（學生分組做實驗）

實驗現象：電流大的那一側液柱上升得快。

師：根據觀察到的實驗現象，可以得到什么樣的實驗結論？

生：當電阻和通電時間相同時，電流越大，電熱越多。

活動5：定量探究電熱與電阻、電流的關系。

師：剛才，同學們用實驗分兩步探究了電熱與電阻和電流的關系，如果能有一套裝置一步定量研究出電熱與電流、電阻和通電時間的關系就好了，請看“實驗神器”（圖 6）。

加熱2分鐘，記錄數據如表1所示。

（圖3）

（圖4）

（圖5）

（圖6）

生：比較甲、乙兩組實驗數據，分析可得，電熱與電流的平方成正比；比較甲、丙兩組實驗數據，分析可得，電熱與電阻成正比。

師：如果我們再利用秒表，還可以研究電熱與通電時間的關系。通過分析數據可以得到“電熱與通電時間也成正比”。這一規律被稱為“焦耳定律”：Q=I2Rt。

（表1）

二、培養科學思維的思考

本節課通過問題鏈引導學生在觀察、實驗、探究的基礎上，研究電熱與電阻、電流和通電時間的關系，經歷提出猜想、建構實驗模型、創新設計、具體實驗操作的探究流程，通過定性和定量實驗進行收集數據、科學推理、科學論證的方式最終得出規律。同時將評價和學習過程緊密結合，能切實發展學生的建模、推理、論證能力。

在探究中，始終以實驗載體設計為依托。如在用轉化法反映電熱的多少時，選擇一種物質的某種物理屬性隨著電熱多少而變化；在選擇液體時，通過比熱容大小的比較得出用比熱容小的煤油，可以測量煤油被電阻加熱后溫度升高的多少來反映電熱的多少；也可以加熱氣體，對利用氣體受熱膨脹來吹氣球，再提出可以用氣體受熱膨脹來推動U型管內的液柱上升效果更好。在活動中基于事實證據和科學推理對不同觀點提出質疑和批判，不斷進行修正，進而提出創造性見解，使學生在深度學習中培育科學思維。