基于DIS自制物质的比热容探究仪①

朱峰磊

(江苏省江阴市华西实验学校，江苏 无锡 214400)

1 引言

2021年江苏省基础教育青年教师教学基本功大赛(初中物理)首次增设了应用数字化实验技能比赛的题目，南京师范大学刘炳昇教授在闭幕式上作了题为《关于初中物理数字化实验建设的一点想法》的报告，关于利用DIS优化初中物理实验教学，刘教授提出3条建议：(1) 根据时代信息化发展的要求，引入数字化实验系统；(2) 优化实验教学结构，强化数字化实验研发；(3) 根据课程内容综合化的需求，开发系列数学化实验。笔者就利用DIS优化“物质的比热容”实验，谈一谈具体做法。

关于物质的比热容，《义务教育物理课程标准(2011年版)》的要求为：通过实验，了解比热容，尝试用比热容说明简单的物理现象。比热容是利用比值定义法得出的概念之一。“比热容”又不同于“速度”“密度”和“压强”等由两个不同物理量之比得出的物理概念，“比热容”概念的建构要兼顾“热量”“质量”和“升高的温度”，所以它是初中物理中最难理解的物理概念之一。

针对比热容概念较难理解的特点，基于物理学科核心素养的概念教学要求，提出以下策略。

2 源于生活，创设情境

情境创设对培养学生的物理学科核心素养具有关键作用，物理概念的建立需要创设情境。学生在学习概念之前，基于生活经验已经形成了大量的经验性常识，在此基础上建构物理概念，必须对所观察的现象重新加工，在实验中概括事物的共同属性，抽象事物的本质特征，完成从经验性常识向物理概念的转变。在此过程中，教师应促进学生科学思维的发展。

苏科版教材创设了以下情境：初夏，小明和小华去海边游玩。中午，他们赤脚走在海边的沙滩上，觉得沙子很烫；当他们跳进海水中时，却觉得海水较凉。同样都是在太阳光照射下，为什么海水和沙子的温度不一样呢？

地球表面70%的面积被水覆盖、其余30%面积为土壤、岩石、砂砾等物质，因此教材编者以沙滩、海水吸热升温差异这一生活情境来引入比热容的课题。该现象来源于生活，对比鲜明，能引起学生的认知冲突，激发学生的求知欲。

3 对比教材，实验探究

科学探究是建立物理模型的基础，是培养学生科学思维的载体，是形成物理观念的途径。教材中的实验装置如图1所示，笔者结合教材情境设置，对比教材的实验和笔者的创新实验设计(表1)。

图1

表1

2.1 受热的物质

采用“沙滩、海水”引入课题，源于真实情境，符合学生的认知特点。为了培养科学探究实事求是的精神，受热物质选择“沙子和水”，用“沙子和水”来模拟“沙滩和海水”。

2.2 热源

(1) 使用酒精灯的缺点

苏科版教材中采用酒精灯做实验无法保证热源完全相同，无法保证在相同时间内放出的热量相等，因此也很难保证两种物质在相同时间内吸收的热量相等。

(2) 使用双灯泡浴霸的优点

为了更好地模拟海边沙滩的阳光，采用浴霸照射的方式替代酒精灯加热，更符合生活情境。浴霸灯本是用于人体加热的设备，温度远低于酒精灯火焰温度，更安全。采用如图2所示的双灯泡浴霸(每个浴霸灯的额定功率均为275 W)能做到加热功率不变，同时控制浴霸照射沙子和水的角度和距离均相等，保证两种物质在相同时间内吸收相同的热量，使探究实验更具有科学性。

图2

2.3 搅拌方式

为了使沙子受热均匀，需要采用玻璃棒搅拌的方法。其缺点为：由于用酒精灯加热的容器温度较高，用玻璃棒搅拌时，固定容器的难度较大，放在石棉网上的装沙容器易发生晃动、倾倒等意外，且容器中的沙子很难做到受热均匀。用玻璃棒搅拌沙子或水的过程中，不能用力太大，否则会损坏温度计。

使用翻滚式搅拌时，先将两容器粘合固定，将等质量的沙子和水放入密闭透明容器中，采用转动手柄使容器翻滚的方式对沙子和水进行搅拌，类似于糖炒栗子机的搅拌方式(图3)。其优点为：同一位操作者转动手柄，保证两容器转速相同，使沙子和水搅拌速度完全相同。为了防止两容器在搅拌时发生位置偏离，将其卡在木制凹槽内，确保装沙和装水的容器不滚离浴霸正下方的位置，使沙和水接受到的光照强度相同。搅拌时由于容器密闭不会发生倾倒、物质溢出等意外，实验更加安全、易操作。敞口容器不能避免水的蒸发，导致初温不同，而密闭容器能防止水的蒸发，避免因为蒸发吸热降温对实验的影响。

图3

2.4 测温工具

(1) 使用普通温度计的缺点

教材实验设计中温度测量采用实验室温度计，按照学生读数习惯，一次正确读数所花时间一般为5～10 s，沙子受热时温度升高较快，一方面沙子要比较干燥而且要不断搅拌使其均匀受热，另一方面实验小组内的同学要相互配合，及时记录相关数据，读数时间过长会影响实验结果的准确性。

(2) 使用温度传感器的优点

笔者采用螺旋金属丝和透明吸管组合固定测温探头，将温度传感器探头固定于容器内中心位置，保证在翻滚搅拌过程中测温探头不接触容器侧壁和底部。通过电子温度计显示器能读出被加热物质的即时温度(图4)，或通过DIS软件能读出即时温度并生成温度随时间变化的数据表格和图像。

图4

3 得出规律，建立模型

分别取质量为300 g的沙子和水，分别装入两只相同容器中。为了减少环境温度对实验的影响，在受热物质上罩上透明容器，在底部铺上了反光膜增加了吸热效率(图5)。

图5

同时打开功率都为275 W的两个浴霸灯加热，加热的同时转动手柄翻滚搅拌沙子和水，测温软件设置每10 s间隔采集一组温度数据，记录温度数据(表3)并生成温度-时间图像(图6)。

表3

图6

通过数据和图像，进行科学推理和科学论证，比较得出不同物质吸热升温的特点。

结论1：等质量的沙子和水吸收相同的热量，沙子升温更高。

结论2：等质量的沙子和水升高相同的温度，水吸热更多。

通过上述实验探究沙子和水的吸热升温特点，在课堂实验教学中使用温度传感器和测温软件，结合多媒体将测得的温度数据和温度图像，实时呈现在全体学生面前。整个实验过程安全、实验现象明显、实验数据记录准确。通过对实验的改进，让学生经历了整个科学探究的过程，比热容概念的建立更顺利。结合日常生活情境，通过科学探究，学生自主建构了比热容概念。

5 结语

数字化具有信息技术发展的时代特征，在物理教学中引入数字化实验有利于拓宽学生的知识来源渠道，提升信息技术素养。随着5G、人工智能等技术的发展、智能手机的普及，学生对信息化技术的应用已经不再陌生。我们教师更有充分的理由，应用数字化手段服务于物理实验教学，改进实验教学，培养学生的物理学习兴趣。利用DIS优化初中物理实验教学是从真实情境出发，以教材实验为基础，结合新技术、新方法开展物理实验教学，培养学生的核心素养。