比热容概念有效教学探讨——学习心理学视角

魏舜芷 刘紫微 陈 刚

（1.华东师范大学教师教育学院，上海 200333；2.同济大学第一附属中学，上海 200438）

“比热容”是初中物理教材中非常重要的物理概念，但其概念抽象，不同版本教材对比热容概念有两种定义方式，不少学者和一线教师也对比热容的实验教学和概念建构有不同的教学改进方案和研究积累.概念定义方式的不同、教学方案的不同，对学生习得比热容概念是否有影响？这些教学改进是否有效？如何更好地解决比热容概念建构的教学困境？笔者尝试以学习心理学为基础，从学生学习的结果——图式来探讨比热容的教材编写和教师教学是否有效，并给出教学建议，以期对初中物理中比热容概念的教学有所帮助.

1 物理概念的学习结果——概念图式

1.1 图式及物理概念图式

根据学习心理学可知，学习者学习物理概念和规律，其最终的内部表征应是特定概念和规律的图式.图式就像是围绕某个主题组织起来的认知框架.它是一些观念及其关系的组合，是对某一范畴中对象具有共同属性构成结构的整体编码表征方式.［1］对于物理概念，学习时可以从物理意义（概念引入的必要性）、物理性质（物理概念间的定性或定量关系），符号、表达式、单位、与其他物理概念间的关系等方面加以认识.［2］

1.2 比热容的学习结果

学生经过有意义的比热容概念学习后，在脑海中形成的学习结果是比热容概念图式.比热容概念图式如表1所示.

表1 比热容概念图式

由图式可知，学生在建立对比热容的认识时，最主要习得比热容的定义、物理意义和物理性质等.

若要学生习得一个新的物理概念，则代表学生要能够理解这个物理概念，包括理解其物理意义和物理性质.根据布鲁姆教育目标分类学，当学生表现出“解释、举例、推论、分类、概要、说明、比较”的外显行为时，表明学生已达到“理解”层次.［3］如果学生能够解释为什么要引入比热容这一物理量，即代表学生达到理解比热容物理意义的水平.如果学生能够解释其物理量之间的关系以及关系建立的依据，即代表学生达到理解比热容物理性质的水平.

2 比热容的定义方式

定义即概念界定，通常来说，一个物理概念的物理意义和物理性质与其定义有着紧密的联系，所以定义方式也应对学生习得物理意义和物理性质有帮助.

通过“比热容”概念引入的历史，［4］我们可以知道，物理学家们先是引入“热容量”这一术语，表示物质温度升高或降低1℃时吸收或放出热量的多少，接着引入“比热容”来表示单位质量的某种物质温度升高（或降低）1℃时吸收（或放出）的热量.可见此时的比热容定义从物理意义出发，也就是说明比热容反映“物质温度变化时”吸收或放出热量多少这一性质，描述的是物理过程中满足的规律.这种比热容定义比较常见，如在美国学者保罗著的《概念物理》、赵凯华著的《新概念高中物理读本》等读物中均可见，同时现行初中物理教材中粤沪版、沪科版，也是如此定义比热容.

比热容的另一种定义为：一定质量的某种物质，在温度升高时吸收的热量与其质量和升高温度的乘积之比，称为比热容.可见这类概念是从操作定义，表明的是各物理量之间的关系，这种界定以人教版、北师大版、教科版为代表.

3 比热容概念的物理意义

3.1 表征物质的吸热（放热）能力

物理意义表明了概念引入的必要性.比热容反映单位质量的物质，升高（降低）单位温度，所需吸收（放出）的热量.例如水的比热容大于沙子，意味着单位质量的水和沙子，温度升高1℃，水所需吸收的热量多.

因此，从比较吸热能力的角度引入比热容，通常的理解是：比如条件一致的物质A、物质B处于相同的热环境中，两者升高相同的温度，如果物质A吸收的热量更多，我们会说物质A吸热本领大.此时比热容的物理意义是比较不同物质的吸热本领，吸热本领大的物质比热容大.

3.2 表征物质的容热能力

但吸收（放出）的热量多少我们无法观察到，在现实情况中我们更常见的是，一样的热环境下，不同物质温度变化的不同.比如，同样日照条件下，金属升温大、砂石升温比较大、水升温较小.火锅店中的鸳鸯锅，同样加热条件下，油锅升温较清水锅升温大，更快接近沸腾；同样的太阳照射条件下，小汽车金属手柄很烫、车内空气温度较高、橡皮坐垫感觉温度尚可等.

