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【2017-1教学一得】 实验活动中优化初中物理概念教学问题探讨——以《比热容》教学为例
发布日期:2018-02-22 08:41:275

摘要:物理概念是构建学生物理知识体系的核心要素。老师通过实验活动,变学生被动接受物理概念为主动的探究,引导学生通过实验总结建构物理概念,加强学生对物理概念的理解,提升学生应用物理概念知识解决问题的能力,优化初中物理概念教学。

关键词:实验活动;初中物理;概念教学

一、问题提出

物理概念是构成物理知识的基础,学生正确理解、掌握物理概念是学好物理的前提和保障。只有让学生搞清楚引入物理概念的真正意图,才能使学生主动深入地了解所要研究的问题,真正掌握物理概念的内涵。

初中物理所涉及的概念中,有些是陈述性的,如质量、惯性、温度、热量等,有些概念往往与比值有关,如速度、功率、比热容、密度、压强、电阻等。在不强调学生探究式学习方式时,对这些物理概念的教学,教师普遍采用讲授式教学,通过若干事例导入概念,并进一步得出定义、表达式、单位及物理含义等相关知识。这种教学方式存在的主要问题是:教师把这些概念灌输给学生,对于为什么要引入这些概念,学生没有经历认知冲突的过程,对概念的理解只是停留在累积和记忆的思维层次。此外,灌输式教学重视的是知识本身,而忽视知识的形成过程及伴随的科学研究方法。因此,如何改变教学理念和教学方法,让学生更自主、更积极地建构物理概念和体系,培养学生科学的思维逻辑和创新能力,是每位物理教师必须认真思考和面对的重要课题。

下面我以《比热容》的教学为例,浅谈在课堂教学过程中如何组织有效的实验活动,来优化物理概念的教学。

二、内容分析

《比热容》是初中物理概念中一个比较复杂、抽象的概念,是我们计算热量,解释一些

物理现象的基础。所以,比热容概念的建立就显得尤为重要。

对于《比热容》这节课,在教学实践中常见两种方法: 第一种方法是直接奔比热容的定义,奔“比热”的物理含义。通过“比较特定条件下(质量为1千克,温度上升1摄氏度)不同物质吸热的多少”来讲“比热”。这种方法直观明了,强调知识点本身,大大降低了学生对比热容其本身的物理意义理解。但有点就事论事的感觉,弱化了研究物理问题的方法,不利于学生物理思维与物理方法的培养。第二种方法是比值定义法。采用这种方法主要是考虑到比值法是物理上引入新物理量的一种主要方法。初二如速度、功率、比热容等,初三有密度、压强、电阻等。采用比值定义法可以培养学生掌握引入新物理量的方法,为前后新物理量的引入方法保持了一致性。

俗话说“教无定法”,采用何种方式,关键看教师想要让学生学会什么,是重点关注知识点还是重点关注物理方法,我选择了后者——比值法。一是因为学生比值法有一定的基础,二是将来这一方法将一直被应用。但是用比值定义概念的教学,通常都是以学生的探究活动为先导的。科学探究涉及:提出问题、猜想与假设、制定计划与设计实验、进行实验与收集证据、分析与论证、交流与合作等基本要素。在一节课中,要完整地经历从创设情境到形成概念的全过程是非常困难的。因此如何在有限的教学时间内,让学生经历相对完整的探究过程,自主地建构物理概念,是摆在教师面前具有挑战性的任务。

三、设计思路

1、创设实验情境,激发物理概念学习兴趣

概念课的导入要创设一个能够让学生感兴趣的问题情境,在引导学生思考的同时,经历认知冲突后提出研究的问题,这样可以让学生主动地投入探究活动。所创设的情境,要能吸引学生的注意,选用的音、视频素材要尽可能有冲击力。问题提出要有明确的指向并切合学习内容及教学目标,问题水平要适合学生已有的认知基础和发展可能。

