用活教材巧设问 进阶导学促素质
——“物质的比热容”教材分析与优化教学

高成军

(苏州市陆慕高级中学,江苏 苏州 215131)

2017版高中物理课程标准中指出,物理教学若仅以知识为线索展开,就会导致教学设计聚焦于知识,仅仅专注于学生获得知识,而忽视物理课程对学生物理学科核心素养的培养.为此,必须把培养物理学科核心素养作为物理教学的重要目标,将“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”等物理学科核心素养的培养落实于教学活动中.这个观点不仅适用于高中物理教学,也同样适用于初中物理教学,初中物理教学就要注意对学生这4个方面素养的培养.

“物质的比热容”是初中物理教材中非常重要的概念,也是对初中学生来说比较难理解的概念.我们在组织这节内容教学时,要创造性地使用教材,即“用教材教”,而不是“教教材”.并且要根据初中学生的认知特点,注重物理概念构建的过程,使学生形成关于物质比热容的正确的物理观念的同时,体会科学探究过程,培养初中学生的科学思维.本文下面就对苏科版物理教材九年级上册不同版本的“物质的比热容”一节内容的教材进行分析,并提出优化教学设计.

1 对苏科版教材关于“物质的比热容”一节内容编写的比较分析

苏科版义务教育教科书《物理》九年级上册一共出版过3版,分别是2004年5月第1版、2007年6月第2版、2013年6月第3版.其中第1版和第2版关于“物质的比热容”一节内容编写相同,没有作任何调整.第3版教材编写对该节内容作出了调整.下面就第3版(以下简称新版)与前两版(以下简称原版)的教材进行简单地对比分析.

1.1 原版教材构建比热容概念的思路与教学时遇到的困难

原版教材中安排了活动12.5——探究物质吸热升温的属性.从提出问题,做出猜想与假设,到实验设计,进行实验搜集证据,最后分析得出结论与交流讨论,符合科学探究的一般过程.其中在设计实验环节,同时提出了两种比较方法: (1) 加热相同时间比较升高的温度;(2)升高相同的温度比较加热时间.在进行实验与收集证据环节,搜集的是沙子和水升高相同的温度所需要的加热时间(如图1所示).从数据中得出结论:质量相同的不同物质升高相同的温度吸收的热量不同.然后引出“我们把单位质量的某种物质温度升高(降低)1 ℃所吸收(放出)的热量叫做这种物质的比热容.”并追述“进一步的研究表明,同种物质的比热容相同,而不同物质的比热容一般不同”.

图1 加热相同质量的沙子和水

原版教材突出的优点是数据记录简洁,便于验证猜想.实验中记录的是质量相等的沙子和水升高10 ℃和20 ℃的加热时间,质量是事先既定的,实验过程中只需记录4个时间数据(如表1示),记录数据少,简洁明了,易于操作.在实验过程中,学生也很容易看到“沙子升温快”的现象,对学生来说认识到“水的吸热本领比沙大”是水到渠成的事情.

表1 记录加热时间

按原版教材的设计思路,笔者在实施实际教学的过程中遇到了3个突出的问题:第一,前置两种实验方案,进行比较,涉及的物理量比较多,学生思维容易混乱.学生之前接触的物理过程涉及的物理量比较少,一下接触那么多变量,还要变换控制变量,学生领会困难,容易混乱,增加教学难度;第二,比热容的定义得出太突然,学生难以接受为什么把“单位质量的某种物质温度升高(降低)1℃所吸收(放出)的热量”定义为这种物质的比热容,为什么要突出单位质量;第三,很难理解比热容的大小与物体的质量、吸收热量的多少、升高的温度都无关,是物质本身的物理属性.

