基于学生核心素养达成的物理概念教学

沈希克 郑渊方

摘   要：以“沪科版”九年级“比热容”一课为例，阐述物理学科核心素养即“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”这四个维度如何在概念教学中达成。从在概念的初步形成阶段，如何把“物理观念”有效落实于学生的日常生活之中;在概念建构推进阶段，如何把“科学思维”实效达成于情境创设之中;在概念的理解内化阶段，如何把“科学探究”强效体现于课堂教学之中;在概念的强化应用阶段，如何把“科学态度与责任”高效升华至课堂之外等四个方面加以阐述，可以借鉴推广至其他物理概念的教学之中。

关键词：核心素养;概念教学;比热容

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2019）3-0073-4

新一轮课程改革以落实立德树人为根本任务，旨在进一步提升学生的核心素养，以达成正确的价值观念、必备品格和关键能力。本次课程改革对“知识与技能”“过程与方法”“情感、态度与价值观”三维目标进行了有机整合，凝练了学科核心素养。物理学科核心素养主要包括“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”四个维度，这四个维度如何在物理概念教学中有效落实、实效达成、强效体现、高效升华？下面以“沪科版”九年级“比热容”一课为例加以阐述。

“比热容”是初中物理热学部分一个重要的物理量。此概念是在温度、内能、热量等热学基本概念的基础上形成的，它与物体质量大小、温度变化、吸热或放热等物理现象均有联系。其单位也是初中物理最复杂的复合单位。学生在学习这个概念时可以说是“云里雾里”，一知半解，更别说其核心素养的形成了。然而，“无限风光在险峰”，越复杂、越抽象、越晦涩的概念，越是着力提升学生核心素养的良好载体，关键取决于“四个维度”在整个教学流程中如何有效植入。

1    在概念的初步形成阶段，把“物理观念”有效落实于学生的日常生活之中

“物理观念”是“从物理学视角形成的关于物质、运动与相互作用、能量等的基本认识;是物理概念和规律等在头脑中的提炼与升华;是从物理学视角解释自然现象和解决实际问题的基础。”[1]经过八年级一个学年的物理学习，学生头脑中已形成了初步的“物理观念”，懂得应用学过的物理知识来解释身边观察到的有关现象或问题。

笔者所在的学校属于沿海地区的一所农村学校，课余时间学生经常成群结队去海边玩耍。在进行“比热容”一课的教学之前，笔者采取任务驱动模式，给学生布置了一项家庭作业：周末时间，以小组为单位组织到海边。脑子里装上“物理观念”，眼睛瞄准“物理视角”，去观察身边的“物理现象”，找寻出相关的“物理问题”，尝试利用学过的“物理知识”进行合理的解释。学生兴趣盎然、积极参与，真正达到了“玩中学”“学中玩”，学习与活动、观察与游玩、放松与思考、体验与探究有效融合的理想境界。

