高中物理核心素养下的HPS实验教学实践

彭欢高

摘   要：教师利用HPS模式的教学，以科学史的发展为主线，从定性实验到定量实验，与学生共同研究高中物理中的“焦耳定律”，在带领学生重走科学发展之路的同时，又全面地培养了学生的物理学科核心素养。

關键词：HPS，焦耳定律;定性;定量;核心素养

1  理论背景

HPS主要内容是： 为提高自然科学类教育质量，将科学史、科学哲学、科学社会学的有关内容纳入到相关科学课程中[ 1 ]。该教学模式的具体实施具有一些基本的前提：所授课题必须是科学史上某一位或某一些科学家曾研究过的自然现象与规律。教学步骤通常包括6个环节：①演示现象;②引出观念;③重温历史;④设计实验;⑤呈现科学观念和实验反思;⑥总结与评价。

显然，重视HPS教育，就是对培养学生物理学科核心素养的重视。那么如何利用该理论指导一线教师的实际教学，就成为科学教育工作者必须面对的实际问题。本文结合高中物理“焦耳定律”的教学实践，对于如何融入HPS教育理念，从而达到高效培养学生物理学科核心素养的目的，做出以下探讨。

2  教学实践

2.1  演示现象：制作电热切割机，引入电流的的热效应

为了让学生通过视觉感受到电流的热效应，引人新课时，准备了两根完全相同的镍镉合金丝作为电阻丝。用学生电源给其中一个电阻丝通电，将其放在泡沫板上，一段时间后，电阻丝烧红，教师轻易将泡沫板切割断。与此同时，让一个学生将另一个没有通电的电阻丝切割该泡沫板，该学生无法将泡沫板切割开。本次演示实验提供了电流热效应的直观现象，为激发学生猜想电热与哪些因素有关做了必要的铺垫。

2.2  引出物理观念

学生通过对亲眼看到的实验现象进行思考：为什么通电的电阻丝可以轻易切断泡沫板，而没通电的电阻丝却不能。通电电阻丝与不通电电阻丝的区别是什么？从而在引出电流热效应的同时让学生思考产生这一不同现象的原因，激发探索欲望。并适当提问：“在电流出现在人类社会之后，会不会也有人思考过类似的问题呢？”

2.3  重温历史，感受科学探究之法

伽利略是第一个通过对现象进行数据分析、数学推导和实验证明的方法来量化科学的。他甚至开发了多种仪器来进一步推进他的观察。伽利略鼓励科学工作是可以用实验数据对现象衡量的，而且是可重复性的，这后来成为科学研究方法的标准。因此，可用历史洞悉当今公认的科学实践和过程是如何演变的。

而焦耳在实验室中注意到电机运转过程会因摩擦而产生大量的热量，认为这是动力损失的重要原因，为提高动力装置的工作效率，由此开始了对电流热效应的定量研究。焦耳通过大量的实验发现：当一段金属导体通过电流一段时间后，无论该导体的形状、材料如何，其放出的热量总是和它的电阻成正比关系，表1是他的实验数据[ 2 ]。

（保证同组实验盛水量、通电时间，电流大小相等）

接着，焦耳再让其中一个电阻通电1 h和0.5 h，并记录实验数据，如表2所示[ 2 ]：

数据表明：在误差允许范围内，电阻一定时，Q与I2成正比。

焦耳通过大量的定量实验最终得出这一结论，一方面是出于对科学的严谨态度，另一方面，也是受当时的科研条件所限。其中科学家对电热Q的认识不足，利用“温度差ΔT”替代“电热Q”的做法虽属无奈，然数据处理得当，“温度差ΔT”竟能很好替代“电热Q”，得到相应比例关系.所以现在看来焦耳的实验虽然是定量实验，但当时却为半定量实验。

2.4  设计定性实验，感受焦耳定律

定性演示焦耳热与电流的关系（如表3）：取两个完全相同的电阻丝，利用学生电源，调节电流为两倍关系，比较切割泡沫板的难易程度。

定性演示焦耳热与电阻的关系（如表4）：取两个完全相同的电阻丝，其中一个对折。利用学生电源通以相同的电流，比较切割泡沫板的难易程度。

定性演示焦耳热与通电时间的关系：取两个完全相同的电阻丝，利用学生电源通以相同的电流，比较切割泡沫板的时间。

2.5  设计定量实验，“重现”科学历史

历史上，焦耳通过电阻丝加热水，以水温的升高替代生成的热量。所以决定了当时的实验是半定量实验，然而现在需要解决的一个问题便是：如何将半定量实验变成定量实验？此时可以启发学生回顾初中时期的物理概念：热容量。进而将温度的变化与热量的线性关系确定下来。Q=cmΔT，当被加热的物体和质量确定后，热量Q即可用温度的升高替代，从而实现半定量实验向定量实验的过渡，这也是焦耳能通过“半定量”实验得出正确结论的原因。

