比熱容概念有效教學(xué)研究

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摘要：學(xué)習(xí)心理學(xué)揭示了比熱容概念圖式．學(xué)生習(xí)得圖式的表現(xiàn)為理解其物理意義和物理性質(zhì)．本文基于學(xué)習(xí)心理學(xué)的視角，從比熱容概念的定義、物理意義、物理性質(zhì)學(xué)習(xí)路徑等方面對比熱容概念的有效教學(xué)進(jìn)行探討，以期對初中物理中比熱容概念的教學(xué)有所幫助．

關(guān)鍵詞：比熱容；概念圖式；物理意義和性質(zhì)

“比熱容”是初中物理教材中非常重要的物理概念，但其概念抽象，不同版本教材對比熱容概念有兩種定義方式，不少學(xué)者和一線教師也對比熱容的實(shí)驗(yàn)教學(xué)和概念建構(gòu)有不同的教學(xué)改進(jìn)方案和研究積累．概念定義方式的不同、教學(xué)方案的不同，對學(xué)生習(xí)得比熱容概念是否有影響？這些教學(xué)改進(jìn)是否有效？如何更好地解決比熱容概念建構(gòu)的教學(xué)困境？筆者嘗試以學(xué)習(xí)心理學(xué)為基礎(chǔ)，從學(xué)生學(xué)習(xí)的結(jié)果———圖式來探討比熱容的教材編寫和教師教學(xué)是否有效，并給出教學(xué)建議，以期對初中物理中比熱容概念的教學(xué)有所幫助．

1物理概念的學(xué)習(xí)結(jié)果———概念圖式

1．1圖式及物理概念圖式

根據(jù)學(xué)習(xí)心理學(xué)可知，學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)物理概念和規(guī)律，其最終的內(nèi)部表征應(yīng)是特定概念和規(guī)律的圖式．圖式就像是圍繞某個(gè)主題組織起來的認(rèn)知框架．它是一些觀念及其關(guān)系的組合，是對某一范疇中對象具有共同屬性構(gòu)成結(jié)構(gòu)的整體編碼表征方式．［1］對于物理概念，學(xué)習(xí)時(shí)可以從物理意義（概念引入的必要性）、物理性質(zhì)（物理概念間的定性或定量關(guān)系），符號、表達(dá)式、單位、與其他物理概念間的關(guān)系等方面加以認(rèn)識．［2］

1．2比熱容的學(xué)習(xí)結(jié)果

學(xué)生經(jīng)過有意義的比熱容概念學(xué)習(xí)后，在腦海中形成的學(xué)習(xí)結(jié)果是比熱容概念圖式．比熱容概念圖式如表1所示．由圖式可知，學(xué)生在建立對比熱容的認(rèn)識時(shí)，最主要習(xí)得比熱容的定義、物理意義和物理性質(zhì)等．若要學(xué)生習(xí)得一個(gè)新的物理概念，則代表學(xué)生要能夠理解這個(gè)物理概念，包括理解其物理意義和物理性質(zhì)．根據(jù)布魯姆教育目標(biāo)分類學(xué)，當(dāng)學(xué)生表現(xiàn)出“解釋、舉例、推論、分類、概要、說明、比較”的外顯行為時(shí)，表明學(xué)生已達(dá)到“理解”層次．［3］如果學(xué)生能夠解釋為什么要引入比熱容這一物理量，即代表學(xué)生達(dá)到理解比熱容物理意義的水平．如果學(xué)生能夠解釋其物理量之間的關(guān)系以及關(guān)系建立的依據(jù)，即代表學(xué)生達(dá)到理解比熱容物理性質(zhì)的水平．

