比熱容概念有效教學探討
——學習心理學視角

魏舜芷 劉紫微 陳 剛

（1.華東師范大學教師教育學院，上海 200333；2.同濟大學第一附屬中學，上海 200438）

“比熱容”是初中物理教材中非常重要的物理概念，但其概念抽象，不同版本教材對比熱容概念有兩種定義方式，不少學者和一線教師也對比熱容的實驗教學和概念建構有不同的教學改進方案和研究積累.概念定義方式的不同、教學方案的不同，對學生習得比熱容概念是否有影響？這些教學改進是否有效？如何更好地解決比熱容概念建構的教學困境？筆者嘗試以學習心理學為基礎，從學生學習的結果——圖式來探討比熱容的教材編寫和教師教學是否有效，并給出教學建議，以期對初中物理中比熱容概念的教學有所幫助.

1 物理概念的學習結果——概念圖式

1.1 圖式及物理概念圖式

根據(jù)學習心理學可知，學習者學習物理概念和規(guī)律，其最終的內(nèi)部表征應是特定概念和規(guī)律的圖式.圖式就像是圍繞某個主題組織起來的認知框架.它是一些觀念及其關系的組合，是對某一范疇中對象具有共同屬性構成結構的整體編碼表征方式.［1］對于物理概念，學習時可以從物理意義（概念引入的必要性）、物理性質(zhì)（物理概念間的定性或定量關系），符號、表達式、單位、與其他物理概念間的關系等方面加以認識.［2］

1.2 比熱容的學習結果

學生經(jīng)過有意義的比熱容概念學習后，在腦海中形成的學習結果是比熱容概念圖式.比熱容概念圖式如表1所示.

表1 比熱容概念圖式

由圖式可知，學生在建立對比熱容的認識時，最主要習得比熱容的定義、物理意義和物理性質(zhì)等.

若要學生習得一個新的物理概念，則代表學生要能夠理解這個物理概念，包括理解其物理意義和物理性質(zhì).根據(jù)布魯姆教育目標分類學，當學生表現(xiàn)出“解釋、舉例、推論、分類、概要、說明、比較”的外顯行為時，表明學生已達到“理解”層次.［3］如果學生能夠解釋為什么要引入比熱容這一物理量，即代表學生達到理解比熱容物理意義的水平.如果學生能夠解釋其物理量之間的關系以及關系建立的依據(jù)，即代表學生達到理解比熱容物理性質(zhì)的水平.

2 比熱容的定義方式

定義即概念界定，通常來說，一個物理概念的物理意義和物理性質(zhì)與其定義有著緊密的聯(lián)系，所以定義方式也應對學生習得物理意義和物理性質(zhì)有幫助.

通過“比熱容”概念引入的歷史，［4］我們可以知道，物理學家們先是引入“熱容量”這一術語，表示物質(zhì)溫度升高或降低1℃時吸收或放出熱量的多少，接著引入“比熱容”來表示單位質(zhì)量的某種物質(zhì)溫度升高（或降低）1℃時吸收（或放出）的熱量.可見此時的比熱容定義從物理意義出發(fā)，也就是說明比熱容反映“物質(zhì)溫度變化時”吸收或放出熱量多少這一性質(zhì)，描述的是物理過程中滿足的規(guī)律.這種比熱容定義比較常見，如在美國學者保羅著的《概念物理》、趙凱華著的《新概念高中物理讀本》等讀物中均可見，同時現(xiàn)行初中物理教材中粵滬版、滬科版，也是如此定義比熱容.

比熱容的另一種定義為：一定質(zhì)量的某種物質(zhì)，在溫度升高時吸收的熱量與其質(zhì)量和升高溫度的乘積之比，稱為比熱容.可見這類概念是從操作定義，表明的是各物理量之間的關系，這種界定以人教版、北師大版、教科版為代表.

