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比熱容概念意義建構(gòu)的探究式教學設計
物理概念是反映物理現(xiàn)象和物理過程本質(zhì)屬性的一種抽象，是在大量觀察實驗的基礎上，運用邏輯思維方法，把一些事物共同的本質(zhì)特征加以概括而形成的.縱觀物理學發(fā)展的歷程，不難看出，概念本身都是在科學探究活動中逐步生成、廓清和發(fā)展的，與科學探究有著“天生而必然”的聯(lián)系.探究過程就是實現(xiàn)概念意義建構(gòu)最適宜的“學習情境”，在探究活動中建構(gòu)概念是最符合認知規(guī)律的.教學實踐表明，機械地灌輸概念是低效的、徒勞的.所以可以將概念教學與科學探究有機地結(jié)合起來進行概念教學.基于以上思考，筆者在比熱容教學中嘗試探究式概念教學，取得了較好的效果. 比熱容是初中物理最復雜的概念，一定質(zhì)量的某種物質(zhì)，在溫度升高時吸收的熱量與它的質(zhì)量和升高的溫度乘積之比即比值Q/mΔt叫這種物質(zhì)的比熱容，這是人教版新教材給比熱容的定義.它是反映物質(zhì)自身性質(zhì)的物理量，物質(zhì)的比熱容大，它的吸熱能力強；反之，它的吸熱能力弱.比熱容的物理意義，學生容易理解、接受.學生難以理解的是，m.dameics.com比熱容是比值Q/mΔt，怎么又與Q、m、Δt無關(guān)？要讓學生突破理解上的障礙，除了完成教材上的實驗探究“比較不同物質(zhì)吸熱的情況”，還必須增加探究“加熱某種物質(zhì)時，吸收的熱量Q與質(zhì)量m、升高的溫度Δt的定量關(guān)系”.熱量看不見、摸不著，比較抽象，溫度的變化更易引起人的關(guān)注，筆者設計的探究課題“加熱物質(zhì)時，升高的溫度Δt與什么因素有關(guān)？”，更符合人的認知規(guī)律，因果邏輯關(guān)系更合理(吸熱是因，溫升是果)，實驗也更好操作(使物質(zhì)升高一定的溫度，在操作上較困難).以下是筆者設計的以實驗為突破口，以比熱容概念意義建構(gòu)為核心的探究式教學過程. 1創(chuàng)設生活問題情境，引導合理猜想 問題1：加熱一壺水，加熱時間越長，水吸收的熱量越多，水溫升得越高.猜想一下，水溫升高的多少與什么因素有關(guān)？ 生：與吸收的熱量有關(guān). 問題2:加熱半壺水和滿壺水，哪壺水先開？加熱相同的時間，哪壺水水溫升得高一些？猜想一下，水溫升高的多少又與什么因素有關(guān)？ 生：半壺水，與質(zhì)量有關(guān). 問題3.加熱等質(zhì)量的一鍋水和油，加熱相同的時間，水和油升高的溫度會相同嗎？哪一個溫升較高？猜想一下，加熱物質(zhì)時，物質(zhì)溫度升高的多少還與什么因素有關(guān)？ 生：不相同，油，與物質(zhì)種類有關(guān). 2引導設計探究實驗方案 2.1明確研究方法 師：探究加熱物質(zhì)時，物質(zhì)溫度升高的多少與吸收的熱量、質(zhì)量、物質(zhì)種類的關(guān)系，要采用什么研究方法？ 生：控制變量法. 2.2明確需要測量的物理量、選擇合適的實驗器材 師：完成探究需要測量哪些物理量？ 生：溫度、質(zhì)量、吸收的熱量. 師：熱量看不見、摸不著，不能直接測量，有什么方法可以間接測量？ 生：加熱時間越長，吸收的熱量越多.測加熱時間可以間接代替吸收的熱量. 師：實驗室有酒精燈、量熱器可以用來加熱，展示量熱器的電熱絲，在酒精燈和量熱器中你們準備選擇哪一個？依據(jù)是什么？ 生：酒精燈(學生對量熱器不熟悉). 師：酒精燈加熱時火焰的大小會變化，不能保證相同時間放出的熱量相同，要保證兩個酒精燈的火焰大小相同比較困難.量熱器的電熱絲在相同時間放出的熱量相同，選擇量熱器更好. 師：你們準備選擇加熱什么物質(zhì)？依據(jù)是什么？ 生：水、沙子、油.常見，容易得到. 師：不錯.煤油是實驗室常用的，加熱時，升溫明顯，老師準備了水、煤油. 師：怎么獲取一定質(zhì)量的水、煤油？ 生：用天平、燒杯稱量. 師：有沒有更簡便的方法？ 生：先根據(jù)V=m/ρ算出一定質(zhì)量的水、煤油的體積，再用量筒量取. 師：溫度可以用溫度計測量，為了精確測量，老師選擇分度值是0.1 ℃的精密水銀溫度計. 