优化物理教学,构建物理概念形成物理观念——以“物质的比热容”概念教学为例

周晓慧

(苏州市草桥中学校，江苏 苏州 215000)

“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．基于课程理念,顺应初中生的心理特征,从生活走向物理,创设生活中的物理情景,提出核心问题,作为任务驱动,激发学习兴趣;然后通过实验探究,锻炼科学思维,构建科学物理概念;再从物理走向社会,通过师生间的对话,善于用物理概念解释物理现象,逐步形成物理观念．

下面以“物质的比热容”概念教学为例,比热容是指单位质量的某种物质温度升高(或降低)1 ℃所吸收(或放出)的热量的多少,是一个比较抽象的概念,需要通过创设情境,增加学生的体验,唤醒记忆,并能在观察物理现象或物理学习过程中发现一些问题,了解学生学习起点,继而针对问题设计实验,通过科学的实验探究,在锻炼科学思维的同时,获得对概念的精准理解,构建科学的比热容概念．本文通过“创设情景,提出核心问题”、“实验探究,构建物理概念”、“善于解释,形成物理观念”3个环节建构比热容物理概念,从而建立“比热容”的物理观念．

1 创设情景,提出核心问题

教学活动:教师通过PPT展示,初夏小朋友在沙滩边游玩的照片图1,用亚克力板制作封闭“沙滩与海水”,然后用浴霸灯模拟太阳,一段时间后,请学生用手体验沙滩和海水的温度．

图1

问:有什么不一样?

答:手在沙子中很烫,而在海水中较凉．

追问:在同样太阳的照射下,为什么沙子的温度比海水的高?

通过创设物理情景,将生活现象“沙滩”引入物理课堂,通过体验,唤醒学生对沙滩与海水温度的认识,对后续的猜测提供依据,同时提出有价值的问题:为什么沙子的温度比海水的温度高?以此作为前侧,暴露学生的问题,找到学生学习的起点,于是就可以确定研究的课题:物体升高的温度与材料是否有关?

青少年期处于从具体形象思维为主要形式向抽象逻辑思维过渡的阶段．但是,这种抽象逻辑思维,在很大程度上,仍然是直接与感性经验相联系的,仍然具有很大成份的具体形象性．故而要增加学生对物体吸热升温的感性认识,加深具体的形象思维,初步认识到物体温度升高可能与材料有关．使学生坚信物理来源于生活,物理就在自己的身边,并通过提问的方式,激发学生的求知欲．

2 实验探究,构建物理概念

“科学探究”是指基于观察和实验提出物理问题、形成猜想和假设、设计实验与制定方案、获取和处理信息、基于证据得出结论并作出解释,以及对科学探究过程和结果进行交流、评估反思的能力．也就是通过问题、证据、解释和交流完成科学探究,构建物理概念．“科学探究”是学生的学习目标,也是重要的教学方式之一,从学生被动接受知识向主动获取知识转化,从而培养学生的科学探究能力、实事求是的科学态度和敢于创新的探索精神．

2.1 建科学模型,练科学思维

“科学思维”可以是基于经验事实构建物理模型的抽象概括过程．可以根据核心问题,应用科学方法,设计实验方案,在实验改进和问题解决过程中锻炼科学思维．

确定研究课题:物体升高的温度与材料是否有关?并通过问题链的方式,锻炼科学思维,建立科学模型．

① 需要哪些实验器材?几个酒精灯?对酒精灯有什么要求?如何控制吸热相同?如图2．

图2

② 需要控制哪个物理量?为什么要控制质量相同?

③ 如何让沙子均匀受热?

④ 如何比较温度的升高量?

把生活现象引入物理课堂,既要与生活现象相符,比如:同一太阳同一时刻可知吸热相同,则需要相同的酒精灯加热相同时间;又要彰显物理研究方法,对次要因素要进行必要的控制,比如:要控制水和沙子的质量相同．更要收集有效数据通过分析得出科学规律,比如:要用温度计测量温度,用来比较沙子和水温度的升高量．

根据学生的认知水平,设计一组有针对性、启发性、层次性的问题,明确教学重点,展示清晰的线索,避免盲目性和随意性．通过问题链的方式加强对学生的思维训练,并从广度和深度提升学生的思维品质,同时提炼出本实验的关键步骤和注意点,比如:通过相同的酒精灯加热相同时间来控制吸热相同,通过搅拌的方法使沙子均匀受热等．

2.2 应合理分工,找科学证据

本实验用到的器材较多:两套酒精灯、铁架台、烧杯、温度计、石棉网和三脚架,还有搅拌棒;实验危险性较高:烧杯、水和沙子、三脚架等温度都很高,容易烫伤;实验操作项较多:搅拌、看时间、观察温度计并读数还有记录．所以本实验对实验的安装、操作等提出很高的要求,所以必须分小组进行合理分工,如图3．

图3

按实验要求,学生分成4人小组,按需求及特长进行合理分工,两位学生读数,一位学生搅拌沙子、另一学生记录数据．

分工是为了培养学生分工合作的能力,锻炼主动与他人合作的精神,增强学生对物理现象的体验和感悟．让学生多种感觉器官参加活动,听、说、看、做、想,眼耳口手脑都被调动起来．更是为了顺利完成探究实验,提高学生的学习效果,又培养了他们分析、综合、比较、概括的抽象逻辑思维能力．

2.3 借数据分析,提思维品质

“用沙子做实验很危险”,这是很多教师的经验．因为沙子在起始阶段受热不均匀,导致在起初时温度上升的比水慢,给数据分析带来“麻烦”．故而需要不断的搅拌,然而搅拌也不能让沙子完全均匀受热,初期沙子的温度不可避免的比水上升的慢,一段时间后沙子的温度才赶超水的温度,进入正常状态,如表1所示,所以对数据分析提出很高的要求．

表1

问:要分析前面的数据还是后面的数据?

