歐旭升 湯金波

摘 要：創(chuàng)新實驗是提升學生物理學科核心素養(yǎng)的重要途徑.在“探究焦耳定律”探究課上，通過整合三個創(chuàng)新實驗“電池點火”“電子測溫儀探究電熱”和“鉛筆芯燈泡”，讓學生“體驗電熱”“探究電熱”“應用電熱”，優(yōu)化課堂教學，提升學生的核心素養(yǎng).

關鍵詞：創(chuàng)新實驗;物理;探究;焦耳定律;核心素養(yǎng)

文章編號：1008-4134（2019）22-0049 中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：B

若把精彩的課堂比作項鏈，那創(chuàng)新實驗就是鑲嵌其中的鉆石.縱觀全國各類物理優(yōu)質課，都是靠創(chuàng)新實驗這顆璀璨的鉆石綻放出耀眼的光芒，牢牢抓住了師生的眼球.特級教師湯金波老師說過，學生自主創(chuàng)新實驗是未來物理教學的最優(yōu)途徑.然而個人視野有限，如果能集思廣益，整合一些優(yōu)秀的創(chuàng)新實驗開展課堂教學，也是激發(fā)學生學習興趣、促使學生主動探究學習、發(fā)展能力、提高學科核心素養(yǎng)、提高課堂效率的重要方法.本人在2018年廣東省陳進文名師工作室骨干教師跟崗學習活動中所上“探究焦耳定律”一課，嘗試整合優(yōu)秀創(chuàng)新實驗，讓學生“體驗電熱”“探究電熱”“應用電熱”，促使學生動腦去想，動手去做，動口去說，讓學生從感性認知逐漸升華到理性認知，鍛煉了學生的綜合能力.

1 電池點火引爆學習熱情，引導學生形成科學觀念

（投影野外求生）師問：火是在野外不可或缺的，如果沒有帶打火機或火柴，只有電池和口香糖的包裝紙，怎樣點火呢？

一學生舉手說老師我知道，用包裝紙使電池短路.

師：看來同學見多識廣啊，請你上來給大家展示.

師：但短路非常危險啊，在點火前，我們應該做好哪些安全防護措施呢？

生：電池很燙，會燙到手.

在師生的建議下，這位同學戴上手套和護目鏡.只見這位同學將錫箔紙剪成細長條，然后在中間再剪一個缺口，讓錫箔紙只有中間一點相連，帶上手套，將錫箔紙首尾與電池相連，不一會錫箔紙就著火了（如圖1所示）.

師：錫箔紙著火，說明紙的溫度是如何變化？

生：升高.

師：為什么紙的溫度會升高，達到了著火點呢？

生：短路，有電流通過.

師：這說明導體中有電流通過會產生熱，這就是電流的熱效應.

【感悟與反思】情景與問題是體驗的基礎，體驗是落實核心素養(yǎng)的保障.電池短路實驗讓學生驚訝之余點燃了學習熱情，對電流的熱效應有了感性認知，通過著火現(xiàn)象引導學生從物理視角思考問題：短路（電流大）、通過錫箔紙（錫是導體，有電阻）、過一會（時間）著火（發(fā)熱），窄的地方（電阻大）這些直觀現(xiàn)象自然而然地猜想出電熱的影響因素有電流、電阻和通電時間，學生在參與中體驗，在體驗中感受，在感受中形成物理觀念.

紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行.用口香糖的包裝錫箔紙短路電池著火，實驗看似簡單，做起來卻困難重重，歷時一個月，經(jīng)過多次實驗才取得較好效果.首先是錫箔紙的選擇，剛開始試用一條口香糖的包裝紙（如圖2所示），中間裁窄，將5號電池短路，電池感覺發(fā)燙，但是包裝紙一點反應都沒有.后來查閱資料得知國內單條口香糖的包裝紙含錫比較少，于是改為大包裝盒的包裝紙（如圖3所示），剝掉外層的塑料薄膜（如圖4所示）終于成功了.后來一位聽課教師說，用香煙盒里面的錫箔紙比較好，筆者不斷改進實驗，結果屢試失敗.其次是操作方法，錫箔紙中間細的地方（如圖5所示）火苗太小，很快熄滅，將連接處剪為胡須狀（如圖6所示），著火的紙較多，燃燒效果更好.課堂上只有一位同學演示，如果全班同學課后都能自主完成這一創(chuàng)新實驗，更能提升物理學科核心素養(yǎng).

