高中物理核心素養(yǎng)下的HPS實驗教學(xué)實踐

彭歡高

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

關(guān)鍵詞：HPS，焦耳定律;定性;定量;核心素養(yǎng)

1? 理論背景

HPS主要內(nèi)容是： 為提高自然科學(xué)類教育質(zhì)量，將科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)、科學(xué)社會學(xué)的有關(guān)內(nèi)容納入到相關(guān)科學(xué)課程中[ 1 ]。該教學(xué)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(xué)史上某一位或某一些科學(xué)家曾研究過的自然現(xiàn)象與規(guī)律。教學(xué)步驟通常包括6個環(huán)節(jié)：①演示現(xiàn)象;②引出觀念;③重溫歷史;④設(shè)計實驗;⑤呈現(xiàn)科學(xué)觀念和實驗反思;⑥總結(jié)與評價。

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

2? 教學(xué)實踐

2.1? 演示現(xiàn)象：制作電熱切割機(jī)，引入電流的的熱效應(yīng)

為了讓學(xué)生通過視覺感受到電流的熱效應(yīng)，引人新課時，準(zhǔn)備了兩根完全相同的鎳鎘合金絲作為電阻絲。用學(xué)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(xué)生將另一個沒有通電的電阻絲切割該泡沫板，該學(xué)生無法將泡沫板切割開。本次演示實驗提供了電流熱效應(yīng)的直觀現(xiàn)象，為激發(fā)學(xué)生猜想電熱與哪些因素有關(guān)做了必要的鋪墊。

2.2? 引出物理觀念

學(xué)生通過對親眼看到的實驗現(xiàn)象進(jìn)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(qū)別是什么？從而在引出電流熱效應(yīng)的同時讓學(xué)生思考產(chǎn)生這一不同現(xiàn)象的原因，激發(fā)探索欲望。并適當(dāng)提問：“在電流出現(xiàn)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(xué)探究之法

伽利略是第一個通過對現(xiàn)象進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、數(shù)學(xué)推導(dǎo)和實驗證明的方法來量化科學(xué)的。他甚至開發(fā)了多種儀器來進(jìn)一步推進(jìn)他的觀察。伽利略鼓勵科學(xué)工作是可以用實驗數(shù)據(jù)對現(xiàn)象衡量的，而且是可重復(fù)性的，這后來成為科學(xué)研究方法的標(biāo)準(zhǔn)。因此，可用歷史洞悉當(dāng)今公認(rèn)的科學(xué)實踐和過程是如何演變的。

而焦耳在實驗室中注意到電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程會因摩擦而產(chǎn)生大量的熱量，認(rèn)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(yīng)的定量研究。焦耳通過大量的實驗發(fā)現(xiàn)：當(dāng)一段金屬導(dǎo)體通過電流一段時間后，無論該導(dǎo)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(guān)系，表1是他的實驗數(shù)據(jù)[ 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(shù)據(jù)，如表2所示[ 2 ]：

數(shù)據(jù)表明：在誤差允許范圍內(nèi)，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(jié)論，一方面是出于對科學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)態(tài)度，另一方面，也是受當(dāng)時的科研條件所限。其中科學(xué)家對電熱Q的認(rèn)識不足，利用“溫度差ΔT”替代“電熱Q”的做法雖屬無奈，然數(shù)據(jù)處理得當(dāng)，“溫度差ΔT”竟能很好替代“電熱Q”，得到相應(yīng)比例關(guān)系.所以現(xiàn)在看來焦耳的實驗雖然是定量實驗，但當(dāng)時卻為半定量實驗。

2.4? 設(shè)計定性實驗，感受焦耳定律

定性演示焦耳熱與電流的關(guān)系（如表3）：取兩個完全相同的電阻絲，利用學(xué)生電源，調(diào)節(jié)電流為兩倍關(guān)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(guān)系（如表4）：取兩個完全相同的電阻絲，其中一個對折。利用學(xué)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(guān)系：取兩個完全相同的電阻絲，利用學(xué)生電源通以相同的電流，比較切割泡沫板的時間。

2.5? 設(shè)計定量實驗，“重現(xiàn)”科學(xué)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(dāng)時的實驗是半定量實驗，然而現(xiàn)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(fā)學(xué)生回顧初中時期的物理概念：熱容量。進(jìn)而將溫度的變化與熱量的線性關(guān)系確定下來。Q=cmΔT，當(dāng)被加熱的物體和質(zhì)量確定后，熱量Q即可用溫度的升高替代，從而實現(xiàn)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(jié)論的原因。

