基于教材對比分析的焦耳定律實(shí)驗(yàn)教學(xué)改進(jìn)

蔣煒波 王宏

(清華大學(xué)附屬中學(xué) 北京 100084)

電熱的影響因素實(shí)驗(yàn)，即焦耳定律實(shí)驗(yàn)，在初中物理中一直是教師教學(xué)的重點(diǎn)，也是學(xué)生學(xué)習(xí)的難點(diǎn)，當(dāng)前關(guān)于焦耳定律的研究主要集中在改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)過程上，比如將電阻絲直接纏繞在溫度計的玻璃泡上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)[1]、將焦耳定律的教師演示實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)化成學(xué)生分組探究實(shí)驗(yàn)[2]、利用DIS數(shù)字實(shí)驗(yàn)幫助實(shí)現(xiàn)產(chǎn)熱的定量研究[3]等等．這些研究并沒有解決學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中的根本困惑，即為什么只研究電熱與電流、電阻和通電時間的關(guān)系而不研究與電壓的關(guān)系？筆者仔細(xì)對比分析了人教版和北師大版兩套初中物理教材對焦耳定律實(shí)驗(yàn)的處理，在實(shí)踐的基礎(chǔ)上提出了對焦耳定律實(shí)驗(yàn)的教學(xué)改進(jìn)．

本文從兩套教材焦耳定律實(shí)驗(yàn)對比出發(fā)，介紹了我們對焦耳定律實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改進(jìn)，并從深層上解答了為什么要進(jìn)行焦耳定律實(shí)驗(yàn)的某些疑問.

1 兩套教材焦耳定律實(shí)驗(yàn)的對比

焦耳定律研究的是電熱的影響因素，該實(shí)驗(yàn)在初中階段有著極為重要的位置，在教學(xué)中要求學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)，得到電阻產(chǎn)熱與電流大小、電阻大小以及通電時間之間的定性關(guān)系．我們以人教版和北師大版兩套初中物理教材來對比分析教材對焦耳定律實(shí)驗(yàn)的處理．

(1)實(shí)驗(yàn)的引入

我們?yōu)槭裁匆芯侩姛岬挠绊懸蛩啬?？兩套教材的處理都采用了相同的處理方式．人教版教材通過電爐絲熱得發(fā)紅而連接電爐絲的導(dǎo)線幾乎不發(fā)熱的生活現(xiàn)象，引入對電熱影響因素的研究．北師大版教材也采用了這樣的處理方式，但是相比人教版教材而言，在電熱的影響因素上引入的更加充分，分別在電流、電阻和通電時間上對學(xué)生設(shè)問從而引入實(shí)驗(yàn)探究．

(2)實(shí)驗(yàn)的類型

兩套教材最終都是研究電熱與電流、電阻和通電時間的定性關(guān)系，并不要求學(xué)生進(jìn)行定量的實(shí)驗(yàn)，這主要是由于目前的定量實(shí)驗(yàn)很難保證實(shí)驗(yàn)的精度．但是在具體的實(shí)驗(yàn)要求上兩套教材差異非常大．

人教版教材中電熱影響因素的實(shí)驗(yàn)是以教師演示實(shí)驗(yàn)的形式呈現(xiàn)的，學(xué)生通過觀察比較實(shí)驗(yàn)變量改變后的產(chǎn)熱多少，從而得到定性的結(jié)果．北師大版教材中電熱影響因素的實(shí)驗(yàn)是以學(xué)生探究實(shí)驗(yàn)的形式呈現(xiàn)的，要求學(xué)生完整經(jīng)歷科學(xué)探究的基本過程，通過數(shù)據(jù)的具體分析得到實(shí)驗(yàn)的結(jié)果．相比較而言，北師大版教材中焦耳定律實(shí)驗(yàn)的定位更高，地位更重，科學(xué)探究的意味更濃．

(3)變量因素的確定

焦耳定律實(shí)驗(yàn)中研究的自變量因素是電流大小、電阻大小和通電時間，因變量是產(chǎn)熱多少，這一點(diǎn)在兩套物理教材中都是一致的．而不同的地方在于對自變量的具體確定．

人教版教材對于自變量的選擇確定沒有任何的猜想環(huán)節(jié)，也沒有進(jìn)行任何的案例分析和引導(dǎo)提示，而是直接通過演示實(shí)驗(yàn)研究了電熱與電流和電阻的關(guān)系，從而得到結(jié)論．

