指向深度教学的物理实验教学——以“比热容”为例

文/佛山市南海区桂城街道平洲第二初级中学 隋文泉

相比于传统教学模式，物理实验的深度教学体现在与教和学两个方面，一方面需要教师在课前深度备课，包括备教材、备学情等；另一方面要能够做到引导学生深入思考，使得学生对于实验过程有深刻理解，并最终形成科学的深度思维。

一、教材的分析与备课

根据新课标要求，学生要通过实验，了解比热容，尝试用比热容说明简单的自然现象。在以往的教学实践中，如何通过“比较不同物质吸热情况”的实验，引导学生了解比热容的概念，这是初中物理教学的一个难点。为了更好地深度备课，备教材，因此选择了人教版和沪科粤教版两种版本的教材，做了对比分析。（见表一）

表一

“比较不同物质吸热情况”的实验，人教版教材中采用的材料是水和食用油，加热装置是电加热器。而沪科粤教版教材中采用的材料是水和沙子，加热装置是酒精灯。水和沙子的组合虽然和引入情景相吻合，但是由于热传递的方式不同，在实验中往往一开始沙子升温较慢，这就为实验数据的分析增加了难度，因此采用水和食用油的对比实验更好一些。此外，酒精灯作为加热装置，火焰不稳定，两个酒精灯很难做到单位时间放热量相等，因此不建议使用酒精灯加热。而教学实践中发现，人教版教材图中的电加热器功率过大，实验过程短，不便于记录实验数据。所以，对于有条件的学校，建议更换成为实验室用的红外加热器。

在学情方面，学生在本节课学习中的一大难点在于，实验后根据实验结果，构建比热容这个物理量的概念，表达式运用了比值定义法，涉及到了四个物理量，而且热量Q不是测量结果，而是由加热时间转换比较得来的，因此对学生的思维跨度要求较大，对比热容的概念容易产生认知障碍。针对这种情况，应该注意为学生搭建“脚手架”，引导学生思维，特别是类比其他采用比值定义法的物理量，比如速度、密度等，实现学生的知识迁移。

二、教学活动的设计与开展

1.引导学生思考，提出探究问题

情景展示：如图2 所示，夏天的中午，人们赤脚走在海边的沙滩上，觉得沙子很烫；当走进海水的时候，却觉得海水比较凉。

师：图中的场景，涉及到了哪些物理量呢？

生1：海水的“烫”和沙子的“凉”都是在描述物体的冷热，物理上用温度描述物体的冷热程度。

生2：夏天的中午，太阳在向海水和沙子传递热量。

师：同学们能不能从这样的现象中，提炼出一个值得我们实验探究的物理问题呢？

生：不同的物质，吸收了相同的热量后，温度的变化相同吗？

点评：比热容的概念涉及到了多个物理量，以往的教学过程中，引入环节由教师主导，过程较快，往往几分钟便进入了实验探究环节，没有给学生预留充分思考分析的空间。 在搭建情景之后， 应该引导学生， 启发他们用科学的思维和物理的概念来重新建构问题， 从生活的直观感受和主观经验迈进物理的世界。

2.整理实验思路，提炼科学思维

师：实验员为大家准备了两种物质，一种是水，一种是食用油，我们今天来比较他们的吸热情况，实验中应该注意什么呢？

生：水和食用油的质量要相等。

师：这样的要求体现了物理研究中的什么方法？

生：控制变量法。

师：是否要求水和食用油的初温相等呢？

生：不需要，因为实验观察的是温度变化量，与初温无关。

对于水和食用油质量相等，学生往往能够想到，但初温是否要相等，学生中可能会有不同的看法，这里可以组织学生讨论，观点交锋，在讨论中强化学生对于知识的理解。

师：我们怎么保证相同质量的水和食用油吸收相同的热量呢？

生：可以使用相同的加热装置，加热相同的时间。

师：用加热时间代表吸收热量的多少，这体现了什么科学方法呢？

生：转换法。

最终引导学生总结得出实验思路，用质量相同的水和食用油，在相同的加热装置下，加热相同时间，比较两种物质升高的温度。

点评：在实验的设计阶段，需要老师抽丝剥茧，引导学生深入思考，攻克难点， 厘清实验思路。 比如用加热时间表示吸收热量的多少，是本节课的一个难点，在这里需要注意为学生构建脚手架， 而不能越俎代庖， 灌输式教学。 同时在实验设计中，注意总结科学思维和科学方法， 有利于培养学生物理学科核心素养。

3.重视数据记录，提升分析能力

数据的记录和分析是非常重要的实验环节，因此要注意指导学生做实验数据记录表格，然后组织学生对于数据进行分析。并且要向学生强调，应该如实记录，不能编造修改实验数据，培养学生实事求是，严谨认真的科学品质。

得到实验数据后，指导学生分析数据，描点连线，通过图像进行分析。可以以加热时间或吸收热量为横坐标，温度或者温度变化量为纵坐标，做出图像，例如图1 所示。从图像中，可以分析出，相同质量的水和食用油，在吸收相同热量的情况下，升高的温度不相等，水升温较慢，而食用油升温较快。

图1

点评：如果图像不能明显比较出两种物质的吸热能力， 则应该引导学生分析原因， 是由于某些环节出现了错误， 比如相同质量水和食用油的称量、温度计的读数，还是其他原因导致的实验误差。 在分析总结的过程中，锻炼学生的科学思维，加深对于物理知识、 物理思想的理解，培养学生对科学的兴趣和热爱。而不应该直接告诉学生实验结论，甚至简单粗暴地否定学生得到的“不理想”的实验结果。

4.把握认知规律，突破教学难点

比热容作为表示物质吸热能力的物理量，在向学生提出之前，应该注意比值定义法的渗透。以速度的概念为例，要比较物体运动的快慢，相同时间可以比较路程，相同路程可以比较时间，但是如果时间和路程均不相同，那么就用路程与时间的比值，这就是速度的概念。

同理比较不同的两个物体的吸热能力，吸收相同热量时，可以比较升高温度；而升高相同温度时，可以比较吸收热量；但是如果两个物体吸收的热量和升高的温度都不相同呢？这时根据比值定义法，由速度概念的认知迁移，学生会想到用热量Q 与温度变化量Δt 的比值，其实这就是“热容”这个物理量的表达式。有的学生可能会想到，但是这个比值越大，意味着物体的吸热能力越差，这不符合多数人的思维习惯，因此我们用，而不用两种不同物质在比较吸热能力时，还要注意到质量m 的影响，因此我们要用再除以质量m，保证用单位质量的去比较，此时就引出了“比热容”的表达式

点评：借助比值定义法这一“脚手架”，以及热容概念的过渡，可以突破比热容概念教学的难点， 具有比较清晰的逻辑建构， 也符合学生的认知规律。

三、结论

要上好一节实验课，需要老师深度备课，研究教材，分析实验安排的合理性，大胆改进教学设计和实验装置，以及分析学情。课堂教学过程中，注意学生的主体性，引导学生深度思考，多动手动脑，注重培养学生的科学思维和科学精神。对于教学中的难点，要善于构建“脚手架”，遵循学生认知规律，帮助学生实现认知迁移，深化对于物理知识的理解与应用。