那么在现如今科研环境发达的今天如何更高效地完成焦耳定律的定量实验呢？首先我们需要保温性更好的容器，其次需要能够实时记录并读取温度的仪器和软件。

如图1、图2所示，另外需要的软件为DISLab，可实时读取温度传感器的数据并能智能处理数据。实验所需器材介绍完毕后，那么联系焦耳当年的做法如何设计实验呢？

Q=I2Rt

Q=cmΔT

将温度变化量ΔT做纵坐标，时间t做横坐标时候，斜率K==，通过采集数据，绘制图形，拟合直线方程，比对斜率，即可采用控制变量法定量验证焦耳定律。

有了前面的理论支撑，教师首先设计实验电路，如图3（a）、图3（b）所示。

如图4所示：将两电阻分别放入密闭容器中（焦耳定律实验器），装等量煤油，通过DISLab采集数据，将其温度时间数据绘制成图像，再拟合为线性方程，读取线性方程的斜率即可。电热Q与电阻R的关系中，根据图3电路设计，拟合为线性方程，实验得到K1=0.0144，K2=0.0078。即定量的得出电热Q与电阻R成正比的关系。同样，在探究电热Q与电流I的关系中，根据图4设计，将R1和R2分别放入密闭容器中（焦耳定律实验器），装等量煤油，通过DISLab采集数据，将其温度时间数据绘制成图像，拟合为线性方程，得到K1=0.0115，K2=0.0032，即定量的得出电热Q与电流的平方I2成正比的关系。

教师在演示完上述实验后，通过数据处理与分析，在误差允许范围内，定量地得出了焦耳定律。在现代社会利用更先进的实验器材得到了焦耳数年来得到的相同结论。由此可以非常有效地反应科技改变生活的同时，更能促进科技的长足进步。

然而，教师的上述实验虽然可以得出结论，但实施起来却需要两个电路分开操作，耗时耗力，可以向学生提出改进方法：此时完全可以用分组的形式，让学生自行设计实验方案。这个时候是开发学生创造力想象力和创新能力的良好时机，为他们适应今后多变的社会生活奠定良好的基础。学生在课堂上往往能够提出很多教师本身都无法想到的实验新方法。本文针对上述实验提出一个新的改造实验。

设计电路如图5（a）所示，分别将R1、R2、R3置于装有等量同种煤油的焦耳定律实验器。通过DISLab采集数据，将其温度时间数据绘制成图像，再拟合为线性方程，读取线性方程的斜率即可。三個电阻产生的热量与时间的线性方程如图5（b）所示，R1、R2、R3的斜率关系（如表5所示）在误差允许范围内满足焦耳定律：电热Q与电流的平方I2成正比，与电阻R成正比的关系。

2.6  呈现科学的物理观念与实验反思

教师讲解并和学生一同重走科学之路的过程中，为学生实现观念转变提供了良好的契机，这一环节需要学生对实验现象进行观察，对数据进行收集和处理，从而对自我形成的物理观念做出自我解释。在最终得出正确的结论后，将知识内化的过程中同时形成严谨而又科学的物理观念。

在对实验的反思中，有学生可能会提出，为什么焦耳当年研究该现象的时候只研究电流，而不研究电压呢？对于这一问题的提出，教师首先一定要给予高度的肯定，随后结合科学史的发展给出正确解释：欧姆引入物理量电压E时，他最初将之称为电力计力差，但论文得不到德国电学界认同，理论偃旗息鼓多年，直到1840年以后才得以公诸于世，在此期间焦耳全然不知电压概念，何谈焦耳通过实验进行电热Q与电压U的探究[ 3 ]？

但是事实上，根据欧姆定律，焦耳定律是否真的可以改写成Q=t呢？对此问题，教师可以从理论推导与实验验证的的方法双管齐下，让学生再一次认识到要生成正确的物理观念需要十分严谨的科学责任与态度，培养其物理学科核心素养。理论上，教师通过能量守恒与功能关系的角度解释纯电阻电路与非纯电阻电路的异同点。实验上还可以参考文章《为什么焦耳定律不写成Q=U2/Rt——电热与电压无关吗？》[ 4 ]，多角度多层面的展示科学探究的过程与科学态度。

2.7  总结与评价

首先对本节课的内容和实验方法做出总结，再结合科学历史的发展过程，强调科学理论体系的演变与完善是数代人经过长年累月的实验与理论的积累，才最终形成如今课本上呈现的焦耳定律的正确表达式：Q=I2Rt。

一堂课往往不能终止于知识的传授完毕，应加入必要的教师（学生）总结和教师（学生相互）评价环节。通过总结与评价，帮助学生更深刻地理解科学探究的本质与正确科学观念形成的艰难性和严谨性，在潜移默化中培养学生的科学思维和实验探究精神。

3  结束语

焦耳没有研究Q与U一定有历史渊源和时代的局限性，然而他高超的实验技能与永不向命运低头的精神令人叹服！以史鉴今，不仅是一种尊重事实的科学求实态度，更是一种超越“历史”、创造“未来”的勇气与豪迈。将科学史中科学家的探究过程展现在学生面前，在传授知识的过程中，让学生能“看见”历史，甚至亲自“重现”历史，无疑会形成更深刻的印象和更牢固的物理学科核心素养。

参考文献：

[1] 徐新兵，叶萍.中学物理实验教学中融入HPS教育的研究.[J].中国现代教育装备，2020（24）：28-30.

[2] JPJoule. On the Production of heat by Voltaic Electrictity [J]. Philosophical Transactions of the Royal Society of London，Vol.4（1837-1843）：290-282.

[3] 李啸，陆建隆.基于物理学史视角的电热与影响因素电压关系的探讨[J].物理通报，2020（9）：112-115.

[4] 牛仲林，姚弘凯.为什么焦耳定律不写成Q=U2/Rt——电热与电压无关吗？[J].中学物理，2021，39（2）：58-60.