上课时，小组学生积极交流、各抒己见，纷纷提出了自己所观察到的现象与思考的问题：

当穿着高跟鞋在沙滩上走时，发现脚印很深，而赤着脚时则脚印很浅（压力相等时，受力面积越小，压强越大）。

在海里游泳时感觉比在河里游泳更不容易沉下去（海水密度较大，产生的浮力较大）。

大海为什么会定时地涨潮与退潮（月球对地球的万有引力）。

大海为什么看起来是蓝色的（海水主要反射太阳光中的蓝色光）。

游完泳从海里走向沙滩时，脚底踩到鹅卵石感觉到越来越痛了（浮力大小的变化）。

……

教师提示：刚才同学们所观察和思考的很多都是我们八年级物理学过的力学或光学的知识，有没有观察到热学方面的一些现象呢？

生甲：有！我们小组去海边烧烤，鸡翅烤熟的过程是通过热传递改变了物体的内能。

生乙：还有，我们在鸡翅表面抹上花生油，烧烤时这些油很快就冒泡沸腾了，这样做不仅增加了鸡翅的香味，而且可使之熟得更快，因为油的沸点更高。

生丙：与热学有关的知识？应该是与温度有关吧。对了，我觉得中午时的沙滩很烫脚，而海水很冰凉，两者的温度不一样。

师问：很好！观察得很仔细，体验得很准确，你能解释为什么两者的温度不同吗？

生答：沙子吸收的热量较多呗。

师：太阳早晨升起来直到中午，同时照着沙滩和海水，两者吸收的热量会相差很大吗？

生丙：应该基本相同，那为什么海水温度会比较低呢？哦，我知道了，我们前面学过液体蒸发吸热，海水会蒸發吸热导致温度较低。

生丁：不对！我们晚上也经常到海边。我发现晚上时反过来了，沙子比较冰凉，但海水仍然较暖和。晚上海水也在蒸发啊，为什么温度反而比沙子高呢？

师：很好！大家的交流与讨论正是我们今天这节课要学习的主题——比热容……

在概念的形成阶段，让学生带着“物理观念”去观察、思考问题，在思维的碰撞中，很快即能抵达物理问题的本质与核心，即我们平常所说的“透过现象看本质”，透过表面的现象看到物理问题的本质。只有把“物理观念”根植于日常生活这片“肥沃土壤”中，“核心素养”的“这棵大树”才能枝繁叶茂、根深蒂固。

2    在概念建构推进阶段，把“科学思维”实效达成于情境创设之中

前苏联教育家维果茨基指出：“概念的直接教授是不可能的，而且也是没有效果的。一位试图如此做的教师，除了空洞的言辞和儿童鹦鹉似的背诵外，一无所成;虽然模仿了相应的知识，但实际上是一片空白。”物理概念的建构需要创设情境，而情境的创设需要科学思维的暴露与展现。学生在学习物理概念之前，基于生活经验已经形成了大量的经验性常识，要在此基础上建构物理概念，必须对所观察的现象重新加工，在诸多客观情境中概括出事物的共同属性，抽象出问题的本质特征，完成从经验性常识向形成概念的转变。这其中包含有“建模法”“控制变量法”“类比法”等重要的科学思维方式的应用。

学生从中午和晚上海水与沙滩温度的不同变化，实际上已从经验的层面“触碰”到了“比热容”这个物理概念的“外壳”，如何引导他们深入抵达概念的“内核”，需要一个循序渐进、层层剥离的科学思维过程。而物理建模法的关键则在于能否将实际问题中的对象和过程转化成物理模型，再结合“类比法”“控制变量法”等科学方法实现对概念的有效建构。

师：中午时，海水和沙子吸收了相同的热量，而沙子升温快;晚上时，两者放出了相等的热量，沙子降温也快。这是否从一个角度说明了沙子吸热或放热的本领比海水弱？而我们今天所要学习的“比热容”，望文生义，即“比较不同物质吸收（或放出）热量的容量”。我们可以先采用“类比法”的思路，如果我们把不同物质吸热的容量粗浅地比喻成不同人的“食量”，大家讨论一下如何来比较不同人的食量呢？

问题1：一个30岁的男青年一餐吃饱需要吃4碗饭，一个3岁的小男孩一餐吃饱只需吃1碗饭，能否说这位青年人的食量比儿童大？

生：没有可比性，两人的年龄差别悬殊。如果要比较不同人的食量大小，应该找2个年龄相当的人来比较！

问题2：2位30岁的青年人甲和乙。甲吃了2碗饭，乙吃了3碗饭。能否说明乙的食量一定比甲大？

生答：不一定，因为甲吃了2碗可能还不饱。乙吃了3碗可能已经饱了。要让2个人都吃到饱才能来比较。

问题3：把一锅冷水烧成开水和把半锅冷水烧成开水，二者吸收的热量相同吗？

把同一锅冷水烧成热水和烧成开水。两种情况下水吸收的热量相同吗？

生答：都不会相等。水吸收的热量与水的质量大小与升高的温度多少都有关系。

问题4：由此，我们如何来比较海水和沙子这两种不同物质吸收热量容量的大小呢？

生答：必须控制海水和沙子质量相等，升高的温度相等，比较两者吸收的热量。这也是以前我们学到的“控制变量法”研究问题的思路。

初中生思考问题大多停留在感性思维层面，形象生动、深入浅出的类比方法是帮助他们从感性思维提升至理性思维的有效途径。而物理概念的有效建构正是从感性认识到理性认识螺旋式上升的过程，这个过程正需要“科学思维”的有力助推。

3    在概念的理解内化阶段，把“科学探究” 强效体现于课堂教学之中

引导学生经历科学探究过程，体会科学研究方法，养成科学思维习惯，增强创新意识和实践能力，这是近两轮的课改所极力倡导的。而物理学科核心素养更是把“科学探究”作为极其重要的一个“核心维度”。美国心理学家赤瑞特拉（Treicher）通过实验表明，对学生产生多感觉刺激所获取的信息量，比单一听讲所获取的信息量明显增多，而从亲自探究而来的学习效能更是高达80%。因此，概念的理解与内化阶段，需要学生在教师的引导下经历自主探究的发现过程。