1.2 新版教材构建比热容概念的思路与教学时遇到的困难

图2 描点作图

新版教材同样安排了活动12.5——探究不同物质吸热升温的现象.在设计实验环节与老版比较有两个地方作出了调整,第一,只提出一种比较方法,即“用相同的酒精灯加热相同时间比较温度上升的快慢”;第二,新版实验记录的数据与数据的处理方式与老版不同,新版记录了5个时间点的5组10个温度数据(如表2所示),并对数据进行图像描点作图像处理(如图2所示).

表2 每隔1 min记录沙子和水的温度

与原版比较,新版的调整有2个方面的优点:第一,虽然少了一种比较方法,但是更符合学生的认知心理,降低了学生思维的干扰因素,使学生的观察和思考更具有方向性;第二,新版实验记录的数据是加热相同时间的水和沙升高的温度.这与生活中的体验及课前提出的猜想方向相一致,也符合了学生思维的特点;第三,新版在实验数据处理上做出了调整,采取了物理学中常用的方法——描点作图,画出“物质温度随加热时间变化的图像”(图2),分析图像得到“质量相等的沙子和水,沙子升温快”的结论,进一步分析图像找到“如果升高相同的温度,水需要加热更长的时间,即水需要吸收更多的热量”的规律,由此得到不同物质吸收热量的本领不同.也正是不同物质吸收热量的本领不同,所以虽然沙和水质量相等,吸收热量相同,会出现升高的温度不同的现象.

但是新版教材的这种安排,在实施教学时,又有遇到新的困难.

首先,在实际教学时,由于实验操作过程、描点作图、图像分析等都要耗费一定的时间,使得教学内容和时间会显得过于冗长,很难完成教学任务.尤其是通过描点图像再从图像中找规律,对初中的学生来说有一定的难度.

其次,从教材内容可以看出,新版教材运用了“比值法”定义比热容.这种定义方法相比较原版更符合物理概念的建立与发展规律,但这个比值的得出太突然,缺少铺垫,没有让学生经历比值定义建立的过程,学生理解困难,体会不深刻,具体分析如下.

新版教材在得到“不同物质在质量相等、升高(或降低)相同温度的条件下,吸收(或放出)的热量不相等”的结论后这样描述:

物理学中,将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,叫做比热容.比热容在数值上等于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,它是物质的一种物理属性.”

2 对两种版本教材的综合利用和改进

2.1 实验视频辅助实验演示,巧妙设问,引发思考,进阶处理,帮助学生发现物理现象背后的本质

学习进阶理论告诉我们,学习是一个不断积累不断发展的过程,由浅入深,由点至面,由近及远,循序渐进.笔者在实施教学时,就综合了两种版本教材的优点,使学习逐渐深入.首先按照新版教材的设计,先用实验研究“不同物质吸热升温现象”,再利用实验视频巧妙设计问题,引导学生思考得出“新的方法”——比较不同物质在相同质量时升高相同温度所需要的热量,就能比较它们的吸热本领.既避开老版教材两个角度同时探究的复杂,也避开新教材描点作图、分析图像的繁琐,进阶处理,思维顺畅.即有利于学生的理解,也使教学环节简洁,具体教学过程如下.

先创设问题情境引导学生设计实验研究“不同物质吸热升温的现象”.从实验搜集的数据可以看出“质量相等的水和沙吸收相同热量后沙子的温度上升得快”.基于实验过程不能重现,笔者播放一段事先录好的同样的实验视频,在观察到沙子的温度上升到40 ℃时暂停视频,提出问题“要使初温相同的水也升高到40 ℃应怎样?”学生立刻回答“对水继续加热”,说明“水需要吸收更多的热量”,证明“水的吸热本领比沙子大”.换播“煤油和水吸热升温”的实验视频,得到的结论是类似的.由此可见不同物质的吸热本领不同.笔者通过实验视频的辅助教学,综合利用新旧两个版本的教材,创设恰当的问题情境,以“问题”启发学生思考、分析、总结,直至发现“新的方法”——比较不同物质在相同质量时升高相同温度所需要的热量就能比较它们的吸热本领.这样规避了繁琐的思维过程和费时费力的描点图像,降低教学难度,有助于学生通过表面现象发现本质规律.