3 比熱容概念的物理意義

3.1 表征物質(zhì)的吸熱（放熱）能力

物理意義表明了概念引入的必要性.比熱容反映單位質(zhì)量的物質(zhì)，升高（降低）單位溫度，所需吸收（放出）的熱量.例如水的比熱容大于沙子，意味著單位質(zhì)量的水和沙子，溫度升高1℃，水所需吸收的熱量多.

因此，從比較吸熱能力的角度引入比熱容，通常的理解是：比如條件一致的物質(zhì)A、物質(zhì)B處于相同的熱環(huán)境中，兩者升高相同的溫度，如果物質(zhì)A吸收的熱量更多，我們會說物質(zhì)A吸熱本領大.此時比熱容的物理意義是比較不同物質(zhì)的吸熱本領，吸熱本領大的物質(zhì)比熱容大.

3.2 表征物質(zhì)的容熱能力

但吸收（放出）的熱量多少我們無法觀察到，在現(xiàn)實情況中我們更常見的是，一樣的熱環(huán)境下，不同物質(zhì)溫度變化的不同.比如，同樣日照條件下，金屬升溫大、砂石升溫比較大、水升溫較小.火鍋店中的鴛鴦鍋，同樣加熱條件下，油鍋升溫較清水鍋升溫大，更快接近沸騰；同樣的太陽照射條件下，小汽車金屬手柄很燙、車內(nèi)空氣溫度較高、橡皮坐墊感覺溫度尚可等.

溫度變化大小，這是在熱現(xiàn)象中易獲得的物理量，因此可以用溫度變化大小來反映容納熱量本領大小.那么，如何理解“容納”二字？舉個簡單的例子：如果給不同的容器以相同體積的水，容器A中水位升高高度較小，容器B中水位升高高度較大，我們可以說水位升高較小的容器A容納水的能力強.同樣，如果在相同熱環(huán)境中，傳遞給質(zhì)量相同的不同物質(zhì)以相同的熱量，物質(zhì)A升高溫度較小，物質(zhì)B升高溫度較大，哪一種物質(zhì)容納熱量的能力大？顯然，等量的熱量，傳遞給質(zhì)量相同的不同物質(zhì)，溫度變化小的物質(zhì)，我們可以說其容納熱量的能力強.因此，從這個角度出發(fā)，引入比熱容的作用是比較物質(zhì)的容納熱量的本領.比熱容大的物質(zhì)，意味其容納熱量的能力強，說明單位質(zhì)量的物質(zhì)吸收相同的熱量，較其他物質(zhì)，溫度變化小.

1 kg的某種物質(zhì)溫度降低1℃放出的熱量和它溫度升高1℃吸收的熱量相等.因此，比熱容是描述物質(zhì)熱學性質(zhì)的物理量，其物理意義是反映不同物質(zhì)吸收或放出熱量能力大小的物理量（單位質(zhì)量、升高單位溫度，吸收或放出熱量多，比熱容大）.也可以說，比熱容是反映不同物質(zhì)容納熱量能力大小的物理量（單位質(zhì)量，吸收或放出相同的熱量，溫度變化小，容納熱量的能力強，比熱容大）.

3.3 教材中比熱容物理意義的處理方式

由前可知，比熱容是反映物質(zhì)吸收熱量能力的物理量.也可以說是反映物質(zhì)容納熱量能力的物理量.這兩者只是觀察視角不同，無本質(zhì)區(qū)別.

人教版9年級物理教材是通過“比較不同物質(zhì)吸熱情況”實驗得出“不同物質(zhì)在質(zhì)量相等、升高的溫度相同時，吸收的熱量不同”這一結論，接著提問“如何表述不同物質(zhì)這種性質(zhì)上的差別呢”，從而引入比熱容這一概念.［5］可以發(fā)現(xiàn)，人教版教材這種處理含糊不清，為了描述這種性質(zhì)，到底描述什么性質(zhì)卻語焉不詳.也就是說，教材中忽略了對比熱容物理意義的學習.而筆者發(fā)現(xiàn)，除了教科版有明確提到“比熱容反映了物質(zhì)吸收或放出熱量的能力”，其他主流版本教材中也沒有提及比熱容的物理意義.如果這時候問學生為何要引入比熱容時，學生并不能進行解釋，也就是沒有習得其物理意義.

