创设情境 激发思维——兼谈“温度与温标”的教学设计

焦 辉

(江苏省邳州市第二中学,江苏邳州 221300)

1 教学设计说明

笔者本学期担任两个理科班的物理教学任务.在进行人教版的选修3-3第7章“分子动理论”第4节“温度与温标”的教学时,笔者经过认真备课,先在其中一个班进行了教学.教学的大致思路是这样的.

(1)引入.前面几节课我们学习了分子动理论,它是研究热现象的微观理论.为了更好地研究热现象,探究更多的热力学规律,我们还必须要引入描述热现象的物理量.本节课将学习“温度与温标”.

(2)新课教学.接下来笔者基本上是按照书上的顺序进行教学的.首先引入系统、状态参量、平衡态、热平衡等一系列概念,然后进行热平衡定律的教学,并在此基础上引入温度这个物理量,接着讨论了温度计测温原理,最后进行了温标与温度计的教学.

在教学实践中,笔者明显体会到按上述过程进行教学,课堂波澜不惊、气氛比较沉闷,更为令人失望的是在某些内容上学生感到不可思议,难以理解.如在学习热平衡定律时,有许多学生居然在课堂上发出本课少有的笑声,说这也能算是一个定律?尤其在学习热平衡定律之后,引入温度这个物理量时,由于学生对初中所学温度的固有认识,大多数学生感到茫然.虽然努力采用类比、指导学生看书等教学方法,但收效甚微.笔者能感觉到大部分学生还是勉勉强强地接受.

课后笔者立刻进行了认真地反思.感到教学效果不佳的原因主要有以下几个方面:一是本节教材十分简洁,以致难懂(其他教师均有这种感觉),需要教师更多的讲解.二是学生原有知识的影响.三是教学方法欠妥当.针对课堂出现的问题,笔者一方面上网搜索与本节内容有关的教学资源,尤其是热平衡定律建立的历史背景及建立的意义.另一方面及时调整教学方法.本节内容与生活联系密切、息息相关,本应该是一节能够出彩的课.经过思考,决定从学生熟知的生活现象入手.笔者精心地选择了两个问题作为新课教学的引入,以问题的形式创设情景,激发学生的思维,然后再去建立物理概念和规律.按照新的教学思路在另一个班级进行教学时,效果比较理想.

2 学情分析

学生在初中已经学过温度的概念,将温度定义为“表示物体冷热程度的物理量”,这是对温度的一个通俗解释.另外,学生也熟知用温度计测量温度的操作过程,但不明确这一操作过程的物理原理.基于对温度的肤浅认识,因而对许多与温度有关的物理现象认识得也不够深刻和精细.

3 教学设计

在传统的教学过程中,一般都是教师讲,学生听,教师按照预先设计好的教学思路和教学过程进行教学.即使中间穿插一些提问,也主要是对一些事实现象的再现,没有多大的思考余地.建构主义以相反的思路来设计教和学,主张“在问题解决中学习”.同时心理学的研究也表明,发现问题是思维的起点,也是思维的源泉和动力,没有问题的思维是肤浅的思维.因此,在课堂教学中,教师应注重激发学生思维的积极性,培养学生的问题意识.问题意识是指学生在认识活动中意识到一些难以解决的、疑惑的实际问题或理论问题时产生的一种怀疑、困惑、焦虑、探究的心理状态.这种心理状态驱使学生积极思维,不断提出问题和解决问题.在课堂教学中,教师不仅要培养学生的问题意识,还要善于挖掘素材,努力创设各种问题情境,鼓励、引导学生多角度、多层面地深入探索问题,用疑问开启学生思维的心扉,启迪学生智慧,帮助他们不断挑战自我,享受到探索问题给自己所带来的快乐.从而在探索问题的过程中,将知识的理解引向深入.

3.1 新课的引入

教学片断1:(教师提出情境与问题,学生思考回答)

情境与问题1:冰与水混合物的温度是多少?全体学生自豪地齐声回答:0℃.根据学生的回答,接着笔者追问了如下两个小问题:

(1)刚才的问题中提到了“温度”,这是个很重要的物理量,你对它了解多少?

(2)你是怎么知道冰水混合物的温度是0℃的?

对于第1个追问,一部分学生立刻回答:在初中就学到了,它是“表示物体冷热程度的物理量”.教师提醒学生注意:这个定义带有主观性,是凭借人的感觉器官经过比较得到的,有时会导致错误的结论.例如,冬天当我们用手分别去摸放在一起的木头和铁块时,则会感到铁块比木头冷.按照上面的说法,就应该是铁块的温度比木头的低.但事实上,它们的温度是一样的.因此,我们有必要给温度下一个更加科学的定义.这是我们这节课的重要任务之一.

