初中物理“比热容”教学中的概念易错点分析及实验改进

曹可攀, 黄致新

摘   要：科学思维是物理学科核心素养中的关键能力，而物理概念课是培养学生科学思维的重要载体。实际教学中，概念的学习如不考虑学生思维认知的特点，当学生面对跳跃性或是模糊性的知识时，就容易产生易错点。以“比热容”概念的教学探讨为例展开论述，将学生的易错点进行归因分析，根据易错的本质原因，在更加符合学生认知能力和认知规律的基础上对教材中的有关实验进行改进，为一线教师提供参考。

关键词：科学思维;物理概念;吸热能力;吸热快慢

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2022）5-0049-4

科学思维是对客观事物本质属性、内在规律及相互关系的认识方式，是物理学习中学生必备的核心素养，主要包括模型建构、科学推理、科学论证和质疑创新等要素。在初中物理教学中，培养与提高学生的科学思维能力，物理概念教学是重要载体。物理概念是一类物理现象和物理过程的共同属性和本质特征在人们头脑中的反映，是对物理现象和物理过程的抽象化和概括化的思维形式。在初中物理概念教学中让学生进行自主思維活动，可促进学生思维能力和思维品质的提高，促进学生自主认识物理现象和物理过程的本质，掌握科学方法，提高科学素养[1]。物理概念的教学一直都是初中物理教学的重点，而这些物理概念往往也很容易成为学生的易错点。

1    问题的提出

在人教版九年级物理第十三章第3节“比热容”的学习中，教材主要是通过“比较不同物质吸热的情况”[2]的实验（图1）来引导学生分析总结出不同物质具有不同的吸热能力，从而引出比热容的概念。教学中通过电加热器分别对相同质量的水和食用油进行加热，当升高相同温度时来比较吸热的多少，从而得出不同物质吸热能力不同的结论。教师在新课授课时一般还会进行拓展，介绍另一种比较的方法：控制水和食用油的质量相同，加热相同的时间来比较两种物质升高的温度，从而得出结论。在教学中这两种方法学生都容易理解和接受，但面对物质吸热多少和物质吸热能力时，学生却反复出错。很多学生对物质吸收热量的判断存在问题，他们往往是根据加热过程中物质温度变化的高低来比较吸收热量的多少。而且对吸热能力的理解也有偏差，他们认为两种物质吸热快慢不一定相同，也就无法用吸热多少比较吸热能力。因此，吸热多少和吸热能力这两个物理概念就成为了本节内容中的易错点。

2    产生问题的原因分析

对于易错点，首先要分析产生错误认识的原因，找到学生出现理解偏差的本质原因，才能引导学生分析物理概念的本质，形成正确的科学观念。在“吸热多少”这个易错点当中，学生判断吸收热量的多少都与温度联系在一起，这其中有两个原因：其一，学生现有的感性认识。好比一瓶水加热到50摄氏度肯定比加热到40摄氏度吸收的热量多，根据生活中的体验，物体温度升高越多意味着吸收的热量就越多。其二，学生对物体内能、温度、热量等相关知识的学习与理解。对于同一物体而言，温度越高的物体内能就越大，热传递作为改变内能的方式之一，在热传递过程中内能的变化是通过热量在转移，所以升高温度的多少就是吸收热量多少的宏观表现。然而，在热传递的过程中，对于不同物质而言，温度变化的多少就不能去衡量热量的多少了。

为了让学生能对不同物质吸收热量多少进行判断，在人教版教材中把物质吸收热量的多少转换成了物质加热时间的多少。在人教版课本实验中，为了让学生接受物质吸收热量和时间有关，教材里面专门交代了 “电加热器每秒放出的热量是一定的，当它浸没在液体中时，可认为液体每秒吸收的热量相同”[2]。在比较不同物质吸热情况的演示实验当中，采用相同规格的电加热器进行加热，根据焦耳定律（九年级物理第十八章第4节）我们可以知道电加热器每秒产生的热量是相同的。再根据热平衡原理Q■=Q■，则可以推理出物体每秒吸收的热量也是相同的，换言之，液体吸收热量的快慢是相同的。这样的安排看似解决了学生对吸热多少的判断问题，但却引出了新的物理问题——吸热快慢，而对新的物理问题没有去探究和解释，反而使一些有想法的学生产生了疑惑。

在“吸热能力”这个易错点当中，主要原因是学生没有经历科学思维的过程，凭借自己的感性认识把物质吸热能力理解成物质吸热快慢。这些学生错误地认为物体温度上升快，说明物体吸收热量就快，物体吸热能力就越强。同时，教材中也没有对吸热快慢进行任何叙述和解释，教师在授课时也没有对吸热快慢进行讲解，导致这种错误的认知一直影响这些学生。

通过对学生以上两个易错点的分析，不难得出错误的根本原因就是学生对于吸热快慢的理解出现了问题。物体吸热快慢不属于初中物理研究的范畴，实际教学中很多教师和学生都没有接触吸热快慢这个概念。从科学本质的角度，要真正弄懂和理解为什么不同物质吸收热量的多少与加热的时间有关系，又势必会引出物质吸热快慢的问题。但是，学生没有经历实验探究、分析归纳、科学推理等一系列的科学思维，对于教材中直接给出的液体吸热快慢相同这一结论，学生很难去想象和理解，而且对物质吸热快慢和吸热能力的概念造成混淆，就形成了知识的易错点。

