指向深度學(xué)習(xí)的初中物理概念情境教學(xué)探討
——以“比熱容”教學(xué)為例

姚 壘

(江蘇省太倉市沙溪第一中學(xué),江蘇 太倉 215421)

1 問題的提出

深度學(xué)習(xí)是相對于表層學(xué)習(xí)、機(jī)械學(xué)習(xí)、無意義學(xué)習(xí)而言的,是學(xué)習(xí)者認(rèn)知、情感、思維高度攝入的一種學(xué)習(xí)方式。李吉林老師首倡的情境教學(xué)法,能夠促使深度學(xué)習(xí)有效發(fā)生,激發(fā)學(xué)生的思維,在符號化的知識(shí)和學(xué)生之間搭起橋梁,幫助學(xué)生建構(gòu)并理解物理概念。

在初中物理概念教學(xué)中,比熱容概念較為抽象,是第一個(gè)由三個(gè)物理量定義的概念,學(xué)生理解起來非常困難,教師只有通過創(chuàng)設(shè)合理的教學(xué)情境,讓學(xué)生主動(dòng)探索,親身體驗(yàn)物理概念的建構(gòu)過程,才能突破這一教學(xué)難點(diǎn)。

在比熱容概念的教學(xué)中,通常教師會(huì)根據(jù)“中午海邊的沙子很燙而海水較涼”的現(xiàn)象，提出問題：“同樣都是在太陽光照射下，為什么海水和沙子的溫度不一樣?”設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)比較沙子和水在相同時(shí)間內(nèi)升高的溫度。這樣的引入和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)給學(xué)生的學(xué)習(xí)帶來一定困難，首先有的學(xué)生存在錯(cuò)誤的前概念，認(rèn)為“吸收熱量多溫度高”,很難理解在相同時(shí)間內(nèi)海水和沙子吸收的熱量相同;其次，該情境的引入意在說明吸收相同的熱量沙子和海水升高的溫度不同,而比熱容比較的是不同物質(zhì)的吸熱本領(lǐng),學(xué)生很難順利過渡到這一點(diǎn)。

下面結(jié)合蘇科版“物質(zhì)的比熱容”的教學(xué),探討在概念教學(xué)中創(chuàng)設(shè)情境引發(fā)學(xué)生深度學(xué)習(xí)的策略。

2 初中物理概念情境教學(xué)策略

2.1 利用物理學(xué)史創(chuàng)設(shè)情境,引出問題

脫離物理學(xué)史創(chuàng)設(shè)的實(shí)驗(yàn)情境,會(huì)讓物理概念的建構(gòu)顯得牽強(qiáng),學(xué)生知其然而不知其所以然,自然無法實(shí)現(xiàn)對概念的深入理解。追溯比熱容概念建立的過程,英國科學(xué)家布萊克發(fā)現(xiàn)：在蒸餾過程中不斷對液體加熱,溫度計(jì)的示數(shù)卻保持不變,他得到啟發(fā)，首先將“熱量和溫度”這兩個(gè)概念區(qū)分開來。溫度計(jì)所指示的是溫度(他最初稱之為“熱的強(qiáng)度”),而不是熱量。布萊克經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):對于同樣的物質(zhì),物體的重量(質(zhì)量)越大,升高的溫度越多,所需要的熱量也越多,滿足Q∝m(t-t0)。他還發(fā)現(xiàn)：重量(質(zhì)量)相同的不同物質(zhì),升高相同的溫度所需要的熱量也不同，可用公式Q=cm(t-t0)表達(dá)，布萊克把比例系數(shù)c叫做比熱。

基于物理學(xué)史重構(gòu)的教學(xué)邏輯如圖1所示。

圖1

師:同學(xué)們都燒過熱水,要將水燒開,怎樣減少加熱時(shí)間?

生:加大火力,減少水的質(zhì)量,提高水的初溫……

師:加工油炸食物時(shí)需要加熱油,在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下,油的沸點(diǎn)為230℃—250℃,水的沸點(diǎn)為100℃,那么初溫、質(zhì)量都相同的兩鍋水和油,用相同熱源加熱,哪一個(gè)先沸騰?

學(xué)生觀看視頻:水和油的沸騰對比，現(xiàn)象是油先沸騰。

師:在相同時(shí)間內(nèi),水和油中哪一個(gè)吸收的熱量較多?