2 可逆測溫貼片簡化探究過程，拓展思維深度

師：剛才各個小組展示出來的電路圖都是采用5Ω和10Ω電阻串聯(lián)來探究電熱.但電流產生的熱量無法測量，如何判斷那個電阻產生的熱量多呢？摸，不可靠！對了，可以轉化為可測量的量例如溫度.

追問：能否直接放在電阻上測（如圖7所示），不行，沒有與被測物體充分接觸.

生：我們可以將電阻浸沒在液體中（如圖8所示），根據(jù)Q電阻放=Q 液體吸=cmΔt，通過液體溫度高低即可判斷出誰產生的熱量多.

師：很好，這種方法叫測溫法，類似的有膨脹法（如圖9所示），今天我們介紹一種新方法：變色法.這是55 ℃可逆型變色測溫貼片，現(xiàn)在這種測溫紙已經(jīng)貼在電阻外殼上了（如圖10所示）.當溫度超過測溫貼片的標定溫度 55 ℃時，變色測溫貼片立即由黑色變成紅色，并在測溫貼片上顯示該處超過的溫度值：55℃;冷卻下來后，測溫貼片又會恢復原來的黑色.我們可以通過測溫貼片變成紅色的快慢確定產生的熱量.大家對比一下上面的三種方法，哪種更好呢？

生：變色法，前面兩種操作起來比較麻煩.

師：下面我們就進行實驗，“比一比，看誰紅得快”

【感悟與反思】實驗前讓學生獨自設計實驗電路圖，再由小組交流、討論方案的可行性、然后展示，全體同學討論評價方案是否合理、優(yōu)缺點.通過對判斷方法的改進優(yōu)化，培養(yǎng)學生思維的求異性;注重對物理實驗的比較分析，培養(yǎng)學生思維的類比性;注重對物理實驗的探索探究， 培養(yǎng)學生思維的深刻性;注重對物理實驗的創(chuàng)新設計，培養(yǎng)學生思維的發(fā)散性.教材中探究焦耳定律的實驗方案是在燒瓶內安裝發(fā)熱電阻，觀察燒瓶內煤油加熱后溫度上升情況來反映電阻發(fā)熱量大小.如果全班進行分組實驗，需要器材繁雜，實驗現(xiàn)象也不太明顯，耗時太長，課堂推進緩慢.為節(jié)省實驗時間，有些教師可能播放視頻或者演示帶過，學生印象不深刻.而采用低成本的可逆測溫紙直接貼在發(fā)熱電阻上觀察變色快慢的方法改進分組實驗后，操作簡便，實驗現(xiàn)象明顯，大大縮短實驗時間，讓學生有更充足的時間進行對比、思考，不斷拓展學生思維的深度.而且測溫紙可以重復利用，便于重復實驗.另外，本節(jié)課重點是探究電流熱效應與電阻和電流的定性關系，為了減少電路的連接時間，筆者課前已經(jīng)將部分電路連接好（如圖11所示），學生只要按設計方案把電阻接上即可觀察得出結論（如圖12所示）.

3 電子測溫儀實現(xiàn)定性到定量，提升探究能力

師：從上面“比一比，看誰紅得快”的活動中，我們初步得出“電阻相同時，電流越大，導體產生的電熱越多;電流相同時，電阻越大，導體產生的電熱越多”兩個結論，那到底是電阻還是電流對電熱的影響作用更大呢？

生：我們可以讓電流和電阻分別變?yōu)樵瓉韮杀?，看誰產生的熱量多？

師：用我們之前的實驗能驗證嗎？

生：可以測誰先紅的時間，但可能不夠精確.

師：為了精確測量，我們采用這臺溫度傳感器.（展示焦耳定律演示器），現(xiàn)在控制電流相同，通電相同時間后，我們發(fā)現(xiàn)Δt1∶Δt2=2℃∶1℃，根據(jù)Q電阻放=Q 液體吸=cmΔt說明產生的熱量Q1∶Q2等于多少呢？

生：2∶1

師：電流產生的熱量與電阻成什么比？

生：正比.