对于第(2)个追问,绝大多数学生被问得哑口无言.如果还有个别学生能够回答出这是人为规定的,那么就再追问:为什么要做出这样的规定呢?

情境与问题2:生活中,大家都遇到过这样的情景,在我们感到身体不适时,通常会用温度计先量一量体温.经过一段时间(约5分钟)后,取出温度计,我们看一看温度计上的示数就可以知道自己的体温了.对于这一生活常见的现象,笔者追问了2个小问题:

(1)为什么测量体温时,需要经过一段时间才能取出温度计?

(2)你明明看的是温度计,凭什么说温度计上的示数就是你的体温值?

学生仅凭原有的知识经验很难正确回答这两个追问.此时,教师适当引导学生:要想深刻理解以上问题,找到答案,还必须耐心地学习几个概念.

设计意图:笔者选择的这两个情景与问题以及后面的追问是有针对性的.问题1中的两个追问涉及到温度概念的引入及温标的建立;问题2中的两个追问涉及到热平衡定律及测温原理.经历以上的互动,这时新旧知识的冲突就建立起来了,这必定会激发学生的思维,从而努力去重组自己原有的认知结构.

3.2 热力学系统、热力学平衡态、状态参量等概念的教学

教学片断2:

(1)课件展示:热力学的定义(网上资源)

热力学是研究热现象的宏观理论,是研究热现象中物质系统在平衡态时的性质以及状态发生变化时与外界相互作用的学科.

(2)让学生从定义中提炼出热力学研究的对象——热力学系统

举例说明如何根据研究对象确定热力学系统与外界.

(3)创设情境,感受热力学平衡态及其特点

创设情境:将两个冷热不同的物体A、B放在一起,并设它们组成的系统不受外界影响,经过一段时间后发现他们的冷热达到了一致.此后,不管经过多长时间,它们的冷热均不再变化.我们把这种在不受外界影响的条件下系统的宏观性质不随时间而改变的状态叫做热力学平衡态,反之称为非平衡态.平衡态对于热学的研究非常重要,但是,平衡态是一种理想情况,因为任何系统完全不受外界影响是不可能的.

对比分析:热力学平衡与通常所说的力学平衡是有区别的.热力学平衡是指系统中大量微观粒子的平均宏观效果不随时间而改变,但从微观上看,其中的每一个粒子却仍然处在一种无规则的热运动中.因此,热力学平衡是一种动态平衡.而力学平衡则是指物体的运动状态处于静止或匀速直线运动.

(4)指导学生通过已有知识的迁移,引入状态参量来描述热力学系统的平衡态

处于力学平衡的物体,我们使用了坐标和速度这两个物理量来定量地描述物体位置及其变化的特点.同样,处于热力学平衡的系统,也需要用到一些物理量来定量描述,这些物理量就叫做热力学系统的状态参量.状态参量是一些用来表示系统固有特性的变量.依据系统特性的不同,状态参量可以分为5大类别.第1类是几何参量,如体积等;第2类是力学参量,如压强等;第3类是热学参量,如温度等;第4类是化学参量,如浓度等;第5类是电磁参量,如电场强度、磁场强度等.在具体的描述中,究竟要用几个参量以及哪几种参量,主要以恰能完全地确定系统的状态而定.

设计意图:将所学的知识适当地置于广阔的背景之下,对学习的内容进行适度的开放,有助于学生掌握探索学科知识的规律和迁移应用,有助于对学科知识本体理解的深化和提升.

3.3 热平衡定律与温度的教学

教学片断3:

(1)引导学生再次回忆热力学的定义,从定义中明确热力学的研究范畴

热力学除了研究热力学系统在平衡态时的性质,还要研究系统与外界相互作用的情形,这才能构成一套完整的理论体系.这如同完整的牛顿运动定律必须包括牛顿第三定律一样.

(2)创设情境,建立热平衡的概念

将两个分别处于不同平衡态的系统(物体)进行接触使它们之间发生传热,它们的状态参量均会发生改变.经过足够长的时间,这两个系统便会达到一种新的、共同的平衡状态,由于这种平衡状态是两个系统在发生传热的条件下达到的,所以这种平衡叫做热平衡.

“热平衡”指的是两个系统之间的关系,平衡态指的是一个系统的状态,两者不能混淆.

