2018年11月，筆者受邀在一次學(xué)科展示活動(dòng)中執(zhí)教了“電熱器 電流的熱效應(yīng)”一課，現(xiàn)將課堂實(shí)錄加以整理，闡述在具體的一節(jié)課上，如何設(shè)計(jì)問(wèn)題鏈和實(shí)驗(yàn)載體，在單元設(shè)計(jì)視角下落實(shí)對(duì)學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng)。

一、課堂實(shí)錄摘要

活動(dòng)1：感受電熱（電流通過(guò)導(dǎo)體產(chǎn)生熱量）的多少與哪些因素有關(guān)？

在自制插線板（導(dǎo)線較細(xì)）上接一個(gè)燈泡，通電后請(qǐng)學(xué)生摸一摸燈泡，說(shuō)出感覺(jué)。請(qǐng)他再摸一下連接插線板的導(dǎo)線。感受燈泡和連接插線板的導(dǎo)線，哪一個(gè)更熱？

師：燈泡（燈絲）和插線板的導(dǎo)線之間是怎么連接的？可能是哪個(gè)物理量的不同造成了它們的溫度不同？

生：串聯(lián)?？赡苁且?yàn)樗鼈兊碾娮璨煌?。?dǎo)線和燈絲串聯(lián)接入電路，如圖1所示，通過(guò)它們的電流和通電時(shí)間相同。電流通過(guò)導(dǎo)線和燈泡都會(huì)發(fā)熱，燈泡的溫度高些，可能是因?yàn)闊艚z的電阻比導(dǎo)線的電阻大一些的緣故。

（圖1）

（圖2）

（把電爐也接入插線板，再請(qǐng)學(xué)生上來(lái)摸一摸導(dǎo)線，感覺(jué)導(dǎo)線比之前更熱了。）

師：兩次導(dǎo)線溫度不同，說(shuō)明電流通過(guò)導(dǎo)線產(chǎn)生的熱量不同。把圖2和圖1進(jìn)行比較，可能是什么物理量的不同導(dǎo)致電流通過(guò)導(dǎo)線產(chǎn)生熱量不同呢？

生：電流。

師：哪一次電熱更多呢？

生：第二次電熱更多。

師：只可能是電流不同的原因嗎？

生：時(shí)間，第二次時(shí)間比第一次時(shí)間長(zhǎng)。

活動(dòng)2：設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案比較電熱的多少。

師：剛才大家猜想電熱可能與三個(gè)因素（電阻、電流、時(shí)間）有關(guān)，我們?cè)谠O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)要用到什么方法？

生：控制變量法。

師：還有一個(gè)問(wèn)題我們必須解決，那就是如何比較導(dǎo)體通電后產(chǎn)生的熱量多少呢？

生：比較溫度。

師：（出示一個(gè)電阻）用普通的溫度計(jì)去測(cè)量一個(gè)電阻的溫度方便嗎？回顧我們?cè)诘谑卵芯咳剂蠠嶂禃r(shí)，是如何反映燃料燃燒時(shí)放出熱量的多少的？

生：把電阻放入水中，通電后用溫度計(jì)測(cè)量水溫升高的多少。

師：為什么要用水呢？

生：水的比熱容大。

師：比熱容大，有什么好處？

生：升溫慢。

師：升溫快慢是相對(duì)的。如果升溫過(guò)慢，對(duì)課堂上做實(shí)驗(yàn)是不利的，比如30分鐘才升高1攝氏度，那多浪費(fèi)時(shí)間呀！那我們應(yīng)該怎么辦呢？

生：選比熱容比較小的煤油作為被加熱對(duì)象吧！

師：剛才大家想到的是加熱液體，如煤油或水，我們還可以加熱什么呢？

生：空氣。

師（出示器材）：讓電阻加熱氣體，用這些氣體來(lái)吹氣球，通過(guò)觀察氣球大小來(lái)判斷電熱的多與少。氣體除了吹氣球，還可以吹液柱，可以在細(xì)直管里滴入一滴水珠，封住里面的氣體。這個(gè)裝置也有一些不足，大家找找看？

生：氣體會(huì)把水珠吹走。

師：是的，有時(shí)水珠會(huì)被吹出去，有時(shí)遇冷水珠會(huì)被吸到瓶中。針對(duì)這一不足，大家想想看我們之前曾用過(guò)一個(gè)什么樣的裝置，它也是用管子裝水，但不是直管子，里面的水柱可以被氣體推動(dòng)？（展示器材）

師：通過(guò)觀察什么就知道電熱的多與少了？

生：液柱上升的高度。

師：無(wú)論是加熱氣體還是液體，都要注意裝置的氣密性。如果某同學(xué)在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，沒(méi)有觀察到液柱上升，可能是什么問(wèn)題呢？

