初中和高中物理中温度概念教学衔接的探讨

杨雅歆 吴立东 邹斌

摘要：初中物理温度从定性感知的角度进行概念的阐述，而在高中教学中温度概念的阐述是以热力学第零定律和统计理论为基础的并解释了气体温度的统计意义.分析了初高中温度概念教学中的物理问题研究对象、温度计制作原理、摄氏温标和热力学温标中存在的内容差异着手，探讨了初高中温度概念教学的衔接，并提出采用问题串的教学设计让学生亲历概念的形成过程.

关键词：温度；初中物理；高中物理；教学衔接

基金项目：北京物理学会2018-2019年度教育科研立项重点课题“微课在中学物理课堂实施效果研究”，课题编号：WLXH1807.

作者简介：杨雅歆（1996-），女，山西太原人，研究生，研究方向：物理学科教学；

吴立东（1970-），女，北京市人，本科，中学物理高级教师，研究方向：初中物理学科教学；

邹斌（1980-），男，山东威海人，博士，副教授，研究方向：物理教育研究.

通讯作者：邹斌（1980-），副教授，研究方向：物理教育，zoubin@muc.edu.cn.

1引言

核心素养下要求重视概念的形成过程，而非结果.温度是一个很抽象的物理概念，究竟什么是温度？初中物理将温度描述为物体冷热程度的物理量，这显然是一个人为定性的感知，而人的感知往往不够准确，甚至于可能会出现错误.所以为了更准确地描述物体的冷热程度，利用热力学第零定律和液体热胀冷缩的规律制成温度计来测量系统的温度值，从而定量描述物体系统的冷热程度.除此之外，高中从热平衡定律和统计理论出发重新对温度的概念进行更准确地阐述.初中到高中温度概念的学习即是一个从定性到定量，从宏观到微观，从单一物体到研究系统的过程.如何在这一过程中探讨初高中温度概念的教学衔接方式，如何在概念建立过程中持续地培养学生的科学素养，即是本文需要探究的问题.

2初中物理对温度概念的阐述

人教版初中课本八年级上册将表示物体冷热程度的物理量定义为温度[1].这里只简单定性描述了物体的冷热程度.但是，人的感知往往不准确，比如在冬天用左右手分别触摸室外的木块和铁块，感觉铁块更冷，而实际上长时间放在户外的铁块和木块，他们的温度与外界温度是相同的.这里冷热的感觉，是我们主观的感受，因为木块和铁块的热导率不同，而造成人有这一感受的，这是因为在相同时间内铁块从人体表吸收的热量比木块更多，也就是说铁块的比热容比木块的比热容更小，当吸收或放出的热量相同时，铁块的温度变化要比木块的温度变化大得多.其实这就是传导造成的冷热感觉干扰了学生对温度概念的理解，是典型的负迁移造成的倒摄抑制的思维障碍[2].

由此发现，单靠人体定性地感知物体的温度是不可靠的，要想更准确地判断温度高低，就要从定性感知向定量判断过渡.根据液体热胀冷缩的规律，利用温度计来对温度进行定量地测量.八年级上册第三章第一节就进一步讲解了如何正确地使用温度计以及日常生活中有哪些温度计等.

3高中物理对温度概念的阐述

我们知道，组成物质的分子在作永不停歇的无规则热运动，物质内部的分子不停地碰撞，其中每个分子的动能也在不停地变化.研究单个分子的动能大小是无意义的，这就需要用到统计理论.分子动能不是系统中某个分子的动能大小，而是系统中全部分子热运动动能的平均值，即分子热运动的平均动能.人教版高中物理课本在引入平均动能的概念后提出：物质的温度是分子热运动平均动能的标志，其表征了分子运动的剧烈程度.

热力学第零定律是热力学三大定律的基础，它也定义了温度的概念：如果两个熱力学系统与第三个热力学系统处于热平衡，那么它们也必处于热平衡.也就是热平衡是传递的.两个系统处于热平衡时，他们必具有某个共同的热学性质，我们把表征这一“共同热学性质”的物理量叫做温度[3].即在热平衡状态下，处于热平衡的两个系统，分子的平均动能相等.

此外，人教版高中物理课本选修3 -3第八章第四节气体热现象的微观意义中还进行了更为详细的介绍，对于理想气体，热力学温度T与分子热运动的平均动能Ek成正比，即T=aEk.这一公式也揭示了气体温度的统计意义，即温度是大量气体分子热运动的集体宏观表现，对个别分子，谈其温度是无意义的，我们关注的是组成系统的大量分子表现出来的整体的热学性质.

在讲解T=aEk这一公式的比例系数a时需要注意，不能根据理想气体温度公式将a简单解释为23k.这是因为我们需要考虑，在常温下理想气体平均动能与气体分子的平动及转动自由度有关.比如，单原子气体分子有3个自由度，每个分子的平均动能则为k=32kT；常温下不计振动自由度，双原子气体分子和非共线的多原子分子分别有5个和6个平动和转动自由度，其分子的平均动能分别为k=52kT和k=3kT.

