“比热容”教学的逻辑解析和突破策略

葛汉洪 孙有花 陈生桃

(1. 江苏省高邮市车逻初级中学,江苏 高邮 225606； 2. 江苏省高邮市教育局，江苏 高邮 225600)

“比热容”由于其自身内涵丰富,外延宽泛,对于初中生而言极为抽象,一直是初中物理课程中公认的一个教学难点,不少教师对其进行了卓有成效的探索,但笔者认为比热容教学的根本困难和解决之道还有进一步探究的空间,本文谈谈笔者的相关思考和实践,以期拨云见日,柳暗花明．

1 “比热容”教学的逻辑解析

1.1 教材对“比热容”教学活动编排上的逻辑困境

以苏科版教材(人教版、教科版等跟苏科版类似)为例,其对比热容一节的编排如下:通过夏日阳光下沙子很烫、海水较凉的情境提出问题“为什么海水和沙子的温度不一样呢?”并作出猜想:可能是沙子和水吸收相同热量时升高的温度不相同,沙子吸热升温比水快的缘故．再通过实验发现相同质量的沙子和水吸收相同的热量后沙子升温比水快,经过图像的意义切换得到“不同物质在质量相等、升高温度相同的条件下,吸收的热量不相等．”然后指出，同种物质,物体温度升高时所吸收的热量与它的质量和升高温度的乘积之比是相等的,对于不同物质,上述比值一般不等,最后引入比热容．我们发现,通过这样的路径建立“比热容”概念至少在以下3方面值得商榷.

(1) 引入情境错位.

笔者对本地区初中学生的调查显示,绝大部分学生并不具备在海边切身感受过在阳光下海水与沙子温度不同的经验,这一点姑且不论．鉴于比热容的定义为“物体温度升高时吸收的热量与它的质量和升高温度的乘积之比．”所以,情境应该通过“质量相同的不同物体升高相同温度时吸收的热量一般不等”显示出物质的一种热学性质．但教材采用的“同样的阳光下海水和沙子的温度不同”的情境实际上是要通过“质量相同的不同物体吸收相同的热量升高的温度不同”(其实情境中海水和沙子的质量是捉摸不定的,相等是我们强加给学生的)显示出物质的这种热学性质,存在情境错位的问题,无形中给学生的学习制造了一个障碍．

(2) 建构方法迂回.

因为情境的错位,使得教学过程需进行一次意义切换,让学生的认识从“质量相同的沙子和水吸收相同的热量后升高的温度不同”过渡到“质量相同的沙子和水升高相同的温度吸收的热量不同”,这一步意义切换是通过沙子和水在加热过程中的温度-时间图像完成的,这样的处理方式让概念的建立方法抽象晦涩,让概念的建立过程迂回复杂．实际上,通过比值定义法建立概念,无需图像的参与．

(3) 物理量之间相互干扰.

本节教材中出现了两个“快”字,一是在猜想和假设处说:“可能是沙子和水吸收相同热量时升高的温度不相同,沙子吸热升温比水快的缘故．”二是在讨论图像的意义时说:“质量相等的沙子和水,哪一个(吸热)升温快?”而比热容并不反映不同物体吸热升温“快与慢”,而是反映吸热升温“多与少”方面性质的物理量．“快与慢”是“多与少”与时间相结合得到的,本实验中时间是个重要因素,但它不应与升温“多与少”结合,而应与“相同加热条件”结合,以便我们通过加热时间比较“不同物体吸热的多少”．所以,教材的表述,存在物理量之间相互干扰的问题,会让学生对所学内容迷惑不解．

1.2 “比热容”教学的逻辑重构.