2比熱容的定義方式

定義即概念界定，通常來說，一個(gè)物理概念的物理意義和物理性質(zhì)與其定義有著緊密的聯(lián)系，所以定義方式也應(yīng)對學(xué)生習(xí)得物理意義和物理性質(zhì)有幫助．通過“比熱容”概念引入的歷史，［4］我們可以知道，物理學(xué)家們先是引入“熱容量”這一術(shù)語，表示物質(zhì)溫度升高或降低1℃時(shí)吸收或放出熱量的多少，接著引入“比熱容”來表示單位質(zhì)量的某種物質(zhì)溫度升高（或降低）1℃時(shí)吸收（或放出）的熱量．可見此時(shí)的比熱容定義從物理意義出發(fā)，也就是說明比熱容反映“物質(zhì)溫度變化時(shí)”吸收或放出熱量多少這一性質(zhì)，描述的是物理過程中滿足的規(guī)律．這種比熱容定義比較常見，如在美國學(xué)者保羅著的《概念物理》、趙凱華著的《新概念高中物理讀本》等讀物中均可見，同時(shí)現(xiàn)行初中物理教材中粵滬版、滬科版，也是如此定義比熱容．比熱容的另一種定義為：一定質(zhì)量的某種物質(zhì)，在溫度升高時(shí)吸收的熱量與其質(zhì)量和升高溫度的乘積之比，稱為比熱容．可見這類概念是從操作定義，表明的是各物理量之間的關(guān)系，這種界定以人教版、北師大版、教科版為代表．比熱容第一種定義能夠幫助學(xué)生理解“比熱容反映單位質(zhì)量的物質(zhì)，升高（降低）單位溫度，所需吸收（放出）的熱量”，有助于學(xué)生習(xí)得比熱容的物理意義和物理性質(zhì)．而第二種定義則主要幫助學(xué)生習(xí)得比熱容的表達(dá)式c＝Qm·Δt，若僅從此定義理解比熱容，會造成學(xué)生對比熱容的物理意義理解困難．可以發(fā)現(xiàn)，多本教材的比熱容概念僅從操作定義就得出比熱容的概念，忽略比熱容的第一種定義，不利于學(xué)生理解比熱容的內(nèi)涵．

3比熱容概念的物理意義

3．1表征物質(zhì)的吸熱

（放熱）能力物理意義表明了概念引入的必要性．比熱容反映單位質(zhì)量的物質(zhì)，升高（降低）單位溫度，所需吸收（放出）的熱量．例如水的比熱容大于沙子，意味著單位質(zhì)量的水和沙子，溫度升高1℃，水所需吸收的熱量多．因此，從比較吸熱能力的角度引入比熱容，通常的理解是：比如條件一致的物質(zhì)A、物質(zhì)B處于相同的熱環(huán)境中，兩者升高相同的溫度，如果物質(zhì)A吸收的熱量更多，我們會說物質(zhì)A吸熱本領(lǐng)大．此時(shí)比熱容的物理意義是比較不同物質(zhì)的吸熱本領(lǐng)，吸熱本領(lǐng)大的物質(zhì)比熱容大．

3．2表征物質(zhì)的容熱能力

但吸收（放出）的熱量多少我們無法觀察到，在現(xiàn)實(shí)情況中我們更常見的是，一樣的熱環(huán)境下，不同物質(zhì)溫度變化的不同．比如，同樣日照條件下，金屬升溫大、砂石升溫比較大、水升溫較小．火鍋店中的鴛鴦鍋，同樣加熱條件下，油鍋升溫較清水鍋升溫大，更快接近沸騰；同樣的太陽照射條件下，小汽車金屬手柄很燙、車內(nèi)空氣溫度較高、橡皮坐墊感覺溫度尚可等．溫度變化大小，這是在熱現(xiàn)象中易獲得的物理量，因此可以用溫度變化大小來反映容納熱量本領(lǐng)大小．那么，如何理解“容納”二字？舉個(gè)簡單的例子：如果給不同的容器以相同體積的水，容器A中水位升高高度較小，容器B中水位升高高度較大，我們可以說水位升高較小的容器A容納水的能力強(qiáng)．同樣，如果在相同熱環(huán)境中，傳遞給質(zhì)量相同的不同物質(zhì)以相同的熱量，物質(zhì)A升高溫度較小，物質(zhì)B升高溫度較大，哪一種物質(zhì)容納熱量的能力大？顯然，等量的熱量，傳遞給質(zhì)量相同的不同物質(zhì)，溫度變化小的物質(zhì)，我們可以說其容納熱量的能力強(qiáng)．因此，從這個(gè)角度出發(fā)，引入比熱容的作用是比較物質(zhì)的容納熱量的本領(lǐng)．比熱容大的物質(zhì)，意味其容納熱量的能力強(qiáng)，說明單位質(zhì)量的物質(zhì)吸收相同的熱量，較其他物質(zhì)，溫度變化小．1kg的某種物質(zhì)溫度降低1℃放出的熱量和它溫度升高1℃吸收的熱量相等．因此，比熱容是描述物質(zhì)熱學(xué)性質(zhì)的物理量，其物理意義是反映不同物質(zhì)吸收或放出熱量能力大小的物理量（單位質(zhì)量、升高單位溫度，吸收或放出熱量多，比熱容大）．也可以說，比熱容是反映不同物質(zhì)容納熱量能力大小的物理量（單位質(zhì)量，吸收或放出相同的熱量，溫度變化小，容納熱量的能力強(qiáng)，比熱容大）．