生1:油溫度高,油吸收的熱量多。

生2:加熱方式一樣,加熱時(shí)間也相同,油和水吸收的熱量一樣多。

師:加熱方式相同時(shí),損失的熱量一樣,可以認(rèn)為單位時(shí)間內(nèi)吸收的熱量也相同，并不是溫度高的物體吸收的熱量多。200多年前人們也存在上述錯(cuò)誤的認(rèn)知,英國科學(xué)家布萊克將一塊0℃的冰和77.8℃的熱水相混合,發(fā)現(xiàn)冰吸收了熱量,溫度并沒有升高,仍是0℃。他認(rèn)為溫度計(jì)顯示的是“熱的強(qiáng)度”(溫度),而不是“熱量”。

師:在相同時(shí)間內(nèi)水和油吸收的熱量一樣多,為什么油先沸騰?“熱量”又應(yīng)怎樣測定呢?

設(shè)計(jì)意圖：從生活情境(加熱水和油,油先沸騰)出發(fā),巧設(shè)問題，引出學(xué)生認(rèn)識(shí)的誤區(qū)：“溫度高的物體吸收的熱量多”,結(jié)合布萊克的研究,引導(dǎo)學(xué)生深入思考、釋疑,為后續(xù)的教學(xué)掃清障礙。

2.2 創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)情境，引領(lǐng)學(xué)生深入探究,建構(gòu)概念

實(shí)驗(yàn)探究水和油吸熱升溫的現(xiàn)象。

師:本探究的問題中涉及幾個(gè)物理量?

生:質(zhì)量、升高的溫度、吸收的熱量。

師:布萊克經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：同樣的物質(zhì),質(zhì)量越大,升高的溫度越多,所需要的熱量也越多。我們要比較水和油吸熱升溫的現(xiàn)象,需要控制哪些物理量?

生:質(zhì)量和加熱方式相同。

師:我們可以使質(zhì)量相等的水和油升高相同的溫度,比較吸收的熱量(加熱時(shí)間)。

學(xué)生實(shí)驗(yàn):將質(zhì)量相同的水和油裝入相同的燒杯中,用相同的酒精燈加熱,記錄溫度升高20℃所需要的時(shí)間,改變升高的溫度進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)(圖2)。

圖2

師:我們發(fā)現(xiàn)：質(zhì)量相同的不同物質(zhì),升高相同的溫度時(shí),吸收的熱量不同。這一結(jié)論顯示出物質(zhì)具有一種熱學(xué)性質(zhì)——吸熱本領(lǐng),水和油哪一個(gè)的吸熱本領(lǐng)大?

生:水，因?yàn)樗咄瑯拥臏囟任盏臒崃慷唷?/p>

師:布萊克經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)研究，認(rèn)為實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以用公式Q=cm(t-t0)來表達(dá)，公式可以變形得到：c=Q/(mΔt),我們用“比熱容”來反映不同物質(zhì)吸收熱量的本領(lǐng)。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生很容易在熟悉的生活情境中找出比熱容概念所涉及的三個(gè)物理量,順著布萊克的發(fā)現(xiàn)路徑設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)探究順理成章。實(shí)驗(yàn)中比較不同物質(zhì)升高相同溫度時(shí)吸收熱量的多少,使學(xué)生順利過渡到不同物質(zhì)吸熱本領(lǐng)不同,理解比熱容的內(nèi)涵。

2.3 運(yùn)用類比方法創(chuàng)設(shè)情境,建構(gòu)概念

教師適時(shí)提問：為什么在相同的時(shí)間內(nèi)水和油吸收的熱量一樣多,油先沸騰？對于這一問題學(xué)生一時(shí)無法回答,教師創(chuàng)設(shè)物理情境，進(jìn)行類比遷移,可以幫助學(xué)生突破認(rèn)知障礙。

教師在水平桌面上放兩個(gè)橫截面積不同、高度相同的燒杯a和b。

師:如果把這兩個(gè)燒杯裝滿水,誰需要的水多?誰的盛水本領(lǐng)大?

生:大燒杯b。

教師將等質(zhì)量的紅墨水倒入兩個(gè)燒杯中,觀察液面高度的變化(圖3)。

圖3

師:不同物質(zhì)吸熱本領(lǐng)的不同可與杯子容納液體本領(lǐng)的不同相類比,吸收的熱量可與盛水量相類比,升高的溫度可與液面高度的變化相類比。大燒杯b容納液體的本領(lǐng)強(qiáng),放入相同的液體,液面升高得少,請?jiān)囍忉尣煌镔|(zhì)吸收相同熱量時(shí)溫度的變化情況。