以上分析可见,教材编排的学习活动存在逻辑偏误,会给学生造成沉重的认知负荷,然而学生的学习只能跟随教师的思路亦步亦趋,对概念的理解只能“囫囵吞枣”,而难以“含英咀华”．实际上,比热容教学一定绕不开比值定义法,笔者曾撰文阐述过比值定义法．[1]跟其他通过比值定义得到的物理量一样,比热容教学也需要通过观察现象确定差异——利用比值准确比较——定义概念描述差异的逻辑线索展开教学,以经历同中求异、异中求同的比较过程．这里的“同中求异”是指一般来说质量相同的不同物质组成的物体吸收热量都伴随着温度升高(同),但质量相同的不同物质组成的物体在升高相同的温度时吸收的热量(一般)不同(异),从而显露物质的一种热学性质，以明确比较对象．这里的“异中求同”是指尽管不同物质组成的物体温度升高时吸收的热量(一般)不同(异),但都可以利用物体温度升高时所吸收的热量与它的质量和升高温度的乘积之比来定量描述这种热学性质(同),从而便于精确比较物质该方面的热学性质,如此可以用“比值”定义出新物理量，即比热容．以这样的逻辑路线为基础,笔者提出了比热容教学难点的突破策略.

2 比热容教学难点的突破策略

2.1 巧设情景显露物质性质

师:我们以前观察过水的沸腾,实验中要适当减少酒精灯加热时间,可以怎么办?

……

生:适当减少水的质量．

师:为什么适当减少水的质量可以减少加热时间?

生:因为初温相同,都加热到沸腾,水的质量越少需要吸收的热量越少．

设计意图:这个看似简单的问题对于本课的学习却特别重要,因为对这个问题的思考可以帮助学生在意识里确立“水吸收的热量”这个物理量,认识到加热时间的长短由水需要吸收的热量多少决定,并且将不可测量的水吸收的热量多少与可测量的加热时间建立起联系．为下面的活动做好铺垫．从奥苏贝尔意义学习的角度看,学生是否具有起固定点的概念,对学习是否有意义起重要作用,质量、变化的温度、吸收(放出)的热量3个概念就是建立比热容概念的固定点,而学生对质量、温度已经很熟悉了,需要加强的是热量．所以,这里有必要板书:通过加热时间长短可以比较出水吸收热量的多少(转换法)．

师:如果观察其他液体的沸腾,例如煤油,你觉得影响将水和煤油加热到沸腾所需时间长短的因素有哪些?

生:质量、初温、沸点、……

设计意图:这样做并不是真的要去将水和煤油加热到沸腾,探究影响水和煤油加热长短的因素,只是为了顺应学生经验,架设教学起点而设计的一个引导性问题．

师:如果在相同的加热条件下,让质量、初温相同的水和煤油升高到相同的温度,你觉得所用时间相同吗?

生:…….

设计意图:该问题于学生而言既在情理之中,又在意料之外,可以有效将学生引入“愤”、“悱”状态,从而激发学生探究欲望,强化学生学习动机．

师:让我们通过实验探究一下．

学生实验:装置如图1所示.(建议用小烧杯装30g的水和煤油通过加热将温度升高20℃,并将全班分为尽量多的小组,收集尽量多的数据,可以让结果更有说服力)

图1

实验现象表明:让质量、初温相同的水和煤油升高到相同的温度所用的时间不同．

师:加热时间不同说明什么?

生:说明相同质量的水和煤油升高相同的温度需要吸收的热量不同．(有了之前的铺垫,学生很容易回答出来)

师:如果用其他物质做实验,会发现相同质量的不同物质升高相同的温度需要吸收的热量一般不同,这就显示出物质的一种热学性质,就水和煤油而言,这种热学性质谁强?

生:水.

设计意图:比值定义法的核心思想是“通过比值进行比较”,所以,教学的首要任务是确立比较对象的一种热学性质,而物质的这种热学性质并不像有些比较对象那样直观(例如学习速度概念时的比较对象是物体运动的快慢)．本活动的好处是不但有情境,而且有实物,一方面切合学生的已有经验,另一方面可以直观显露物质的这种热学性质的差异,以这样的活动作为概念学习的第一手资料,才更能诉诸学生的思维．

2.2 熟用方法比较物质性质

师:如果1kg甲物质组成的物体,温度升高1℃吸收的热量是2.4×103J, 而1kg乙物质组成的物体,温度升高1℃吸收的热量是2.1×103J,则甲、乙的这种热学性质谁强?

生:甲．

师:如果2kg丙物质组成的物体,温度升高6℃吸收的热量是2.52×104J,5kg，丁物质组成的物体,温度升高3℃吸收的热量是2.7×103J,则丙、丁的这种热学性质谁强?