生：裝置氣密性差。

師：還有可能是什么原因呢？

生：沒(méi)有通電。

師：那你如何判斷電路中有沒(méi)有電流呢？

生：串聯(lián)一個(gè)燈泡。燈亮有電流，燈不亮沒(méi)有電流。

師：燈亮肯定有電流，沒(méi)有電流燈肯定不亮。但是燈不亮一定是沒(méi)有電流的原因嗎？

生：也可能是因?yàn)殡娏鬟^(guò)小，燈泡的實(shí)際功率太小。

師：所以，除了串聯(lián)一個(gè)燈泡外，有沒(méi)有更好的方法去檢驗(yàn)是否通電呢？

生：串聯(lián)一個(gè)電流表。

活動(dòng)3：定性探究電熱與電阻的關(guān)系。

學(xué)生選用不同器材進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，記錄數(shù)據(jù)。

生：通過(guò)觀察到阻值大的一側(cè)液柱上升得快，可以得出的結(jié)論是——當(dāng)電流和通電時(shí)間相同時(shí)，導(dǎo)體的電阻越大，產(chǎn)生的熱量越多。

活動(dòng)4：設(shè)計(jì)電路探究電熱與電流的關(guān)系。

生：保持電阻和通電時(shí)間相同，改變電流。

師：如何選擇器材做到電阻和通過(guò)時(shí)間相同，電流不同呢？

生：5Ω電阻和5Ω電阻并聯(lián)。

師：兩個(gè)阻值相同的電阻并聯(lián)，電流不一樣嗎？如何才能做到使通過(guò)它們的電流不同呢？

生：可以在某個(gè)支路串一個(gè)變阻器，如圖3所示。

師：除了這個(gè)方案，有沒(méi)有其他方案了？是否可以讓兩個(gè)5Ω電阻串聯(lián)，然后讓某個(gè)5Ω電阻中的電流和另一個(gè)5Ω電阻中的電流不同呢？

生：在一個(gè)5Ω電阻兩端并聯(lián)一個(gè)變阻器，如圖4所示。

師：剛才大家用的是5Ω電阻兩個(gè)，能否5Ω電阻只用一個(gè)呢？

生：可以。讓5Ω電阻與一個(gè)滑動(dòng)變阻器串聯(lián)來(lái)改變電流大小，如圖5所示。

（學(xué)生分組做實(shí)驗(yàn)）

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：電流大的那一側(cè)液柱上升得快。

師：根據(jù)觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，可以得到什么樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)論？

生：當(dāng)電阻和通電時(shí)間相同時(shí)，電流越大，電熱越多。

活動(dòng)5：定量探究電熱與電阻、電流的關(guān)系。

師：剛才，同學(xué)們用實(shí)驗(yàn)分兩步探究了電熱與電阻和電流的關(guān)系，如果能有一套裝置一步定量研究出電熱與電流、電阻和通電時(shí)間的關(guān)系就好了，請(qǐng)看“實(shí)驗(yàn)神器”（圖 6）。

加熱2分鐘，記錄數(shù)據(jù)如表1所示。

（圖3）

（圖4）

（圖5）

（圖6）

生：比較甲、乙兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析可得，電熱與電流的平方成正比；比較甲、丙兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析可得，電熱與電阻成正比。

師：如果我們?cè)倮妹氡?，還可以研究電熱與通電時(shí)間的關(guān)系。通過(guò)分析數(shù)據(jù)可以得到“電熱與通電時(shí)間也成正比”。這一規(guī)律被稱為“焦耳定律”：Q=I2Rt。

（表1）

二、培養(yǎng)科學(xué)思維的思考

本節(jié)課通過(guò)問(wèn)題鏈引導(dǎo)學(xué)生在觀察、實(shí)驗(yàn)、探究的基礎(chǔ)上，研究電熱與電阻、電流和通電時(shí)間的關(guān)系，經(jīng)歷提出猜想、建構(gòu)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、?chuàng)新設(shè)計(jì)、具體實(shí)驗(yàn)操作的探究流程，通過(guò)定性和定量實(shí)驗(yàn)進(jìn)行收集數(shù)據(jù)、科學(xué)推理、科學(xué)論證的方式最終得出規(guī)律。同時(shí)將評(píng)價(jià)和學(xué)習(xí)過(guò)程緊密結(jié)合，能切實(shí)發(fā)展學(xué)生的建模、推理、論證能力。

在探究中，始終以實(shí)驗(yàn)載體設(shè)計(jì)為依托。如在用轉(zhuǎn)化法反映電熱的多少時(shí)，選擇一種物質(zhì)的某種物理屬性隨著電熱多少而變化；在選擇液體時(shí)，通過(guò)比熱容大小的比較得出用比熱容小的煤油，可以測(cè)量煤油被電阻加熱后溫度升高的多少來(lái)反映電熱的多少；也可以加熱氣體，對(duì)利用氣體受熱膨脹來(lái)吹氣球，再提出可以用氣體受熱膨脹來(lái)推動(dòng)U型管內(nèi)的液柱上升效果更好。在活動(dòng)中基于事實(shí)證據(jù)和科學(xué)推理對(duì)不同觀點(diǎn)提出質(zhì)疑和批判，不斷進(jìn)行修正，進(jìn)而提出創(chuàng)造性見(jiàn)解，使學(xué)生在深度學(xué)習(xí)中培育科學(xué)思維。