温度变化大小，这是在热现象中易获得的物理量，因此可以用温度变化大小来反映容纳热量本领大小.那么，如何理解“容纳”二字？举个简单的例子：如果给不同的容器以相同体积的水，容器A中水位升高高度较小，容器B中水位升高高度较大，我们可以说水位升高较小的容器A容纳水的能力强.同样，如果在相同热环境中，传递给质量相同的不同物质以相同的热量，物质A升高温度较小，物质B升高温度较大，哪一种物质容纳热量的能力大？显然，等量的热量，传递给质量相同的不同物质，温度变化小的物质，我们可以说其容纳热量的能力强.因此，从这个角度出发，引入比热容的作用是比较物质的容纳热量的本领.比热容大的物质，意味其容纳热量的能力强，说明单位质量的物质吸收相同的热量，较其他物质，温度变化小.

1 kg的某种物质温度降低1℃放出的热量和它温度升高1℃吸收的热量相等.因此，比热容是描述物质热学性质的物理量，其物理意义是反映不同物质吸收或放出热量能力大小的物理量（单位质量、升高单位温度，吸收或放出热量多，比热容大）.也可以说，比热容是反映不同物质容纳热量能力大小的物理量（单位质量，吸收或放出相同的热量，温度变化小，容纳热量的能力强，比热容大）.

3.3 教材中比热容物理意义的处理方式

由前可知，比热容是反映物质吸收热量能力的物理量.也可以说是反映物质容纳热量能力的物理量.这两者只是观察视角不同，无本质区别.

人教版9年级物理教材是通过“比较不同物质吸热情况”实验得出“不同物质在质量相等、升高的温度相同时，吸收的热量不同”这一结论，接着提问“如何表述不同物质这种性质上的差别呢”，从而引入比热容这一概念.［5］可以发现，人教版教材这种处理含糊不清，为了描述这种性质，到底描述什么性质却语焉不详.也就是说，教材中忽略了对比热容物理意义的学习.而笔者发现，除了教科版有明确提到“比热容反映了物质吸收或放出热量的能力”，其他主流版本教材中也没有提及比热容的物理意义.如果这时候问学生为何要引入比热容时，学生并不能进行解释，也就是没有习得其物理意义.

4 比热容物理性质的学习路径

由前文比热容的图式可知，比热容的物理性质实则是ΔQ、m、ΔT之间定性和定量的关系，表明了物质吸收热量的多少与质量、温度变化量、物质种类有关，教材上多采用实验探究的途径习得.

因为学生比较熟悉物质在热传递过程中吸收热量ΔQ，产生的效果是物质升高温度ΔT.所以从物质吸收热量的角度入手，有实验方案：将等质量的不同物质升高相同温度ΔT，通过比较不同物质所吸收热量ΔQ的多少，来判定物质的“吸热本领”.这一学习路径以人教版、北师大版、沪粤版、沪科版等教材为代表，也是初中比热容物理性质的主要学习路径.

但生活中通常遇到的情况是：相同热环境下，不同物质温度升高不同，从此来判断物质比热容的大小.因此，有另一种实验方案：在相同热环境下，为等质量的不同物质提供相同的ΔQ，通过比较不同物质的温度变化ΔT的大小，来判定物质的“容热本领”.这一学习路径主要以苏科版为代表.

在人教版教材中，是通过 “烈日炎炎的夏季，白天海滩上的沙子热得烫脚，但是海水却非常凉爽，同样的日照，为什么沙子和海水的温度不相同呢”这一例子来引入的，也就意味着接下来的实验应该是通过质量相同的不同物质吸收相同的热量，来比较温度变化大小.但是实际上教材安排的实验却是通过质量相同的水和煤油升高相同的温度，来比较两者所吸收的热量多少.类似安排的版本还有粤沪版、沪科版和教科版，虽然现实情况中我们更常见的例子是比较温度的变化，但从例子到进行实验，若没有进行引导，学生一时难以理解引入部分与所做实验之间的关系.可见，这类教材的内容安排没有良好的承接性，这也是造成学生理解比热容存在障碍的一大原因.因此，从吸热角度习得比热容的物理性质后，我们应从容纳热本领的视角对其意义做解释.