3．3教材中比熱容物理意義的處理方式

由前可知，比熱容是反映物質(zhì)吸收熱量能力的物理量．也可以說是反映物質(zhì)容納熱量能力的物理量．這兩者只是觀察視角不同，無本質(zhì)區(qū)別．人教版9年級物理教材是通過“比較不同物質(zhì)吸熱情況”實(shí)驗(yàn)得出“不同物質(zhì)在質(zhì)量相等、升高的溫度相同時(shí)，吸收的熱量不同”這一結(jié)論，接著提問“如何表述不同物質(zhì)這種性質(zhì)上的差別呢”，從而引入比熱容這一概念．［5］可以發(fā)現(xiàn)，人教版教材這種處理含糊不清，為了描述這種性質(zhì)，到底描述什么性質(zhì)卻語焉不詳．也就是說，教材中忽略了對比熱容物理意義的學(xué)習(xí)．而筆者發(fā)現(xiàn)，除了教科版有明確提到“比熱容反映了物質(zhì)吸收或放出熱量的能力”，其他主流版本教材中也沒有提及比熱容的物理意義．如果這時(shí)候問學(xué)生為何要引入比熱容時(shí)，學(xué)生并不能進(jìn)行解釋，也就是沒有習(xí)得其物理意義．

4比熱容物理性質(zhì)的學(xué)習(xí)路徑

由前文比熱容的圖式可知，比熱容的物理性質(zhì)實(shí)則是ΔQ、m、ΔT之間定性和定量的關(guān)系，表明了物質(zhì)吸收熱量的多少與質(zhì)量、溫度變化量、物質(zhì)種類有關(guān)，教材上多采用實(shí)驗(yàn)探究的途徑習(xí)得．因?yàn)閷W(xué)生比較熟悉物質(zhì)在熱傳遞過程中吸收熱量ΔQ，產(chǎn)生的效果是物質(zhì)升高溫度ΔT．所以從物質(zhì)吸收熱量的角度入手，有實(shí)驗(yàn)方案：將等質(zhì)量的不同物質(zhì)升高相同溫度ΔT，通過比較不同物質(zhì)所吸收熱量ΔQ的多少，來判定物質(zhì)的“吸熱本領(lǐng)”．這一學(xué)習(xí)路徑以人教版、北師大版、滬粵版、滬科版等教材為代表，也是初中比熱容物理性質(zhì)的主要學(xué)習(xí)路徑．但生活中通常遇到的情況是：相同熱環(huán)境下，不同物質(zhì)溫度升高不同，從此來判斷物質(zhì)比熱容的大小．因此，有另一種實(shí)驗(yàn)方案：在相同熱環(huán)境下，為等質(zhì)量的不同物質(zhì)提供相同的ΔQ，通過比較不同物質(zhì)的溫度變化ΔT的大小，來判定物質(zhì)的“容熱本領(lǐng)”．這一學(xué)習(xí)路徑主要以蘇科版為代表．在人教版教材中，是通過“烈日炎炎的夏季，白天海灘上的沙子熱得燙腳，但是海水卻非常涼爽，同樣的日照，為什么沙子和海水的溫度不相同呢”這一例子來引入的，也就意味著接下來的實(shí)驗(yàn)應(yīng)該是通過質(zhì)量相同的不同物質(zhì)吸收相同的熱量，來比較溫度變化大小．但是實(shí)際上教材安排的實(shí)驗(yàn)卻是通過質(zhì)量相同的水和煤油升高相同的溫度，來比較兩者所吸收的熱量多少．類似安排的版本還有粵滬版、滬科版和教科版，雖然現(xiàn)實(shí)情況中我們更常見的例子是比較溫度的變化，但從例子到進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，若沒有進(jìn)行引導(dǎo)，學(xué)生一時(shí)難以理解引入部分與所做實(shí)驗(yàn)之間的關(guān)系．可見，這類教材的內(nèi)容安排沒有良好的承接性，這也是造成學(xué)生理解比熱容存在障礙的一大原因．因此，從吸熱角度習(xí)得比熱容的物理性質(zhì)后，我們應(yīng)從容納熱本領(lǐng)的視角對其意義做解釋．

5比熱容概念的有效教學(xué)