北師大版教材在變量的確定方面下的功夫較多，首先通過3個設(shè)問引發(fā)學(xué)生的猜想，引導(dǎo)學(xué)生將自變量確定為電流、電阻和通電時間，然后再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究搜集證據(jù)驗(yàn)證猜想．

相比較而言，北師大版教材由于對實(shí)驗(yàn)的定位是學(xué)生探究實(shí)驗(yàn)，因此各個探究環(huán)節(jié)設(shè)計很到位，在變量確定環(huán)節(jié)嚴(yán)格按照實(shí)驗(yàn)探究的要求給學(xué)生創(chuàng)設(shè)了物理情境，比如電熱水壺能把水燒開而導(dǎo)線基本不發(fā)熱、電熱水壺把水燒開需要一定的時間等等，讓學(xué)生從情境中去分析抽象出電熱的可能的影響因素．

(4)實(shí)驗(yàn)的裝置

電熱的影響因素實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，關(guān)鍵在于如何比較出產(chǎn)熱的多少，需要特別設(shè)計出相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置，這一點(diǎn)上兩套教材的處理有所不同．

人教版教材是通過電熱絲加熱密閉容器中的空氣，然后以U形管中液面的高度差來反映產(chǎn)熱的多少，進(jìn)而研究電阻產(chǎn)熱的影響因素，如圖1所示．北師大版教材是通過電熱絲加熱煤油，然后以煤油的溫度變化來反映產(chǎn)熱多少，進(jìn)而研究電阻產(chǎn)熱的影響因素，如圖2所示．

圖1 人教版物理教材焦耳定律實(shí)驗(yàn)

圖2 北師大版物理教材焦耳定律實(shí)驗(yàn)

這兩種方式筆者在實(shí)踐中都使用過，人教版教材的裝置使用更加靈敏簡潔，加熱時間不需要很長，U形管液面的高度變化也非常明顯．北師大版教材的裝置加熱時間較長，受熱容易不均勻，溫度計讀數(shù)不如U形管液面變化來得明顯直接，但是其電流的調(diào)節(jié)比人教版教材更加方便，而且該裝置與比熱容實(shí)驗(yàn)的關(guān)聯(lián)性很強(qiáng)，有利于學(xué)生前后知識的銜接．整體上兩種裝置的實(shí)驗(yàn)設(shè)計都能夠達(dá)到定性研究的實(shí)驗(yàn)要求．

(5)需要的操作

由于兩套教材對實(shí)驗(yàn)的定位不同，因此實(shí)驗(yàn)中要求學(xué)生進(jìn)行的操作也不相同．人教版教材要求學(xué)生更多的是直接觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果．北師大版教材則要求學(xué)生猜想自變量因素、控制變量、連接電路、設(shè)計表格、分析數(shù)據(jù)得出結(jié)論等等，對學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng)更加充分，對學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能要求也更高．

(6)實(shí)驗(yàn)的結(jié)論

人教版教材的一大特點(diǎn)是閱讀性強(qiáng)，學(xué)生按照教材所寫完成閱讀即可得到所需要學(xué)習(xí)的知識，而北師大版教材在這一點(diǎn)上與人教版恰好相反．北師大版教材留給了學(xué)生很多自主余地和思考空間，學(xué)生只是通過閱讀并不能找到所有的答案，調(diào)動學(xué)生的思維能力和動手能力是該教材的一個鮮明特點(diǎn)．因此在實(shí)驗(yàn)探究的結(jié)論部分，北師大版教材需要學(xué)生自己總結(jié)歸納才能得到，即如果學(xué)生沒有真正進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究而只是閱讀教材，是得不到實(shí)驗(yàn)結(jié)果的．

(7)教材對比小結(jié)

兩套教材的對比差異簡要總結(jié)如表1所示，可見二者都有自己的特點(diǎn)，但整體上講人教版教材對于焦耳定律實(shí)驗(yàn)的定位有些偏弱，演示實(shí)驗(yàn)的設(shè)定雖然能夠充分發(fā)揮出空氣盒子和U形管裝置的時效性優(yōu)勢，但是也無疑錯失了對學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究能力的培養(yǎng)．

除此以外，兩套教材存在的共同問題都是關(guān)于電熱影響因素的確定．人教版教材在這部分沒有進(jìn)行任何討論，直接進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示．而北師大版教材雖然創(chuàng)設(shè)了情境引導(dǎo)學(xué)生猜想出了電流、電阻和通電時間3個因素，但是并沒有解釋為什么不將電壓也列入影響因素，處理得不夠充分細(xì)致．正是因?yàn)槿绱?，學(xué)生的焦耳定律實(shí)驗(yàn)一直都存在認(rèn)知困難，基于此，筆者從學(xué)生的認(rèn)知困難出發(fā)，在教學(xué)中做了一些切實(shí)有效的實(shí)踐改進(jìn)，具體如下．