4初高中物理如何在温度概念学习中衔接

学生在初中物理学习和日常生活实践中，对温度已经建立了初步的概念，高中的温度概念的教学应基于学生已有的概念基础，破解迷思概念，逐步建构更加科学完善的概念[4].初高中物理教学中最大的不同即是初中学习的物理现象和过程大多是学生可以定性感知到的，而高中所学习的一些物理规律和物理概念往往较为抽象，而对这些概念又需要定量地去描述它.如何找寻初高中教学中的衔接点，从而最大限度避免教学中的盲区？首先，初高中温度教学中大致有以下三点不同.

41不同点一：研究对象的表述有差异

初中所讲的温度是指单一物体的冷热程度，是一种更为贴近生活情景的表述.而高中所讲的温度指两系统间的一种平衡状态，研究的是系统整体宏观表现出来的性质，是一种较为具有物理专业色彩的科学表述.

42不同点二：温度计的制作原理从定性描述到定量叙述

温度计的使用也是这一节学习的重点，学会使用温度计不仅是研究物态变化的需要，也是学生生活实际的需要[5].在初中，将温度计制作原理简单地说成是由液体热胀冷缩原理制成，而高中提到需要规定测温物质的某种特性与温度间存在某种线性关系，来制造不同形式的温度计.这种线性关系即是一种定量描述温度的方式，也表明了高中比初中更注重定量探究物体的性质.

43不同点三：初中主要讲摄氏温标，高中更多使用热力学温标

初中讲的是摄氏温标，更准确地讲只提到了摄氏温度的概念；而高中提到了热学中更普遍适用的热力学温标.摄氏温标依赖具体的测温物质，规定标准大气压下冰水混合物的温度为0摄氏度，沸水是100摄氏度，可见当使用不同的测温物质，所测量的温度也可能会有所不同.而热力学温标不依赖于测温物质，以绝对零度（0K）为最低温度，而水的三相点温度为273.16K.（另外，学生往往认为水的三相点温度是在标准大气压下测量的.这里需要补充的是，根据吉布斯相律，当液态水、水蒸气和冰三相平衡共存时，水的三相点压强是确定的，实验测量结果为610.9Pa，远比标准大气压要小.）

由于有关温度概念及其测量问题比较繁杂，在初中教学时很难向学生精准而严密地介绍清楚，采用通俗和模糊处理是初中教学中常采用的一种方式[6].所以初中物理只讲摄氏温度而不提热力学温标.

在这样的基础上我们应该如何做好衔接教学并让学生亲身经历概念的形成过程？在高中温度概念教学中，不妨采用问题串的方式引入.具体设计问题如下：

（1）为什么寒冷的冬天铁块摸起来比木块要冷？

（2）为什么当温度计示数不发生改变时，我们就说此时温度计的示数就是被测物体的温度呢？

（3）宏观表现出来系统的温度大小与对应着微观状态下组成系统物质的分子有哪些关系？

第一个问题意在让学生体会到温度的变化与热量传递相关；第二个问题让学生意识到系统内存在着一种热传递的平衡状态，从初中的“单一物体”的概念自然过渡到系统整体，从而为建立温度的概念打下基础；第三个问题从宏观到微观，物体系统的温度显然是这个系统的宏观表现出来的一个概念，而从微观本质上讲物质是由大量分子组成的，为了研究组成系统的分子整体表现出的热学性质，从而引出分子平均动能的概念，接下来再进一步指出温度的微观意义：温度是组成物质的分子热运动平均动能的标志.从温度的宏观概念到微观意义，学生亲身经历概念的形成过程，能更清楚地建立温度的概念，也能更清楚地明白温度的宏观意义与微观意义之间的联系.

5结论

本文从初高中温度概念教学出发，分析了初高中课本中如何对温度概念进行阐述，包括高中比初中知识所深入的地方.我们还分析了初高中温度概念教学中三点不同，总结出了初高中温度概念教学的衔接点，从定性到定量，从宏观到微观，从单一物体到研究系统.并建议具体采用问题串的方式开展教学，力求学生亲历概念的形成过程，从而进一步提升学生的科学素养.

参考文献：

[1]人民教育出版社课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心.物理（八年级上册）[M].北京：人民教育出版社，2012：47-52.

[2]王文胜.新课改中学生学习物理的思维障碍[J].物理教学探讨，2007（24）：8-9.

[3]人民教育出版社课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心.物理（选修3-3）[M].北京：人民教育出版社，2010：10-29.

[4]姜民.物理核心概念教学的实践与体会——以“温度”概念为例[J].中小学教材教学，2016（09）：62-65+16.

[5]王芳，高海燕.基于“目标—评价—教学”一致性的《温度》教学设计[J].中學物理，2015，33（18）：29-31.

[6]本刊资料室.国际单位制中的“摄氏度”[J].物理通报，2015（07）：124-125.