評價(jià)比熱容概念教學(xué)的有效性應(yīng)以學(xué)生是否能夠理解比熱容的物理意義和物理性質(zhì)為標(biāo)準(zhǔn)．如果教師在教學(xué)中詢問學(xué)生為何要引入比熱容，此時(shí)，學(xué)生的外顯行為應(yīng)表現(xiàn)為能夠用自己的語言解釋比熱容或舉出例子，如：“比熱容反映了物質(zhì)的吸熱或放熱能力，它決定了單位質(zhì)量的某種物質(zhì)改變單位溫度時(shí)所需熱量的多少，是物質(zhì)的一種屬性”．如果教師在教學(xué)中詢問學(xué)生比熱容概念中各物理量之間的關(guān)系及其依據(jù)，學(xué)生應(yīng)能解釋“不同物質(zhì)吸收熱量的多少與質(zhì)量、溫度變化量、物質(zhì)的種類有關(guān)”，此時(shí)學(xué)生知道若要表征不同物質(zhì)的吸熱本領(lǐng)，需要控制哪些影響因素．而在學(xué)習(xí)比熱容概念時(shí)，其定義、物理意義、物理性質(zhì)的學(xué)習(xí)路徑等方面都應(yīng)服務(wù)于學(xué)生的理解．結(jié)合前述的梳理，可知比熱容的學(xué)習(xí)有兩條有效路徑．

5．1途徑

1：從吸收熱量的角度引入時(shí)，可以北師大版為例，從“物質(zhì)吸收熱量的多少與哪些因素有關(guān)”引入．實(shí)驗(yàn)探究發(fā)現(xiàn)：同種物質(zhì)，吸收熱量多少與質(zhì)量和升高溫度有關(guān)．但同種物質(zhì)，吸收熱量與質(zhì)量和升高溫度的比值Qm·Δt恒定；不同種物質(zhì)，其吸收熱量與質(zhì)量和升高溫度的比值Qm·Δt一般不同．該值大，單位質(zhì)量該物質(zhì)升高單位溫度，吸收熱量多．因此，可用c＝Qm·Δt反映不同物質(zhì)吸收熱量本領(lǐng)的大小，是物質(zhì)的一種屬性，稱為“比熱容”，即單位質(zhì)量物質(zhì)升高單位溫度，吸收的熱量．此時(shí)也可推知：比熱容大的物質(zhì)，單位質(zhì)量該物質(zhì)吸收相同熱量，溫度升高較小．換種視角：比熱容大的物質(zhì)，容納熱量的本領(lǐng)大，即比熱容也可表征物質(zhì)的容熱能力．

5．2途徑

2：從容納熱量的角度引入時(shí)，可從“相同日照情況下，沙子和水的溫度不同”引入．實(shí)驗(yàn)探究發(fā)現(xiàn)：質(zhì)量相同的不同種物質(zhì)，吸收相同的熱量，升高溫度不同．但同種物質(zhì)，吸收熱該值大，單位質(zhì)量該物質(zhì)吸收相同熱量，溫度升高較小，說明該物質(zhì)容納熱量的能力更強(qiáng)．因此，可用該比值反映不同物質(zhì)容納熱量本領(lǐng)的大小，稱為“比熱容”．此時(shí)也可推知：比熱容大的物質(zhì)，單位質(zhì)量該物質(zhì)升高單位溫度，吸收熱量多．因此，比熱容也可表征物質(zhì)的吸熱能力，反映了單位質(zhì)量物質(zhì)升高單位溫度，吸收的熱量．

6現(xiàn)有教學(xué)改進(jìn)