2.2 创设“问题链式”课堂,引导讨论,经历“比值法”建立概念的过程,培养学生的物理学科素养

物理教学若仅以知识为线索展开,就会导致教学设计聚焦于知识,仅仅专注于学生获得知识,而忽视物理课程对学生物理学科核心素养的培养.为此,必须把培养物理学科核心素养作为物理教学的重要目标,将“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”等物理学科核心素养的培养落实于教学活动中.教师引导学生经历物理概念的构建过程和物理规律的形成过程,是发展“科学思维”的重要途径.

“比值法”是物理学中定义物理概念的一种非常重要的思想方法.科学合理地实施教学,让学生经历从实验现象到比值法建立物理概念这一重要的科学探究过程,对正确认识概念本身和对学生科学思维的培养都是大有裨益的.

笔者在实施过程中,结合初中学生的学习特点和认知规律,设计如下.

结合实验和视频,请同学们思考:质量是1 kg的A物质升高1 ℃需要吸收4.2×103J的热量,质量是1 kg的B物质升高1 ℃需要吸收0.92×103J的热量,A和B哪个吸热本领大?

引导讨论:下列各物质与A相比,谁的吸热本领大?你是怎么比较的?

质量是2 kg的C物质升高1 ℃需要吸收8.4×103J的热量;质量是1 kg的D物质升高3 ℃需要吸收12.6×103J的热量;质量是2 kg的E物质升高2 ℃需要吸收16.8×103J的热量;质量是2 kg的F物质升高3 ℃需要吸收5.52×103J的热量.

经讨论发现: (1) 1 kg的C、D、E都升高1 ℃,需要吸收的热量与A相同,C、D、E的吸热本领与A相同;

(2) 同样的方法发现,F的吸热本领比A小,但是与B相同;

(3) 在上述演绎过程中,尤其是E、F物质,实际上计算的是热量与质量、升高温度的比值.

再讨论:如果质量是mkg的H物质升高Δt℃需要吸收QJ的热量.如何比较H与A的吸热本领?

2.3 回归实验,认识生活,通过问题解决促进物理观念的形成

物理观念的形成和发展需要学生通过物理概念、物理规律等内容的学习及应用才能逐步形成.在教学中,通过对物理概念和规律的逐步学习、系统反思和迁移应用,可促进学生物理观念的不断发展,使其学会用这些观念解释自然现象,解决生产生活中的实际问题,促进物理学科核心素养的达成.

本节得到比热容的概念以后,再回到实验现象,反思为什么实验中的沙子和水升高相同的温度,水需要吸收更多的热量?为什么实验中的沙子和水吸收相同的热量,沙子的温度会上升得更快?在经过上面一系列的思维过程后,学生会清楚地意识到上述现象都是因为沙子的吸热本领(即比热容)比水小的缘故.

比热容不仅仅反应了物质的吸热本领,也反应了物质的放热本领.

解释生活现象:为什么在夏天同样的日照下,海滩边的沙子比水烫,到傍晚却比水凉?这是因为沙子的比热容小,吸热本领放热本领都小,沙子的温度升高得快也下降得快.

前后呼应的教学不仅仅使一节课显得非常完整,也使一节课的主题非常突出.

物理学科核心素养的培养,要求教师通过物理的教与学,能够让学生形成正确的“物理观念”,并能用其解释自然现象和解决实际问题;要求学生通过学习能够正确运用科学思维方法,进行科学推理、找出规律、形成结论;能够有对实验探究过程和结果进行交流、评估和反思的能力.笔者通过对“比热容”一节的教材分析与处理发现,这一节课无不围绕“核心素养”的培养展开.作为执教者,应勤于反思、不畏困难、尊重教材,同时还要转变观念、活用教材,客观地引导学生经历科学探究和物理概念的构建过程,才能在真正意义上培养学生的物理学科核心素养.