(3)理想小实验,建立热平衡定律,科学引入“温度”

图1

如图1甲所示,A、B、C为3个平衡状态各异的系统,用一绝热壁将 A与B隔开,并使它们同时与C进行接触传热.这样,经过一定的时间后,A与B便会与C达到热平衡.这时,如果我们迅速地将 A、B间的绝热壁换成导热壁,将A、B与C之间的导热壁换成绝热壁,如图1乙所示,那么,我们会发现,A、B的状态没有任何变化,换句话说,系统A与系统B也达到了热平衡.这种与第三个系统达到热平衡的两个物体之间也必定处于热平衡的事实就叫做热平衡定律.它是在热力学第一、第二定律发现后,人们才认识到这一规律的重要性和基础性的,因此又称为热力学第零定律.

热平衡定律告诉我们,一切互为热平衡的系统都必定具有某个共同的热学性质,我们就把表征这一“共同热学性质”的物理量叫做温度.换句话说,温度是决定诸物体是否达到热平衡的物理量,它的特征就是“一切达到热平衡的系统都具有相同的温度”.

(4)引导学生再思考情境与问题2,明确温度计的测温原理

人体和温度计分别是两个系统,它们接触后需一定的时间才能达到热平衡,这时温度计的温度就是人体的温度.

设计意图:既能让学生体会物理概念及规律建立的过程,也能够体现物理学研究问题的基本思路和方法,促使学生形成严谨的科学态度与价值观.

3.4 温标的教学

教学片断4:

(1)联系生产生活、科学研究实际,理解建立温标的必要性与理论依据

在工农业生产、科学研究和实际生活中,人们不仅需要知道温度的高低,还需要知道温度的具体数值.这就好像我们要了解一个物体的长度一样,不仅要知道它是长是短,还要知道它的具体数值.这个工作是靠一个测量长度数值的标准尺子来完成的.与长度测量的情况一样,我们要想具体地测量物体的温度数值,需要有一把能够度量温度数值的“标准尺子”,也就是温标.

热力学第零定律不仅给出了温度的科学概念,而且还指出了温度的测量方法,那就是事先选择一个物体作标准(这个被选作标准的物体就叫温度计),然后将它与待测物体进行接触,只要经过一段时间,当它与待测物体达到热平衡时,则标准物体所表示的温度就是待测物体的温度.

(2)提供世界上曾经产生过的几种不同的温标,选择性地介绍两种比较有影响的早期温标:华氏温标和摄氏温标.让学生体会温标建立的过程,并帮助学生自主总结出建立温标需要做的主要工作.

要建立温标,大致需要做4件事情:第一是选择适当的物质作为测温物质,如水银、酒精、金属丝等;第二是选择测温物质随温度而变化的性质,如体积、压力、电阻等;第三是规定测温物质的性质随温度而变化的关系,通常多假设它们为线性关系;第四是确定温度的零点和分度方法.

(3)对比引入热力学温标,并留下自主学习空间

教师阐述:早期温标在当时的历史条件下对发展工农业及科学研究起过不少的推进作用,但存在缺点(学生课后通过查找资料、上网等方式查阅并交流).现代科学中用得更多的是热力学温标,它是最理想的温标(学生课后通过查找资料、上网等方式查阅并交流),是开尔文于1884年创立的,所以又叫开尔文温标.热力学温标表示的温度叫做热力学温度,它是国际单位制中7个基本物理量之一,用符号 T表示,单位是开尔文,符号为 K.

1960年,国际计量大会确定了摄氏温标与热力学温标的关系:摄氏温标由热力学温标导出.摄氏温度t与热力学温度T的关系为T=t+273.15K.还可以推导出ΔT=Δt.

设计意图:一方面把教材看作是传递教学信息的重要媒介,变“教教材”为“用教材教”.另一方面倡导建立具有“主动参与”、“乐于探究”和“交流与合作”特征的学习方式,努力使教师的教学过程和学生的学习活动都发挥出最大的效益.

4 教学行动思考

把物理教学的内容和学生的生活实际联系起来,有利于激发学生的学习热情,强化学生的实践意识,提高学生分析问题和解决问题的能力;把物理知识与应用技术、人文科学相结合,能使学生获得一个更为广阔的视野,有助于学生形成科学的价值观,增强社会责任感.这些都是高中物理课程目标所强调的.在教学中我们要充分利用各种教育资源,沟通课堂内外,拓展学生的学习空间,增强学生实践创新的机会.只要我们从学生学习与发展出发,源于学科的本体,着眼于学生发展的本位,实施开放、综合的策略,既不能过度地远离教材,漫无边际,也不能狭隘地拘于条条框框,整合不到位.我们有理由相信,有情境、有问题、又有机整合的课堂必定是鲜活、充满生命力的课堂,是为学生终身学习和发展打基础的课堂,是符合现代教育的价值取向的课堂,这样的课堂值得我们继续深入探索.