正如前文所分析的，學(xué)生學(xué)習(xí)比熱容后的結(jié)果應(yīng)是形成比熱容的圖式，但教學(xué)現(xiàn)狀是大部分學(xué)生只習(xí)得了比熱容的數(shù)學(xué)表達(dá)式，卻不理解比熱容是什么、為何要引入比熱容．對此國內(nèi)學(xué)者做了不少工作，大多數(shù)有關(guān)“比熱容教學(xué)”期刊文章中的教學(xué)改進(jìn)都嘗試從不同視角試圖揭示比熱容的“物理意義”，這是值得肯定的．不足在于從比熱容的“容納”熱的現(xiàn)象引入，但實(shí)驗(yàn)卻從“吸收”熱的能力進(jìn)行探究，有些前后不一致．有的建議是從“吸熱本領(lǐng)”來描述，如石堯［6］等人拋棄“探究影響物質(zhì)吸熱能力的因素”的教學(xué)邏輯，以“0．3kg的水溫度上升10℃僅需要12600J的熱量，而0．6kg的食用油上升30℃則吸收了32400J的熱量”為例啟發(fā)學(xué)生不能直接比較熱量，還應(yīng)選取質(zhì)量、溫度變化量為相同的標(biāo)準(zhǔn)從而得到比熱容的定義式，然后結(jié)合小學(xué)數(shù)學(xué)應(yīng)用題來類比闡釋比熱容得物理意義．有的建議是從“容熱本領(lǐng)”來描述，如任少鐸［7］通過實(shí)驗(yàn)探究得出“質(zhì)量和初溫相同的兩種物質(zhì)，吸收相同的熱量，吸熱能力越強(qiáng)，溫度升高越少”，再利用“水容”類比“熱容”來建構(gòu)比熱容的概念．然而筆者展開進(jìn)一步分析后發(fā)現(xiàn)，任少鐸能夠?qū)Ρ葻崛莸奈锢硪饬x進(jìn)行剖析，引導(dǎo)學(xué)生理解為何要引入比熱容這一物理概念，但他沒有能夠?qū)⑽镔|(zhì)吸收熱量的多少與質(zhì)量、溫度變化量、物質(zhì)的種類的關(guān)系解釋清楚，如沒能說明為何容器的3個(gè)邊長代表質(zhì)量m、溫度的變化量Δt、比熱容c，實(shí)際上學(xué)生還是處于對物理性質(zhì)的不知其所以然的狀態(tài)．石堯等人的教學(xué)沒有說明標(biāo)準(zhǔn)的選擇依據(jù)，也就是沒有說明熱量與質(zhì)量、溫度變化量之間是存在某種關(guān)系的，如果此時(shí)僅以溫度變化量為標(biāo)準(zhǔn)，例題中水需要的熱量比食用油多，也符合水的吸熱能力比食用油強(qiáng)的事實(shí)．學(xué)生會疑惑，為什么就一定要選擇質(zhì)量和溫度變化量為標(biāo)準(zhǔn)呢？同時(shí)石堯在文中用了工作效率的小學(xué)應(yīng)用題，這可能讓學(xué)生誤解吸熱能力的強(qiáng)弱與吸熱快慢有關(guān)．可以發(fā)現(xiàn)，學(xué)者們的教學(xué)改進(jìn)確有各自的可取之處，但部分文章沒有能夠讓學(xué)生很好地同時(shí)習(xí)得物理意義和物理性質(zhì)，也就是難以讓學(xué)生“既知其然，又知其所以然”．

7總結(jié)

學(xué)生學(xué)習(xí)比熱容概念的學(xué)習(xí)結(jié)果是比熱容圖式，無論是教材的內(nèi)容呈現(xiàn)還是教師的教學(xué)，都應(yīng)對學(xué)生習(xí)得圖式有幫助．物理概念圖式中最重要的是物理意義及物理性質(zhì)，物理意義表明了概念引入的必要性，物理性質(zhì)表明了物理對象、性質(zhì)、特點(diǎn)等．當(dāng)學(xué)生能夠理解圖式中的物理意義和物理性質(zhì)，達(dá)到“知其然，知其所以然”時(shí)，教師的教學(xué)才是合格、有效的．

參考文獻(xiàn)：

1陳剛．論物理概念和規(guī)律意義學(xué)習(xí)的教學(xué)設(shè)計(jì)———學(xué)習(xí)心理學(xué)的視角［J］．全球教育展望，2014，43（12）：64．

2陳剛．物理學(xué)習(xí)與教學(xué)論［M］．上海：華東師范大學(xué)出版社，2019．

3L．W．安德森等．學(xué)習(xí)、教學(xué)和評估的分類學(xué)（修訂版）［M］．皮連生譯．上海：華東師范大學(xué)出版社，2008．

4朱文軍．比熱容教學(xué)的深度備課［J］．物理教學(xué)，2014（12）：33．

5人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發(fā)中心．義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)教科書物理（九年級全一冊）［M］．北京：人民教育出版社，2013．

6石堯，邢紅軍．比熱容的教學(xué)邏輯研究［J］．中學(xué)物理教學(xué)參考，2014（5）：28－29．

7任少鐸．指向?qū)W科核心素養(yǎng)的教學(xué)邏輯重構(gòu)———以“比熱容”一節(jié)為例［J］．中學(xué)物理教學(xué)參考，2019，48（7）：12－15．

作者：魏舜芷 劉紫微 陳剛 單位：華東師范大學(xué)教師教育學(xué)院 同濟(jì)大學(xué)第一附屬中學(xué)