師：當電阻相同時，如何讓電流變?yōu)樵瓉淼膬杀赌?？引導學生設計出圖15的混聯(lián)電路，通過多次實驗的數(shù)據(jù)（如圖16所示）發(fā)現(xiàn)Δt1∶Δt2=4∶1說明Q1∶Q2 =4∶1，從而得出電熱與電流平方成正比的定量關系.為了更有說服力，我們還可以通過把多組實驗數(shù)據(jù)輸入Execl表格中通過圖像呈現(xiàn)電熱與電流平方的正比例關系（如圖17所示）.

【感悟與反思】探究實驗不是簡單的培養(yǎng)學生的動手能力，也不是以單一獲取知識的手段為目的，而是要考慮其在教學中的教育價值， 充分發(fā)揮實驗在培養(yǎng)學生“模型建構、科學推理、科學論證和質疑創(chuàng)新”以及“基于證據(jù)得出結論并作出解釋，對科學探究過程和結果進行交流、評估、反思”的能力等方面的作用，這樣才能在探究中提升學生的核心素養(yǎng).初中階段的學生思維活躍，但是跨度太大他們不容易接受，所以要遵循循序漸進的原則，引導學生采用比例、圖像等方法從定性到定量來理解物理知識，提高探究能力.之前的學習對測溫法和膨脹法有了初步認識，現(xiàn)在的電子測溫儀也就容易接受，更直觀地得出實驗數(shù)據(jù).當然用傳統(tǒng)的氣體膨脹法也可以探究出定量關系（如圖18所示），串聯(lián)電流相同時5Ω電阻對應液柱上升1格、2格、3格;10Ω電阻液柱對應上升2格、4格、6格，從而得出定量關系.但操作較繁瑣，一是在塑料管中灌紅色煤油比較麻煩.二是液體容易汽化，液面不平時又需重新調整，使用電子測溫儀，測出的數(shù)據(jù)又快又準，更有說服力.

4 鉛筆芯變身燈泡，學以致用，滲透科學態(tài)度和責任感

師：鉛筆芯大家經(jīng)常用，鉛筆芯可不可以導電？

生：可以

師：可不可以發(fā)光？

生（異口同聲）：不可以！

師：下面我們給鉛筆芯通電試試？將鱷魚夾夾住鉛筆芯放進玻璃瓶內，接通八節(jié)電池（如圖19所示），只見鉛筆芯慢慢冒煙、發(fā)紅、發(fā)光直至燒斷.教室里發(fā)出一陣驚訝聲.這其實就是燈泡的雛形，它是利用電流的熱效應發(fā)光的.那我們現(xiàn)在燈泡里的燈絲是鉛筆芯嗎？

生：不是，熔點太低了，應該用鎢絲.

師：對，據(jù)說愛迪生經(jīng)過1600次的實驗，才找到了合適的燈絲，給世界帶來了光明?。ㄕ坡暎┪覀円惨獙W習發(fā)明家這種堅韌不拔、勇于探索的精神，這樣成功就離你不遠了.

【感悟與反思】郝京華教授說過：“有時候，決定一個人行為的不是知識，而是情感態(tài)度與價值觀.”在某種程度上，對學生進行科學的情感、態(tài)度、價值觀方面的教育比傳授科學知識更重要.鉛筆芯變身燈泡實驗，

不僅給學生帶來震撼的視覺沖擊，了解電流熱效應的威力，更重要的是聯(lián)系生活實際分析原理，活化規(guī)律應用，通過對比不斷發(fā)現(xiàn)物品的缺陷，不斷改進，重走科學家發(fā)明之路，領會其中艱辛，體驗知識的力量，增強其強烈的社會責任感，樹立科學的價值觀.

在三個創(chuàng)新實驗的串聯(lián)下，“探究焦耳定律”一課讓學生從感知活動——思維加工——理解應用，突顯學生的主體地位，提升了學生的物理學科核心素養(yǎng).教學中有了創(chuàng)新實驗這顆鉆石的襯托，課堂這條普通的項鏈才會更加珍貴，更加流光溢彩，令人流連忘返、印象深刻.

參考文獻：

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（收稿日期：2019-07-06）