2.3引導學生根據(jù)選擇的器材設計實驗步驟 說明：“探究加熱物質(zhì)時，物質(zhì)溫度升高的多少與吸收的熱量、質(zhì)量、物質(zhì)種類的關(guān)系”是初中物理實驗難度比較大的實驗，該實驗涉及三個變量的控制問題.在教師的引導下確定了研究方法，需要測量的物理量，選擇了合適的器材.根據(jù)選擇的器材設計實驗方案對學生來說有一定的難度.根據(jù)學情、進度，可以采取小組合作根據(jù)選擇的器材設計實驗步驟、實驗數(shù)據(jù)記錄表格，然后選擇一個小組展示，其他小組評價、補充、完善，教師適時點撥；也可以先讓學生嘗試根據(jù)選擇的器材設計實驗步驟、實驗數(shù)據(jù)記錄表格，教師適時點撥(如何應用控制變量法)，學生再嘗試，最后教師給出實驗步驟、實驗數(shù)據(jù)記錄表格.這一環(huán)節(jié)要給學生充分的時間思考、交流，這樣學生設計實驗方案的能力才能提高.根據(jù)學情、進度、教學資源，實驗探究可以分組也可以演示. 3演示實驗 實驗器材：教學電源、量熱器2個、溫度計2支、量筒、導線若干、停表、水、煤油. 實驗步驟：1.在量熱器中加入80 g水，然后接上教學電源，電源撥到6 V檔，閉合開關(guān)，分別加熱1、2、3分鐘，測量水的初溫、末溫，算出水溫升高的度數(shù). 2.先后在量熱器中加入120、160 g水，加熱1分鐘，測量水的初溫、末溫，算出水溫升高的度數(shù). 3.在另一同規(guī)格量熱器中加入80 g煤油，加熱1分鐘，測量煤油的初溫、末溫，算出煤油溫度升高的度數(shù). 表1 次數(shù)物質(zhì)質(zhì)量m/g初溫/℃加熱時間/min末溫/℃溫升/℃ 1水8019.2120.91.7 2水8019.2222.63.4 3水8019.2324.25 4水12022.81241.2 5水16023.11240.9 6煤油8021124.43.4 4引導分析數(shù)據(jù)，得出結(jié)論 師：觀察、分析、比較表中的數(shù)據(jù)，可以得出什么結(jié)論？ 生1：分析比較1、2、3次實驗數(shù)據(jù)，可以得出結(jié)論：在誤差允許的范圍內(nèi)，一定質(zhì)量的水，吸熱升溫，升高的溫度與吸收的熱量Q成正比. 生2：分析比較1、4、5次實驗數(shù)據(jù)，可以得出結(jié)論：在誤差允許的范圍內(nèi)，不同質(zhì)量的水吸收相同的熱量，升高的溫度Δt與質(zhì)量m成反比. 生3：分析比較1、6次實驗數(shù)據(jù)，可以得出結(jié)論：水和煤油，在質(zhì)量相等，吸收的熱量相同時，升高的溫度Δt不同. 師：大量實驗表明，上述結(jié)論也可以推廣到其它物質(zhì). 5引導意義建構(gòu)比熱容概念 師：加熱某種物質(zhì)時，物質(zhì)的質(zhì)量m越大，升高的溫度越高，需要吸收的熱量Q越多.假設加熱1分鐘吸收的熱量是Q，則加熱2、3分鐘吸收的熱量分別是2Q、3Q，分析比較1、2、3、4、5次實驗數(shù)據(jù)有 Q80×1.7≈2Q80×3.4≈3Q80×5≈Q120×1.2≈Q160×0.9， 由此可以得出結(jié)論，在誤差允許的范圍內(nèi)，同種物質(zhì)，比值Q/mΔt是一定的，并且跟Q、m、Δt無關(guān).分析比較1、2、3、4、5次和第6次實驗數(shù)據(jù)，可以得出結(jié)論，不同的物質(zhì)，比值Q/mΔt不同.大量實驗表明，比值Q/mΔt由物質(zhì)自身性質(zhì)決定，物質(zhì)不同，這個比值一般不同，并且這個比值(數(shù)值上等于單位質(zhì)量的某種物質(zhì)溫度升高1 ℃吸收的熱量)反映了物質(zhì)的吸熱能力，比值大，吸熱能力強；比值小，吸熱能力弱.因此，比值Q/mΔt反映了物質(zhì)自身的一種熱學性質(zhì)，物理學中就引入比熱容c=Q/mΔt反映物質(zhì)的這種性質(zhì).Q/mΔt是比熱容的定義式，不是決定式. 說明：學生很難發(fā)現(xiàn)，同種物質(zhì)，Q/mΔt是一定的，并且跟Q、m、Δt無關(guān).不同的物質(zhì)，Q/mΔt不同.但學生經(jīng)歷了概念的形成，意義建構(gòu)了比熱容的概念就是最大的成功.比熱容概念意義建構(gòu)后，吸熱、放熱公式Q=cmΔt也就水到渠成了.
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