谈生活情境促进物理习题课的深度教学

江苏省苏州市吴江区盛泽第二中学 顾晓芳

初中阶段的物理课程是基于现象的自然科学基础课程，那么，物理习题同样要基于物理现象。而物理现象的重要载体离不开物理情境，因此，建构恰当的物理情境展开物理习题教学，能够有效突出学生的学习主体地位，促进学生习题课的深度学习。下面以电学中的一个习题为例，谈谈生活中的物理情境如何有效促进学生习题课的深度学习。

一、解析习题，初步解决问题

例题：电热水壶是家庭常用的电热器具，小苏同学想通过实验认识一台铭牌是“220V 1500W”电热水壶的效率，他在该壶中装入2500g 的水后，将其接入家庭电路正常工作。在烧水过程中，小苏记录下了不同时刻水的温度，并绘制出“温度——时间”图像，如图1 所示。请回答：

（1）在AB、BC 两段过程中，水温上升快的是哪一段？

（2）从图中可知，水当前的沸点是多少？

（3）该电热水壶烧开这壶水（即从A 到C 的过程中）的效率是多少？〔c水=4.2×103J/（kg·℃）〕

（4）为了提高电热水壶的效率，请你提出一条合理化的建议。

分析：本题的第1、2 小题考查了学生的图像信息识别能力，其中第1 小题重点在于考查比较快慢的方法，这里可采用“相同时间比较升高的温度”；第2 小题在于考查“沸点”的内涵理解。此题的重点是第3、4 小题，计算效率以及提出提高效率的建议。

为了回答第4 小题，教师启发学生积极思考，提出问题：电能为什么会损失？损失的电能转换成什么形式的能？如何减少这些能量的损失？接着引导学生探讨这些问题：电水壶烧水时，先是对水壶进行加热，然后再由水壶对水进行加热，因此，水壶自身需要消耗部分电能；其次，温度较高的水壶还会向周围温度较低的空气进行热传递。进一步追问：水壶自身升温消耗的电能与向周围空气中散失掉的能量哪一个更多呢？为了回答这个问题，教师与学生一起查找资料得知，一般电热水壶壶身材料为不锈钢，不锈钢的比热容为0.5×103J/(kg·℃)，不锈钢壶身的质量大约为1kg—1.5kg，由此可以算出，烧开水时不锈钢壶自身消耗的电能约为Q=cm△t=0.5×103J/(kg·℃) ×1.5kg×(98-20)℃=5.85×104J，只 占电能损失的22.4%，而散失在空气中的能量大约有2.025×105J，占电能损失的77.6%，散失在空气中的能量几乎是壶身吸收能量的3.5 倍。于是，如果要提高电热水壶效率，可以从壶身消耗电能和向空气散热两个角度进行改进，如减少壶身的不锈钢材料质量，如给壶嘴加盖等。

二、构建情境，深入探究

随着对题目的深入探讨，发现有更多的疑问需要回答。电热水壶的散热多少，除了跟是否加盖有关外，还有其他的影响因素吗？不同功率的电热水壶，它们的效率又与什么因素有关呢？然而，这些问题已经不是学生已有知识能够解决的，纯粹的思维探讨已经无法满足学生的学习需求。于是，教师组织学生带着这些问题，开启生活情境中实现科学探究的习题课模式。

提出问题：电热水壶的效率与什么因素有关？

做出猜想：学生根据生活经验提出，电热水壶的效率可能与水的质量和水壶的功率有关。

实验设计：用同一个电热水壶烧开初温相同、质量不同的水，计算出电热水壶的热效率；用功率不同、容量相同的电热水壶烧开初温、质量均相同的水，计算出电热水壶的热效率。

实验器材：容量相同但功率不同的新电热水壶两只、家用单相电能表、温度计、电子台秤等。

探究方式：学生分组实验。

考虑到本次实验探究有如下问题：第一，只有当电热水壶独立工作时，电能表所记录的电能才是电热水壶消耗的电能，如果在家庭中实验，则很难确保让电热水壶独立工作；第二，家庭电路电压超过人体安全电压，学生在家做实验，如果没有教师或家长陪伴，存在安全隐患。因此，本实验不适合让学生在家里完成。为解决上述问题，教师将实验室的电能表安装在大小合适的木板上，一头接上插头，连到实验室的插座上，另一头接上插座，用以接插电热水壶。

三、实施探究，增强学习信度

学生先用规格为“1500W 5L”的电热水壶进行实验，实验数据和计算结果记录在表一中。

根据表一的数据可以发现：同一个电热水壶，在环境相同的前提下，水装得越满，它的热效率越高。不过，81.6%、82.4%、83.6%这三个值虽有差异，但是很接近，会不会是实验误差导致的呢？为了解答学生的疑惑，证明这个结论的可靠性，学生又用规格为“2000W 5L”的电热水壶进行实验，实验的数据以及计算结果记录在表二中。

从表二的实验数据同样可以看到，电热水壶的三个热效率存在着差异，而且差异很明显，更为重要的是依然得出了盛水量越多电水壶的热效率越高这个结果。这两个实验数据显示：同一个电热水壶的热效率不是固定不变的。

分析：同一个电热水壶盛不同的水量进行加热，壶身的吸热量基本不变，当盛水量越多，需要加热的时间会越长，消耗的电能将越多，散失在空气的能量也越多，但由于散失在空气中的能量增长量比水吸热的增长量要少得多，因此，电热水壶的热效率会随着盛水量的增大而增大。

相同的盛水量，但电热水壶的功率不同，电热水壶的热效率又如何呢？要回答这个问题，只要分析表1和表2 中对应的实验序号就有答案了。

结论：相同环境前提下，用功率不同的电热水壶加热相同质量的水，水吸收的热量和壶身吸收的热量都基本相同，功率越大的电热水壶加热时间越短，散失在空气的能量就越少，因此，功率大的电热水壶的热效率就越高。

表一

表二

四、展开调查，拓展学习宽度

至此，实验探究部分已经完成，并得到了如下结论：（1）电热水壶的电能利用率与水的质量有关，水的质量越多，利用率也就越高；（2）电热水壶功率的大小对电能利用率也有很大的影响，在水的质量相同的情况下，功率大的电热水壶的热效率就越高（2000W 的电热水壶的利用率比1500W 的要提高近10%）。现在，学生很想知道，平时人们使用电热水壶的习惯是怎么样的？是否会关注能源的利用率？

为此，学生设计了一张调查表进行问卷调查，调查结果统计如表三：

表三（调查人数：100 人）

从调查统计可以看出，大多数人生活中有节能意识，但是具体的行为却并不一定能够做到，主要原因是缺乏节能的相关知识。因此，学生觉得节能、环保、低碳生活应该落实到行动中。

体验式的情境探究学习，尤其是与学生生活息息相关的情境学习，有利于检验并巩固学生的理论知识，培养并锻炼学生的组织与合作能力，鼓励并挖掘学生勇于质疑、敢于探索的内在潜质，促进学生的深度学习，厚实学生学习素养，提高学生学习能力。