那么在現(xiàn)如今科研環(huán)境發(fā)達(dá)的今天如何更高效地完成焦耳定律的定量實驗?zāi)兀渴紫任覀冃枰匦愿玫娜萜鳎浯涡枰軌驅(qū)崟r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(shù)據(jù)并能智能處理數(shù)據(jù)。實驗所需器材介紹完畢后，那么聯(lián)系焦耳當(dāng)年的做法如何設(shè)計實驗?zāi)兀?/p>

Q=I2Rt

Q=cmΔT

將溫度變化量ΔT做縱坐標(biāo)，時間t做橫坐標(biāo)時候，斜率K==，通過采集數(shù)據(jù)，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(shè)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(shù)據(jù)，將其溫度時間數(shù)據(jù)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(guān)系中，根據(jù)圖3電路設(shè)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(guān)系。同樣，在探究電熱Q與電流I的關(guān)系中，根據(jù)圖4設(shè)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(shù)據(jù)，將其溫度時間數(shù)據(jù)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(guān)系。

教師在演示完上述實驗后，通過數(shù)據(jù)處理與分析，在誤差允許范圍內(nèi)，定量地得出了焦耳定律。在現(xiàn)代社會利用更先進(jìn)的實驗器材得到了焦耳數(shù)年來得到的相同結(jié)論。由此可以非常有效地反應(yīng)科技改變生活的同時，更能促進(jìn)科技的長足進(jìn)步。

然而，教師的上述實驗雖然可以得出結(jié)論，但實施起來卻需要兩個電路分開操作，耗時耗力，可以向?qū)W生提出改進(jìn)方法：此時完全可以用分組的形式，讓學(xué)生自行設(shè)計實驗方案。這個時候是開發(fā)學(xué)生創(chuàng)造力想象力和創(chuàng)新能力的良好時機(jī)，為他們適應(yīng)今后多變的社會生活奠定良好的基礎(chǔ)。學(xué)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(shè)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(shù)據(jù)，將其溫度時間數(shù)據(jù)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(chǎn)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(guān)系（如表5所示）在誤差允許范圍內(nèi)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(guān)系。

2.6? 呈現(xiàn)科學(xué)的物理觀念與實驗反思

教師講解并和學(xué)生一同重走科學(xué)之路的過程中，為學(xué)生實現(xiàn)觀念轉(zhuǎn)變提供了良好的契機(jī)，這一環(huán)節(jié)需要學(xué)生對實驗現(xiàn)象進(jìn)行觀察，對數(shù)據(jù)進(jìn)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(jié)論后，將知識內(nèi)化的過程中同時形成嚴(yán)謹(jǐn)而又科學(xué)的物理觀念。

在對實驗的反思中，有學(xué)生可能會提出，為什么焦耳當(dāng)年研究該現(xiàn)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(jié)合科學(xué)史的發(fā)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(xué)界認(rèn)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(jìn)行電熱Q與電壓U的探究[ 3 ]？

但是事實上，根據(jù)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(dǎo)與實驗驗證的的方法雙管齊下，讓學(xué)生再一次認(rèn)識到要生成正確的物理觀念需要十分嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)責(zé)任與態(tài)度，培養(yǎng)其物理學(xué)科核心素養(yǎng)。理論上，教師通過能量守恒與功能關(guān)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(guān)嗎？》[ 4 ]，多角度多層面的展示科學(xué)探究的過程與科學(xué)態(tài)度。

2.7? 總結(jié)與評價

首先對本節(jié)課的內(nèi)容和實驗方法做出總結(jié)，再結(jié)合科學(xué)歷史的發(fā)展過程，強(qiáng)調(diào)科學(xué)理論體系的演變與完善是數(shù)代人經(jīng)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(xiàn)的焦耳定律的正確表達(dá)式：Q=I2Rt。

一堂課往往不能終止于知識的傳授完畢，應(yīng)加入必要的教師（學(xué)生）總結(jié)和教師（學(xué)生相互）評價環(huán)節(jié)。通過總結(jié)與評價，幫助學(xué)生更深刻地理解科學(xué)探究的本質(zhì)與正確科學(xué)觀念形成的艱難性和嚴(yán)謹(jǐn)性，在潛移默化中培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和實驗探究精神。

3? 結(jié)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(yùn)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(xué)求實態(tài)度，更是一種超越“歷史”、創(chuàng)造“未來”的勇氣與豪邁。將科學(xué)史中科學(xué)家的探究過程展現(xiàn)在學(xué)生面前，在傳授知識的過程中，讓學(xué)生能“看見”歷史，甚至親自“重現(xiàn)”歷史，無疑會形成更深刻的印象和更牢固的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 徐新兵，葉萍.中學(xué)物理實驗教學(xué)中融入HPS教育的研究.[J].中國現(xiàn)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(xué)史視角的電熱與影響因素電壓關(guān)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(guān)嗎？[J].中學(xué)物理，2021，39（2）：58-60.