本节课以三段采访视频为情景,逐步引导学生对“物体温度升高时,吸收的热量与什么因素有关”进行合理猜想与假设。视频一:校园采访同学。问题:相同条件下,烧一壶温水和烧一壶开水哪个加热的时间长?视频二:办公室采访老师。问题:相同条件下,烧开半壶水和烧开一壶水哪个加热时间长?两段视频加上学生的生活经验很容易得到物体吸收热量与质量和升高温度的关系。视频三:食堂采访大厨。问题:相同条件下,烧一样多的水和油,哪个温度升高的快?理由是什么?大厨的回答是凭着二十几年厨房工作的经验,油升温快。如何给大厨的经验附上科学的解释?大家带着这样的问题展开实验。视频的录制都是学生自己进行的,在此过程中让他们深刻体会到物理与生活的密切联系。从生活中提炼出物理问题,课堂上设计实验去探究、归纳得出科学的结论,最终再用科学的结论去给日常生活的经验附上科学的道理。整个过程加深学生的体验,激发学习物理的兴趣。

2、精设实验方案,体验物理概念形成过程

物理是一门实验科学,离开了实验,物理科学的求真、求实和趣味性就大打折扣。这节课教学上最大的困难来源于热学的定量实验。第一个困难是如何测量物体吸收的热量?实验室沒有直接测量热量的仪器,课本上采用了“转换法”,通过测加热时间来间接反映物体吸收的热,而这一做法的前提是“物体在相同的时间吸收相同的热”,这一前提条件极其苛刻,事实上在实验中无法做到。因为我们找不到完全一样的酒精灯并保证火焰完全一致,我们找不到完全相同的烧杯,不同物质导热性能差异也会给实验带来影响,水和油的粘滞度不同又影响加热过程对流速度从而影响吸热的快慢。第二个困难是如何排除外界环境的影响,在加热过程中液体吸热同时又会向外散热。液体是必须装在容器中的,在加热液体的同时,容器也会吸热。另外还有温度计、搅拌器吸热的影响。第三个困难是如何测定液体的温度,这个实验要求液体在温度上升的过程中读数,这样就会出现读数时机的掌握上因人而异,……。诸多的困难让这个实验成为初中物理教师的最大难题。

为了实现“物体在相同时间吸收相同的热”,为了解决这一难题,我反复利用不同的方法进行多次试验,再筛选出最优的方案。我首先用烧杯和酒精灯进行反复测试,都只能得出近似的定性关系。后来查阅相关资料,有人用DIS实验仪器,但也沒有成功的案例。不过通过资料查阅,对我实验仪器的选择有了很大启发,最终确定利用带电阻丝的量热器做实验,量热器能有效减少环境影响。我用万用表挑出阻值相同的电阻丝,配上统一的稳压电源,实验过程中用电压表和电流表监测电阻丝两端的电压和通过电阻丝的电流,确保电阻丝的功率相同从而实现相同时间放出相同热,将电阻丝完全浸没在液体中保证放出的热被液体吸收。从实验过程结果看数据还比较理解,基本能得出定量关系。当然前面所说的困难肯定存在,量热器铝筒、搅拌器吸热影响,在液体质量较小时表现更明显。

实验体会:水的质量不宜少于50克;二是温度计反应速度及人为读数时机影响,在温度上升过程中读数,偏差几秒钟甚至十几秒都可能,只能采用稍长时间间隔,但时间过长液体放热影响会突出,加热时间不要超过5分钟,液体温度上升不超10摄氏度效果较好。

3、改进数据处理,加深物理概念内涵理解

学生做实验时,由于受时间和器材的限制,每个学生或小组获得的数据是极有限的,因此我们通常将全班同学分成若干大组,每大组又分成若干个小组,最后将所有小组的数据收集汇总起来,根据相对较多的数据进行分析、归纳得出结论。实验数据呈现的主要方式是表格形式或图像形式。将全体学生的数据汇集在同一表格中,或将所有数据一一对应地转化到直角坐标系中,才能比较清晰、直观地看出这些数据变化的趋势和规律,这种直观印象有时能透过事物的本质,引发学生进行更高层次的思维和探讨。

在获取数据后,很多老师的做法是让各小组将数据先各自描点在透明薄膜的直角坐标系中,然后用实物投影的方法依次叠加后一并投影。这种呈现方式一缺少一种动态的过程,尤其是丢失了由“点”生成“线”的视觉效果,从而影响结论得出的自然性。二透明薄膜上描点和最后的叠加都比较费时。