设计意图:因为这里丙、丁的质量不相等,升高的温度也不相等,所以不能通过直接比较吸收热量的方法比较两物质的这种性质谁强．如果学生能够根据经验想到将质量、升高的温度这两个物理量放在分母上,将吸收的热量放在分子上,得到吸收的热量与质量和升高温度的乘积的比值,比值的结果就是当质量为1kg时,升高的温度为1℃时物体吸收的热量,通过比值就能够方便比较不同物质这方面热学属性,就说明学生能够熟练使用比值定义法,并且也能够理解“物体温度升高时所吸收的热量与它的质量和升高温度的乘积之比”是怎么得来的．笔者认为,这就是以已有的“渔”取新鲜的“鱼”,对学生自主建构比热容的定义至关重要．

2.3 引入概念描述物质属性

师:实验表明,相同质量的同种物质组成的物体温度降低1℃放出的热量跟温度升高1℃吸收的热量相等．既然相同质量的不同物质组成的物体,升高(降低)相同温度吸收(放出)的热量一般不同,显示了不同物质的一种热学性质,并且用“物体温度升高(降低)时所吸收(放出)的热量与它的质量和升高(降低)温度的乘积之比”可以定量描述物质的这种性质,物理学就给这个比值引入了专门的物理量叫‘比热容’,用来描述物质的这种性质．

学生阅读教材,自学比热容的定义、单位、计算公式、比热容表,说说有哪些发现.

设计意图:在经历了观察物理现象,离析出物理表象,再到生成物理意义的整个思维活动之后,最后对物理意义进行符号表征,建构物理知识,这样的知识才是具有生命活力的知识,才是能够转化为学生学科素养的知识．

2.4 联系生活理解物质性质

引导学生对比“水”和其他液体(例如酒精)的比热容的物理意义,思考汽车的冷却液应该选用哪种液体,并说明理由(水的比热容大,所以吸热能力强)．然后让学生对比水和沙子的比热容的物理意义,思考如果吸收相同的热量,它们各自升高的温度是什么关系(水的比热容大,所以温度难以改变),再结合生活情境思考:从清晨到中午,海水和海边的沙子升高的温度是什么关系;从白天到夜晚,海水和沙子降低的温度是什么关系;一天之内,海水和沙子的温差是什么关系.通过事例帮助学生认识到水的比热容大，在不同的情境中会有吸热能力强和温度难以变化两种不同的表现．

设计意图:因为初中学生的物理认知水平尚处于具体运算阶段,对概念的理解还不能脱离具体事物的支持,所以,在运用概念解释生活现象之前,需辅之以具体的数据,可以帮助学生丰富对概念的体验,活化对概念的理解,充分认识到概念存在的意义．

通过解释生活中其他跟比热容有关的现象帮助学生巩固所学．例如，海陆风的形成原因．冬天用的暖手宝里面应该用什么液体,为什么?为什么沙漠地区会有 “早穿皮袄午穿纱，围着火盆吃西瓜”的谚语.科学家测量发现,三峡水库的修建使得当地夏天的气温下降了约5℃,冬天气温上升约3℃,为什么?育秧苗时,人们在温度低的夜晚往秧田里灌水,可以防止秧苗被冻伤,为什么?

设计意图:本课的前3阶段揭示比热容的“来龙”,让学生明白比热容“是什么”,本阶段还需揭示比热容的“去脉”,让学生明白生活中“什么是”比热容．如此,学生能经历“从生活走向物理,从物理走向社会”的学习过程,在对新学知识的迁移应用中准确把握比热容的内涵,初步感知比热容的外延,深化对概念的理解．

由于本课涉及的物理量较多,所以有必要进一步设置问题情景以厘清物理量与物理量之间的关系,加深学生对相关概念的理解.

师:如图2用两个同样的酒精灯给水和煤油加热,怎样比较水和煤油吸收热量的多少?

生:比较酒精灯加热时间．

师:如图3,加热工具不同,还可以通过比较加热时间的方法比较水和煤油吸收热量的多少吗?怎么办?

生:不能,……

图3

参考文献：

1 葛汉洪,孙有花.摭谈初中物理课程中的“比值定义法”[J]. 中学物理教学参考,2016(7)： 13-16.