3    解决问题的策略和方法

为了解决在实际教学中出现的这些问题，笔者借鉴相关实验设计[3-4]对教材中的实验进行了改进，将吸收热量的多少转换成热水降低的温度，实验结构设计如图2所示。在一个密闭的容器内（保温杯），装入适量的热水，控制好热水的初温，把相同质量、相同温度的水和食用油分两次用试管放入密闭容器内进行加热。两次实验都要控制热水的质量和初温相同，当热水的温度每降低3 ℃时，记录水和食用油的温度变化。

实际操作如下：

（1）取两支相同的试管，在试管口各塞上一个橡皮塞，在橡皮塞上打孔，将温度计通过橡皮塞上的小孔插入试管中，在两支试管内分别装入质量相等的水和食用油。703BF590-C796-4438-808F-FBA4B9A1BD22

（2）在一块木板上钻2个孔，大孔刚好插入试管、小孔刚好插入温度计即可。

（3）将装有水的试管插入大孔中固定好，试管口塞上塞子，并使温度计的玻璃泡与液体充分接触，小孔中插入温度计。然后，在密闭的容器（保温杯）中倒入适量热水，将插好试管和温度计的木板盖在保温杯杯口，记录此时两支温度计的示数。

（4）可以观察记录试管内的水升高一定的温度时，试管外热水降低的温度;也可以控制试管外热水降低的温度，记录试管内的水升高的温度。

（5）取出装有水的试管，并将保温杯中的热水倒出，重复以上（3）（4）操作。（将装有食用油的试管插入大孔中固定好，试管口塞上塞子，在保温杯中倒入初温和质量都一样的热水，将插好试管和温度计的木板盖在保温杯杯口。观察记录试管内的食用油升高一定的温度时，试管外热水降低的温度;也可以控制试管外热水降低的温度，记录试管内的食用油升高的温度[3]。）

注意事项：

（1）实验时试管中液体的质量要适量，以保温杯中的热水液面超过或刚好等于试管中两种液体的液面为好。

（2）实验中使用的热水温度不要太高（约60 ℃），同时试管的橡皮塞应塞紧，减少热散失。特别是装水的试管，要防止出现水加热汽化，水蒸气对外做功将塞子弹出去的情况发生[4]。

教材中的实验设计和改进后的实验设计对比如表1所示。

改进后的实验设计先解决了吸热多少的问题，再通过测量吸热的时间顺理成章地解决了吸热快慢的问题。而人教版教材直接告知吸热快慢是相同的，然后通过加热时间判断吸热多少，对吸热快慢这个概念有意回避。吸热快慢的影响因素很复杂，比如在发生热传递时，高温物体与低温物体之间的温度差会影响到低温物体的吸热快慢。水和食用油在吸熱的过程中，水的温度上升慢，食用油的温度上升快，那么水与电加热器之间的温度差一直在变化，水吸热的快慢也在不断变化，同理可知食用油吸热的快慢也在不断变化。按照教材中的解释，水和食用油吸热快慢是相同的，那水和食用油在加热的过程中其吸热快慢的变化也应该都是相同的。当然，很多物理实验可以进行理想化的处理，在实验过程中是可以忽略一些影响不大的因素，比如加热过程中水和食用油散热的问题。关于教材中本节实验的处理，也不排除是编者在设计实验时考虑到了吸热快慢的问题，但在电加热器加热的过程中电加热器的温度可以高达1000 ℃左右，所以电加热器与水的温差Δt1和电加热器与食用油的温差Δt2之间的差距比较小，可以忽略不计，从而近似地认为加热过程中水和食用油的吸热快慢是相同的。但是，对于物理概念的建立，只有亲身体验之后，学生才会有更深刻的感受，才会提出新猜想、新假说，提出有意义、有价值的问题。精心地设计和引导他们对所观察到的、了解到的问题进行思考，从而提升学生的提问思维水平，培养正确的科学研究态度，引发强烈的求知欲，不断提出很多新的问题，也能引导学生学会用发现问题的眼光去看待事物[5]。

4    结  语

通过这种改进不仅能有效解决吸热快慢带来的干扰问题，而且把吸收热量的多少转换成放热物体的温度变化，更加符合学生的认知，更能让学生接受和理解，而且也不需要牵涉到还没学习的电学知识，也符合物理学科由易到难的知识特点。同时，在改进的实验教学中鼓励学生去质疑不同物质的吸热快慢是否相同，培养初中生批判性思维，让学生在理解事物的基础上善于质疑辨析，在质疑辨析中加深对深层知识和复杂概念的理解[1]，这样更有利于对学生物理观念、科学思维的培养。由于条件所限，图2中的装置因散热、测温时间等因素对实验会有一定的影响，但不影响实验结论，如果改用数字化实验器材，将得到更准确的数据。利用数字化实验，解决学生的疑惑，引导学生质疑分析，将更加有效地促进学生科学思维的发展[6]。

参考文献：

[1]叶成林.聚焦物理概念建构的初中生科学思维能力提高策略——以苏科版初中物理教材中的物理概念建构为例[J].物理教师，2020，41（8）：49-52.

[2]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.义务教育教科书物理九年级全一册[M].北京：人民教育出版社，2013.

[3]胡世龙.基于多版本教材中“比较不同物质的吸热能力”实验的设计分析与改进[J].物理教学探讨，2013，31（10）：25，27.

[4]姜文俊.物质的比热容演示实验的改进[J].中学物理，2013，31（10）：30.

[5]符东生.浅析初中学生在解决物理问题时所存在的思维障碍的成因[J].物理教学，2020，42（1）：50-53，49.

[6]张杰.大数据视野下借助数字化物理实验深度开发初中生科学思维的探讨[J].物理教学，2018，40（8）：49-50，13.

（栏目编辑    刘   荣）703BF590-C796-4438-808F-FBA4B9A1BD22