在《比热容》这节课学生分组实验时,为了节省时间,每组同学只测量质量相同的同种物质升高不同温度时加热的时间。我将全班同学分成两大组,一组测水,一组测油。每大组又分成三个小组,每组的质量各不相同。在活动卡上每组同学除了有记录自己的实验数据的表格外,也留有记录别组交流数据的表格。为了提高课堂效率,在把表格数据转化成图像的环节,我借助了多媒体技术,利用EXCELL将表格数据直接转化成图像,图像是一条过坐标原点的倾斜直线,学生自然得出成正比的结论,从而推断出同种物质吸收热量与升高温度及质量乘积的比值是个定值,而不同物质这个比值不同。由此可见这个比值反映了物质吸热本领,是物质的一种特性,至此比热容的概念也就水到渠成的得出了。

4、实验回归实践,增强物理概念应用体会

应用知识既是学习目的,也是检测学生知识掌握情况的重要手段,更是学生巩固知识学习效果的有效方式。在初中物理概念教学时,老师结合物理概念,设计物理实验,引导学生在探究实验的过程中应用物理概念,让学生应用知识解决问题,增强物理概念学习的体验。

本节课,学生采访大厨时,大厨凭着二十几年厨房工作的经验得出油比水升温快的结论,为了给大厨的经验附上科学的解释,开始了本节课的学习。比热容的概念得出后,对比常见物质的比热容大小,发现油的比热容比水小,学生尝试着将公式变形后得出,质量相同的水和油,吸收相同热量后,由于油的比热容小,所以升高的温度多。终于用物理的语言解释了生活中的常见的现象。进一步引导学生思考:冬天,暖气管道中用热水取暖,发动机用水冷却,为什么?为什么沿海地区昼夜温差小,而内陆地区昼夜温差却比较大?三峡水电站建成后,当地的气候有什么变化,为什么?等等问题。在应用、解决问题的过程中,加深学生对概念的理解,体验了成功的喜悦,激发了学生的情感。

由此可看,通过设计物理实验,引导学生探究,让学生在应用中学习,在学习中应用,实现良性循环,达到以应用巩固物理概念的目的,促使学生形成正确的学习动机。

四、反思体会

通过这节课的教学,我对如何上好一节课又有了更深的体会。如何组织有效的实验活动,优化物理概念的教学,对促进学生理解概念的本质,有着重要的现实意义。科学探究不是一句空洞的口号,它既是学生的学习目标,又是教师重要的教学方式。教学中能让学生经历与科学工作者相似的探究过程,能潜移默化地促进学生主动获取物理知识,领悟科学探究方法,发展科学探究能力,体验科学探究的乐趣,养成实事求是的科学态度和勇于创新的科学精神。

第一,学生探究的过程是一个知识建构的过程,不同学生由于原有的基础不同,在探究活动中的视角不同,建构的结果也会有所不同。学生之间认识上的种种差异,正是教学过程充满未知、灵动和激情的源泉。由于学生使用的实验器材比较简陋,温度计的准确程度比较低(刻度不够均匀)、加上可能每组学生读数的时机掌握的不合适(观察温度计的同学发出的指令不够及时)、视线的观察角度不规范(如视线没有正对刻度线)、电源的稳压效果不够理想等因素影响,获得的实验数据会有较大误差甚至错误。对此,教师要妥善加以处理。实验数据是学生经过探究活动获得的,教师要充分尊重他们的探究成果,不能简单地加以否定或不予理睬。应简要指出其中可能的原因,对个别数据点确实远离在所得斜线以外的,课后可以要求该组同学重新测量。

第二,教师的教学理念非常重要,这节课难度很大,很多教师都劝说我放弃定量实验,因为实验有太多的不确定性,实验困难非常大。但是,物理课的魅力就源于实验,科学的实验思想,巧妙的实验设计都会让师生受益。一次又一次的失败并没有挫伤我的积极性,坚持一次又一次地改变思路,仔细打磨器材,终于取得了进步,虽然实验的稳定性还不够高,失败不可怕,他也应该成为课堂教学的一部分。因为教学不仅仅是知识的传递,能力的提升,更具有态度与责任的浸染。知识与能力后天能够习得,但科学素养的养成却要靠经历、反应、等待、领悟、升华。

 

参考文献:

[1]汤清修.初中物理教学关键问题指导[M].北京.高等教育出版社.2016

[2] 薛永忠.“实验- 探究”模式在初中物理概念教学中的应用[J]. 中学时代,2014,(9).

文章作者:黄燕
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