表1 兩套教材的焦耳定律實(shí)驗(yàn)對比

2 焦耳定律實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改進(jìn)

(1)學(xué)生的認(rèn)識困惑

焦耳定律的學(xué)習(xí)給學(xué)生造成的認(rèn)識困惑主要有以下幾點(diǎn)．

首先是歐姆定律的適用性問題．在焦耳定律出現(xiàn)以前，學(xué)生的學(xué)習(xí)不需要面臨歐姆定律的適用性問題，但是在學(xué)習(xí)了電熱以后，學(xué)生需要認(rèn)識到計算電功普適的是

W=UIt

只有對那些只產(chǎn)熱的元件才能夠使用歐姆定律

進(jìn)而得到電功的另外兩個計算公式

W=I2Rt

和

而在計算電熱的時候普適的公式是

Q=I2Rt

只有對那些只產(chǎn)熱的元件才能夠使用歐姆定律

進(jìn)而得到電熱的另外兩個計算公式

Q=UIt

和

然后是電熱與電功的關(guān)系問題．學(xué)生在認(rèn)識電功和電熱的差異上有很大的困難，原因在于對電功和電熱的概念理解上．電功即為電流所做的功，電流做功將電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能，包括機(jī)械能、電熱、光能等等，因此從數(shù)值上看，電功一定大于或等于電熱，而且只有在純電阻元件中電功才等于電熱，此時歐姆定律方能夠使用．

最后是焦耳定律的實(shí)驗(yàn)探究過程，這一點(diǎn)是造成學(xué)生前面兩點(diǎn)困惑的直接原因．既然已經(jīng)有了電功的概念，我們直接利用電功的計算公式計算電熱有何不可呢？為什么還要研究電阻的產(chǎn)熱因素呢？即使需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，為什么自變量因素會選擇為電流、電阻和通電時間，而不選擇電壓呢？筆者在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)這種認(rèn)識困惑會一直伴隨著學(xué)生的初中物理學(xué)習(xí)．

(2)教學(xué)實(shí)踐改進(jìn)

通過上述分析可以發(fā)現(xiàn)，造成學(xué)生困惑的根本原因是電功和電熱之間的關(guān)系，造成學(xué)生困惑的直接環(huán)節(jié)是確定焦耳定律探究實(shí)驗(yàn)的自變量，前者涉及到為什么進(jìn)行焦耳定律實(shí)驗(yàn)探究，后者涉及到怎么進(jìn)行焦耳定律實(shí)驗(yàn)探究．

基于此，筆者在教學(xué)中進(jìn)行了實(shí)踐嘗試，在學(xué)習(xí)電熱概念的環(huán)節(jié)和猜想電熱影響因素的環(huán)節(jié)之間，引入討論能否利用電功的公式計算電熱的環(huán)節(jié)．

筆者在該環(huán)節(jié)利用實(shí)驗(yàn)直接向?qū)W生呈現(xiàn)了電流通過兩個元件做功相同但是電熱卻不相同的情景，這樣幫助學(xué)生認(rèn)識到電熱只是電流做功轉(zhuǎn)化的一種能量形式，即電功應(yīng)該是大于或等于電熱的．然后再結(jié)合電動機(jī)的真實(shí)案例，帶領(lǐng)學(xué)生分析推導(dǎo)可能的電熱計算公式，從而得到電熱的影響因素只能是電流、電阻和通電時間．

(3)具體實(shí)踐過程

在核心素養(yǎng)理念下，物理實(shí)驗(yàn)的設(shè)計要指向?qū)W生的科學(xué)思維[4]，直面學(xué)生思維層面的困惑．因此筆者首先利用人教版教材的實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計了一個新的演示實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)的核心目標(biāo)是呈現(xiàn)電壓、電流和通電時間都相同的兩個元件，產(chǎn)生的電熱卻不同．為達(dá)到此目的，筆者將LED燈珠內(nèi)置入空氣盒子中，選用的LED燈珠的額定功率為1 W，額定電壓為3 V．為了保證LED燈珠所在支路的電流與電阻所在支路的電流相同，筆者反復(fù)實(shí)驗(yàn)以后，最終將兩個相同的該規(guī)格的LED燈珠并聯(lián)以后內(nèi)置入空氣盒，如圖3所示．