追问:前面的数据为什么是无效的?判断依据是什么?

追问:什么原因造成的?

追问:对后面哪些数据进行分析?你得到什么结论?依据是什么?

学生答:取第4-6 min,质量和吸热相同时,沙子升高的温度比水多,沙子的升温本领强．说明:物质吸热升温的多少与物质种类有关．

追问:当质量和升高的温度相同时,沙子吸收的热量________(填“大于”或“等于”或“小于”)水吸收的热量．证据是什么?(通过分析哪些数据得到的结论)说明了(填“沙子”或“水”)的吸热本领强．

学生答:沙子取4-6 min,水取4-9 min的数据,说明他们的温度升高是一样的,水的加热时间大于沙子,说明水吸热多,所以水的吸热本领大于沙子．

介绍书本方法:图像分析法,如图4.

图4

因为比热容表示的是物质吸热本领的强弱,故而教师应该逐步引导学生认识吸热本领,并学会比较吸热本领强弱的方法——质量和升高温度相同,比较吸收热量的多少．

物理课堂是一个理性课堂,要讲证据,实验是为了寻找证据,找到合理的数据才能得到正确的物理规律,培养学生实事求是的科学精神．同时通过问题链引导学生深度思维,锻炼学生思维的独立性和批判性,提升思维的深刻性、广阔性．到此初步认识吸热本领,如果直接引入比热容及其定义,对学生来说难度还是比较大．故而要搭建感性认识的阶梯,帮助学生认识比热容及其物理意义的来龙去脉．

2.4 搭思维阶梯,构物理概念

根据以上所学，质量和升高温度相同时,比较吸收热量的多少?通过具体的实例比较酒精和煤油的吸热本领．

(A) 经测量:2 kg的酒精温度升高3 ℃,吸收1.44×104J热量；

(B) 经测量:3 kg的煤油温度升高10 ℃,吸收 6.3×104J热量．

根据新学的判断方法,对数据进行相应的处理．

酒精:1.44×104J/(2 kg×3 ℃)=2.4×103J/(kg·℃)；

煤油:6.3×104J/(3 kg×10 ℃)=2.1×103J/(kg·℃).

问题链: ① 为什么要除以m和Δt?

② 谁的吸热本领强?判断依据?

③ 他们的吸热本领有多强?(比值表示的物理意义)

学生1: 除以m和Δt是为了得到相同的质量和Δt；

学生2:酒精吸热本领强,依据是2.4×103J/(kg·℃)>2.1×103J/(kg·℃)；

学生3:酒精2.4×103J/(kg·℃)表示:1 kg酒精温度升高1 ℃吸收的热量是2.4×103J．

煤油2.1×103J/(kg·℃)表示:1 kg煤油温度升高1 ℃吸收的热量是2.4×103J．

最后,根据学生的数学表达式,补上比热容的计算公式．使得公式来的水到渠成,而不是那么的突兀．

青少年的思维特点虽然从形象思维快速向抽象思维发展,但还是以形象思维为主,所以要提供具体的实例,增强形象思维的感性认识,从而上升抽象思维建立比热容的概念．

以实例练习为评价证据,采用之前得到的方法进行判断,既是对刚学物理知识的应用和评价,更是构建比热容概念的必要阶梯．通过追问:为什么要用热量除以质量和升高的温度?通过数据发现谁的吸热本领强?数据表示的物理意义是什么?逐步认识比热容的定义．追问“比值的物理意义”是为比值赋予物理生命,“比值”是在物理方法引领下的比值．

3 善于解释,形成物理观念

物理观念的形成在于用物理模型解释物理现象,并形成一种习惯,即善于从物理走向社会,从物理学视角解释自然现象和解决实际问题．

(1) 如图5所示,拖拉机发动机工作时温度到达2000 ℃以上,故而采用循环流动的水进行冷却,你能用新学的知识说说用水冷却的优点吗?

图5

解释:在质量和升高的温度相同的情况下,水的比热容大,能吸收的热量多,所以冷却效果好．

(2) 请用新学的知识解释:夏天中午感觉沙滩烫脚,海水中比较凉快的原因?

解释:相同质量的水和沙子,吸收相同的热(同一个太阳照射),因为沙子的比热容小于水,所以沙子上升的温度比水多,沙子的温度较高．

(3) 夏天晚上感觉沙滩凉快还是海水凉快?

解释:相同质量的沙子和水,放出相同的热(晚上是放热),因为沙子的比热容小于水,所以沙子降低的温度多,沙子的温度较低．