经过以上环节“比热容”概念的初步形成与建构推进，学生头脑中已经基本厘清了探究不同物质吸热本领的不同思路方法。即取相同质量的沙子和海水，让它们升高相同的温度，比较它们吸收的热量是否相同。“沪科版”教材的实验设计，采用的是相同质量的一杯水和煤油，利用两个相同的酒精灯，通过调整其灯芯，使两灯的火焰基本相同作为相同的热源（如图1所示）。教师引导启发学生思考：这样的设计有什么缺陷？能否进行更为科学合理的改进？学生经过交流与讨论，一致认为可以从以下几个方面对此实验进行优化。

1.就地取材，取相同质量的海滩沙子与海水作为实验对象。因为大家都有沙子和海水吸热升温不同的亲身体验，以沙子和海水作为实验对象更具说服力。

2.采用两个酒精灯很难控制它们成为完全相同的热源。从上一章“探究冰熔化时的温度变化”得到启发，可采用“水浴法”加热方法：把沙子与海水放入两支相同的试管中，同时放入同一个大烧杯的水中，用一个酒精灯（或加热器）加热，可以保证两者在相同的时间内吸收的热量相同[2]。（如图2所示）

3.把测量温度变化的普通温度计改为LED数字显示温度计（网上购买），可以更加直观、快速地观察两者温度变化的差异。

学生在探究实验过程中，可以明显地看出，在相同的加热时间内，沙子的温度升高比海水快。如果预先设定一个相同的初温与末温，则可发现海水需要加热更长的时间。由此可得出：相同質量的不同物质，升高相同的温度所吸收热量不同。再由此结论得出“比热容”的概念已是水到渠成的事情了。

学生在探究过程中经历了“设计与改进实验”“进行实验”“收集证据”“分析与论证”等过程。从定量角度比较了不同物质升高相同温度时吸热容量的不同，这对于他们深刻理解“比热容”的概念是大有裨益的。

4    在概念的强化应用阶段，把“科学态度与责任”高效升华至课堂之外

每个学科对学生发展的价值贡献，除了一个领域的具体知识以外，还应该能够提供只有在这个学科的学习中才可以获得的体验，培养学科特有的认识、思考与表达能力[3]。通过物理学习我们可以让学生认识到科学的本质，认识科学、技术、社会、环境（STSE）之间的联系。增强他们的环境保护和可持续发展意识，培养其“求真求实”的精神，提升其社会责任感。因此，“学以致用”“从生活走向物理，从物理走向社会”也是新课标所积极倡导的理念。物理概念的习得最终是为了应用于生产生活实际中，而在生活实践中主动地应用物理概念科学地分析、解决实际问题，体现的正是学生的科学责任和担当意识。

学习完比热容的相关知识后，我们可以引导学生分析城市“热岛效应”的形成原因，使学生体会到城市绿化、人工湖建设对于调节气温的重要作用，感受到人与自然、人与环境和谐相处的重要意义，从而培养学生热爱自然、顺应自然、美化环境的科学责任意识。利用水的比热容较大的性质，可以引导学生分析为什么汽车发动机制冷剂要用冷水，而取暖设备里的供暖物质要用热水，让他们懂得如何充分发挥利用普通常见物质的物理特性，发挥其重要作用，潜移默化中也树立起了他们的科学担当精神，培养其保护环境、节约资源，促进可持续发展的责任感。教师还可以通过组织学生进行“生活中的比热容知识”“如何减少热岛效应”“气候变化与比热容”等主题的手抄报比赛，或者组织学生调查生活环境周边气候特点与比热容的关系等活动，让学生在概念的强化与应用当中，“科学态度与责任”素养也得到了培养。

总之，核心素养在物理概念教学中的有效达成，首先体现在把“物理观念”根植于学生的日常生活中，再借助于情境创建中“科学思维”的展现，引导学生自主“科学探究”，促进其对概念的深刻理解，有效内化，最终在实践应用中达成“科学态度与责任”意识的自然形成。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[2]沈希克.增强演示实验可见度，打造高效物理课堂[J]. 物理教师，2017，38（8）：52-53，55.

[3]冯华，张维善.寓物理学科核心素养于教学中——谈教学中的述与评[J].课程·教材·教法，2018（10）：93-95.

（栏目编辑    李富强）