生:比熱容大的物質(zhì)吸收熱量的本領(lǐng)強(qiáng),吸收相同的熱量時(shí)升高的溫度小。

設(shè)計(jì)意圖：利用實(shí)驗(yàn)結(jié)論解釋課堂引入情境中設(shè)置的問題,前后呼應(yīng),主題突出,引發(fā)了學(xué)生的深度思考。創(chuàng)設(shè)情境,利用類比方法化抽象為形象,學(xué)生能夠自行進(jìn)行類比遷移,幫助學(xué)生真正理解概念內(nèi)涵,發(fā)展學(xué)生的高階思維能力。

2.4 回歸生活,解決實(shí)際問題

根據(jù)比熱容概念的內(nèi)涵,比熱容大的物質(zhì)吸熱(放熱)本領(lǐng)強(qiáng),溫度的變化小,教師可以從上述表現(xiàn)創(chuàng)設(shè)生活情境,幫助學(xué)生理解比熱容的物理意義。學(xué)生親歷探究的過程，建構(gòu)了比熱容概念,教師可以引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用探究中的思路方法分析一些生活現(xiàn)象。

師:為什么海邊中午沙子較燙、海水較涼，傍晚時(shí)沙子較涼而海水較溫暖?

生:因?yàn)樯匙拥谋葻崛菪?吸熱和放熱本領(lǐng)都小,當(dāng)與海水吸收或放出相同的熱量時(shí),升高或降低的溫度大,也就是說沙子升溫快,降溫也快。

師:為什么汽車發(fā)動(dòng)機(jī)用水進(jìn)行冷卻?冬天用熱水袋裝水取暖?

生:因?yàn)樗谋葻崛荽?吸熱和放熱本領(lǐng)都大,升高或降低相同的溫度,吸收或放出的熱量多。

設(shè)計(jì)意圖：深度學(xué)習(xí)要求學(xué)習(xí)者深入理解學(xué)習(xí)情境,對關(guān)鍵要素進(jìn)行正確判斷和把握,在相似情境中能夠做到舉一反三,也能在新情境中分析、判斷差異，運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決問題。通過生活情境的真實(shí)再現(xiàn),聯(lián)系實(shí)際學(xué)以致用,學(xué)生在對所學(xué)知識(shí)的遷移應(yīng)用中,深化了對概念的理解,提高了學(xué)生的問題解決能力。

3 教學(xué)反思

3.1 創(chuàng)設(shè)情境引發(fā)深度學(xué)習(xí),促進(jìn)學(xué)生深刻理解概念

初中生的思維處于由形象思維向抽象思維過渡的階段,比熱容的概念較為抽象,這就要求教師在用好教材的同時(shí),進(jìn)行再次開發(fā)重組,關(guān)注物理概念的建構(gòu)歷程，重構(gòu)符合學(xué)生認(rèn)知特點(diǎn)的教學(xué)邏輯。教學(xué)情境是連接學(xué)生思維的紐帶,在有效建構(gòu)物理概念的過程中起著不可或缺的作用。教師精心創(chuàng)設(shè)情境，設(shè)計(jì)環(huán)環(huán)相扣的問題鏈,引導(dǎo)學(xué)生深度思考,在新舊經(jīng)驗(yàn)間進(jìn)行比較，并對知識(shí)進(jìn)行遷移,在概念的建構(gòu)和應(yīng)用過程中深刻理解概念的內(nèi)涵。

3.2 多管齊下引發(fā)深度學(xué)習(xí),有效發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維

在教學(xué)中教師依據(jù)物理史實(shí)，從學(xué)生經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，創(chuàng)設(shè)生活情境引發(fā)學(xué)生思考,創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)情境引導(dǎo)學(xué)生探究,運(yùn)用類比方法掃清概念理解上的障礙,學(xué)生在建構(gòu)概念時(shí)經(jīng)歷了科學(xué)探究的過程,領(lǐng)悟了控制變量法、比值定義法、類比法等科學(xué)方法,并能將所學(xué)知識(shí)和方法進(jìn)行遷移運(yùn)用,實(shí)現(xiàn)由形象思維向抽象思維的螺旋式上升,學(xué)生的科學(xué)思維能力得到有效發(fā)展。

巧設(shè)情境引導(dǎo)學(xué)生深度思考是建構(gòu)物理概念的關(guān)鍵，教師要充分挖掘教學(xué)資源,利用學(xué)生已有的生活經(jīng)驗(yàn),創(chuàng)設(shè)引發(fā)學(xué)生深度學(xué)習(xí)的多樣化物理情景,實(shí)現(xiàn)教學(xué)與學(xué)生發(fā)展融合共進(jìn)。學(xué)生在建構(gòu)、運(yùn)用概念的過程中,完善了概念網(wǎng)絡(luò),能夠運(yùn)用學(xué)習(xí)策略和新知識(shí)解決實(shí)際問題,促進(jìn)了學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展。