5 比热容概念的有效教学

评价比热容概念教学的有效性应以学生是否能够理解比热容的物理意义和物理性质为标准.如果教师在教学中询问学生为何要引入比热容，此时，学生的外显行为应表现为能够用自己的语言解释比热容或举出例子，如：“比热容反映了物质的吸热或放热能力，它决定了单位质量的某种物质改变单位温度时所需热量的多少，是物质的一种属性”.如果教师在教学中询问学生比热容概念中各物理量之间的关系及其依据，学生应能解释“不同物质吸收热量的多少与质量、温度变化量、物质的种类有关”，此时学生知道若要表征不同物质的吸热本领，需要控制哪些影响因素.

而在学习比热容概念时，其定义、物理意义、物理性质的学习路径等方面都应服务于学生的理解.结合前述的梳理，可知比热容的学习有两条有效路径.

5.1 途径1：从吸收热量的角度

引入时，可以北师大版为例，从“物质吸收热量的多少与哪些因素有关”引入.

此时也可推知：比热容大的物质，单位质量该物质吸收相同热量，温度升高较小.换种视角：比热容大的物质，容纳热量的本领大，即比热容也可表征物质的容热能力.

5.2 途径2：从容纳热量的角度

引入时，可从“相同日照情况下，沙子和水的温度不同”引入.

该值大，单位质量该物质吸收相同热量，温度升高较小，说明该物质容纳热量的能力更强.因此，可用该比值反映不同物质容纳热量本领的大小，称为“比热容”.

此时也可推知：比热容大的物质，单位质量该物质升高单位温度，吸收热量多.因此，比热容也可表征物质的吸热能力，反映了单位质量物质升高单位温度，吸收的热量.

6 现有教学改进

正如前文所分析的，学生学习比热容后的结果应是形成比热容的图式，但教学现状是大部分学生只习得了比热容的数学表达式，却不理解比热容是什么、为何要引入比热容.对此国内学者做了不少工作，大多数有关“比热容教学”期刊文章中的教学改进都尝试从不同视角试图揭示比热容的“物理意义”，这是值得肯定的.不足在于从比热容的“容纳”热的现象引入，但实验却从“吸收”热的能力进行探究，有些前后不一致.

有的建议是从“吸热本领”来描述，如石尧［6］等人抛弃“探究影响物质吸热能力的因素”的教学逻辑，以“0.3 kg的水温度上升10℃仅需要12600 J的热量，而0.6 kg的食用油上升30℃则吸收了32400 J的热量”为例启发学生不能直接比较热量，还应选取质量、温度变化量为相同的标准从而得到比热容的定义式，然后结合小学数学应用题来类比阐释比热容得物理意义.有的建议是从“容热本领”来描述，如任少铎［7］通过实验探究得出“质量和初温相同的两种物质，吸收相同的热量，吸热能力越强，温度升高越少”，再利用“水容”类比“热容”来建构比热容的概念.

然而笔者展开进一步分析后发现，任少铎能够对比热容的物理意义进行剖析，引导学生理解为何要引入比热容这一物理概念，但他没有能够将物质吸收热量的多少与质量、温度变化量、物质的种类的关系解释清楚，如没能说明为何容器的3个边长代表质量m、温度的变化量Δt、比热容c，实际上学生还是处于对物理性质的不知其所以然的状态.石尧等人的教学没有说明标准的选择依据，也就是没有说明热量与质量、温度变化量之间是存在某种关系的，如果此时仅以温度变化量为标准，例题中水需要的热量比食用油多，也符合水的吸热能力比食用油强的事实.学生会疑惑，为什么就一定要选择质量和温度变化量为标准呢？同时石尧在文中用了工作效率的小学应用题，这可能让学生误解吸热能力的强弱与吸热快慢有关.

可以发现，学者们的教学改进确有各自的可取之处，但部分文章没有能够让学生很好地同时习得物理意义和物理性质，也就是难以让学生“既知其然，又知其所以然”.

7 总结

学生学习比热容概念的学习结果是比热容图式，无论是教材的内容呈现还是教师的教学，都应对学生习得图式有帮助.物理概念图式中最重要的是物理意义及物理性质，物理意义表明了概念引入的必要性，物理性质表明了物理对象、性质、特点等.当学生能够理解图式中的物理意义和物理性质，达到“知其然，知其所以然”时，教师的教学才是合格、有效的.