4 比熱容物理性質(zhì)的學習路徑

由前文比熱容的圖式可知，比熱容的物理性質(zhì)實則是ΔQ、m、ΔT之間定性和定量的關系，表明了物質(zhì)吸收熱量的多少與質(zhì)量、溫度變化量、物質(zhì)種類有關，教材上多采用實驗探究的途徑習得.

因為學生比較熟悉物質(zhì)在熱傳遞過程中吸收熱量ΔQ，產(chǎn)生的效果是物質(zhì)升高溫度ΔT.所以從物質(zhì)吸收熱量的角度入手，有實驗方案：將等質(zhì)量的不同物質(zhì)升高相同溫度ΔT，通過比較不同物質(zhì)所吸收熱量ΔQ的多少，來判定物質(zhì)的“吸熱本領”.這一學習路徑以人教版、北師大版、滬粵版、滬科版等教材為代表，也是初中比熱容物理性質(zhì)的主要學習路徑.

但生活中通常遇到的情況是：相同熱環(huán)境下，不同物質(zhì)溫度升高不同，從此來判斷物質(zhì)比熱容的大小.因此，有另一種實驗方案：在相同熱環(huán)境下，為等質(zhì)量的不同物質(zhì)提供相同的ΔQ，通過比較不同物質(zhì)的溫度變化ΔT的大小，來判定物質(zhì)的“容熱本領”.這一學習路徑主要以蘇科版為代表.

在人教版教材中，是通過 “烈日炎炎的夏季，白天海灘上的沙子熱得燙腳，但是海水卻非常涼爽，同樣的日照，為什么沙子和海水的溫度不相同呢”這一例子來引入的，也就意味著接下來的實驗應該是通過質(zhì)量相同的不同物質(zhì)吸收相同的熱量，來比較溫度變化大小.但是實際上教材安排的實驗卻是通過質(zhì)量相同的水和煤油升高相同的溫度，來比較兩者所吸收的熱量多少.類似安排的版本還有粵滬版、滬科版和教科版，雖然現(xiàn)實情況中我們更常見的例子是比較溫度的變化，但從例子到進行實驗，若沒有進行引導，學生一時難以理解引入部分與所做實驗之間的關系.可見，這類教材的內(nèi)容安排沒有良好的承接性，這也是造成學生理解比熱容存在障礙的一大原因.因此，從吸熱角度習得比熱容的物理性質(zhì)后，我們應從容納熱本領的視角對其意義做解釋.

5 比熱容概念的有效教學

評價比熱容概念教學的有效性應以學生是否能夠理解比熱容的物理意義和物理性質(zhì)為標準.如果教師在教學中詢問學生為何要引入比熱容，此時，學生的外顯行為應表現(xiàn)為能夠用自己的語言解釋比熱容或舉出例子，如：“比熱容反映了物質(zhì)的吸熱或放熱能力，它決定了單位質(zhì)量的某種物質(zhì)改變單位溫度時所需熱量的多少，是物質(zhì)的一種屬性”.如果教師在教學中詢問學生比熱容概念中各物理量之間的關系及其依據(jù)，學生應能解釋“不同物質(zhì)吸收熱量的多少與質(zhì)量、溫度變化量、物質(zhì)的種類有關”，此時學生知道若要表征不同物質(zhì)的吸熱本領，需要控制哪些影響因素.

而在學習比熱容概念時，其定義、物理意義、物理性質(zhì)的學習路徑等方面都應服務于學生的理解.結合前述的梳理，可知比熱容的學習有兩條有效路徑.

5.1 途徑1：從吸收熱量的角度

引入時，可以北師大版為例，從“物質(zhì)吸收熱量的多少與哪些因素有關”引入.

此時也可推知：比熱容大的物質(zhì)，單位質(zhì)量該物質(zhì)吸收相同熱量，溫度升高較小.換種視角：比熱容大的物質(zhì)，容納熱量的本領大，即比熱容也可表征物質(zhì)的容熱能力.