圖3 LED燈珠內(nèi)置入空氣盒

然后將內(nèi)置LED燈珠的空氣盒與電阻絲空氣盒并聯(lián)，如圖4所示，電阻絲的電阻實(shí)際測量值約為11 Ω．調(diào)節(jié)它們兩端的電壓，當(dāng)電壓為3 V的時候，電流表測得此時通過兩個空氣盒得電流大小相等，均約為0.28 A，實(shí)驗(yàn)如圖5所示．

圖4 LED燈珠與電阻絲并聯(lián)

圖5 接通電源前、后的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

此時LED燈珠將電能轉(zhuǎn)化為光和熱，而電熱絲只將電能轉(zhuǎn)化為熱，因此相同時間內(nèi)，二者雖然消耗的電功W=UIt相同，但是產(chǎn)生的電熱Q卻不同，這一差異可以通過U形管左右液面的高度差進(jìn)行觀察．于是通過實(shí)驗(yàn)直接證明了在電能向多種形式的能的轉(zhuǎn)化情境中，電熱Q小于電功W．

然后再對一個小電動機(jī)通電并正常工作10 s，用電流表和電壓表測量出此時通過電動機(jī)的電流0.8 A和電動機(jī)兩端的電壓3.4 V，并給出在電動機(jī)不工作時利用萬用表測量出的電阻阻值約為0.2 Ω．筆者帶領(lǐng)學(xué)生分析此時的能量轉(zhuǎn)化，即電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能和電熱，而電功W=UIt=27.2 J，那么電熱會是多少呢？此時學(xué)生總會自然地將歐姆定律代入電功公式，于是會出現(xiàn)兩種電熱的計算結(jié)果，即

Q=I2Rt=1.28 J

和

因?yàn)殡姛嵋欢ㄐ∮陔姽Γ谑菍W(xué)生猜想電熱應(yīng)該能用Q=I2Rt計算．這樣就自然地引導(dǎo)學(xué)生得到了電熱可能的影響因素：電流大小、電阻大小和通電時間．

(4)教學(xué)實(shí)踐小結(jié)

通過這樣的實(shí)踐過程，學(xué)生明確了電功與電熱之間的關(guān)系，加深了學(xué)生對于電流做功所帶來的能量轉(zhuǎn)化的認(rèn)識，從深層次上解答了我們?yōu)槭裁匆M(jìn)行焦耳定律實(shí)驗(yàn)．與此同時，選用LED燈珠、電動機(jī)這樣貼近學(xué)生生活的電學(xué)元件，并利用電功的計算公式讓學(xué)生在實(shí)踐中去區(qū)分電熱與電功，讓學(xué)生在還沒有學(xué)習(xí)焦耳定律公式的時候，也能夠猜想到電熱有可能通過Q=I2Rt來求解，從而解決了焦耳定律實(shí)驗(yàn)探究的自變量因素的確定困惑．這一教學(xué)實(shí)踐準(zhǔn)確地達(dá)成了既定的教學(xué)目標(biāo)．

3 結(jié)束語

在不同版本的教材中，焦耳定律的實(shí)驗(yàn)處理雖然有所不同，但其作為電流熱效應(yīng)的重要規(guī)律的地位始終不變．焦耳定律本質(zhì)上描述了電能與電熱的轉(zhuǎn)化，從能量轉(zhuǎn)化的角度出發(fā)，教學(xué)引入環(huán)節(jié)應(yīng)當(dāng)出現(xiàn)電功并不等于電熱的案例，讓學(xué)生認(rèn)識到研究電流產(chǎn)熱的必要性．從而自然地引出這節(jié)課的主要問題：電熱與什么因素有關(guān)？又該如何計算電熱？

同時，焦耳定律實(shí)驗(yàn)探究要充分考慮到學(xué)生的已有認(rèn)知．當(dāng)學(xué)生通過教學(xué)引入的實(shí)驗(yàn)案例意識到不能直接使用W=UIt計算電熱以后，那么自然就想到了該如何確定電熱的影響因素了．此時通過對電動機(jī)的真實(shí)情境的電功計算，充分利用學(xué)生的前認(rèn)知，辨析

Q=I2Rt

和

計算電熱的可能性，然后通過電熱小于電功從而讓學(xué)生自己找到電熱可能的影響因素．這樣的處理既解決了電熱因素確定的問題，還潛移默化地帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行了電功計算公式和電熱計算公式的區(qū)分，從而真正達(dá)到減小學(xué)生學(xué)習(xí)障礙的目的．