5.2 途徑2：從容納熱量的角度

引入時，可從“相同日照情況下，沙子和水的溫度不同”引入.

該值大，單位質(zhì)量該物質(zhì)吸收相同熱量，溫度升高較小，說明該物質(zhì)容納熱量的能力更強.因此，可用該比值反映不同物質(zhì)容納熱量本領的大小，稱為“比熱容”.

此時也可推知：比熱容大的物質(zhì)，單位質(zhì)量該物質(zhì)升高單位溫度，吸收熱量多.因此，比熱容也可表征物質(zhì)的吸熱能力，反映了單位質(zhì)量物質(zhì)升高單位溫度，吸收的熱量.

6 現(xiàn)有教學改進

正如前文所分析的，學生學習比熱容后的結果應是形成比熱容的圖式，但教學現(xiàn)狀是大部分學生只習得了比熱容的數(shù)學表達式，卻不理解比熱容是什么、為何要引入比熱容.對此國內(nèi)學者做了不少工作，大多數(shù)有關“比熱容教學”期刊文章中的教學改進都嘗試從不同視角試圖揭示比熱容的“物理意義”，這是值得肯定的.不足在于從比熱容的“容納”熱的現(xiàn)象引入，但實驗卻從“吸收”熱的能力進行探究，有些前后不一致.

有的建議是從“吸熱本領”來描述，如石堯［6］等人拋棄“探究影響物質(zhì)吸熱能力的因素”的教學邏輯，以“0.3 kg的水溫度上升10℃僅需要12600 J的熱量，而0.6 kg的食用油上升30℃則吸收了32400 J的熱量”為例啟發(fā)學生不能直接比較熱量，還應選取質(zhì)量、溫度變化量為相同的標準從而得到比熱容的定義式，然后結合小學數(shù)學應用題來類比闡釋比熱容得物理意義.有的建議是從“容熱本領”來描述，如任少鐸［7］通過實驗探究得出“質(zhì)量和初溫相同的兩種物質(zhì)，吸收相同的熱量，吸熱能力越強，溫度升高越少”，再利用“水容”類比“熱容”來建構比熱容的概念.

然而筆者展開進一步分析后發(fā)現(xiàn)，任少鐸能夠?qū)Ρ葻崛莸奈锢硪饬x進行剖析，引導學生理解為何要引入比熱容這一物理概念，但他沒有能夠?qū)⑽镔|(zhì)吸收熱量的多少與質(zhì)量、溫度變化量、物質(zhì)的種類的關系解釋清楚，如沒能說明為何容器的3個邊長代表質(zhì)量m、溫度的變化量Δt、比熱容c，實際上學生還是處于對物理性質(zhì)的不知其所以然的狀態(tài).石堯等人的教學沒有說明標準的選擇依據(jù)，也就是沒有說明熱量與質(zhì)量、溫度變化量之間是存在某種關系的，如果此時僅以溫度變化量為標準，例題中水需要的熱量比食用油多，也符合水的吸熱能力比食用油強的事實.學生會疑惑，為什么就一定要選擇質(zhì)量和溫度變化量為標準呢？同時石堯在文中用了工作效率的小學應用題，這可能讓學生誤解吸熱能力的強弱與吸熱快慢有關.

可以發(fā)現(xiàn)，學者們的教學改進確有各自的可取之處，但部分文章沒有能夠讓學生很好地同時習得物理意義和物理性質(zhì)，也就是難以讓學生“既知其然，又知其所以然”.

7 總結

學生學習比熱容概念的學習結果是比熱容圖式，無論是教材的內(nèi)容呈現(xiàn)還是教師的教學，都應對學生習得圖式有幫助.物理概念圖式中最重要的是物理意義及物理性質(zhì)，物理意義表明了概念引入的必要性，物理性質(zhì)表明了物理對象、性質(zhì)、特點等.當學生能夠理解圖式中的物理意義和物理性質(zhì)，達到“知其然，知其所以然”時，教師的教學才是合格、有效的.