蔣煒波 王宏

(清華大學(xué)附屬中學(xué) 北京 100084)

電熱的影響因素實(shí)驗(yàn)，即焦耳定律實(shí)驗(yàn)，在初中物理中一直是教師教學(xué)的重點(diǎn)，也是學(xué)生學(xué)習(xí)的難點(diǎn)，當(dāng)前關(guān)于焦耳定律的研究主要集中在改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)過程上，比如將電阻絲直接纏繞在溫度計(jì)的玻璃泡上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)[1]、將焦耳定律的教師演示實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)化成學(xué)生分組探究實(shí)驗(yàn)[2]、利用DIS數(shù)字實(shí)驗(yàn)幫助實(shí)現(xiàn)產(chǎn)熱的定量研究[3]等等．這些研究并沒有解決學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中的根本困惑，即為什么只研究電熱與電流、電阻和通電時(shí)間的關(guān)系而不研究與電壓的關(guān)系？筆者仔細(xì)對(duì)比分析了人教版和北師大版兩套初中物理教材對(duì)焦耳定律實(shí)驗(yàn)的處理，在實(shí)踐的基礎(chǔ)上提出了對(duì)焦耳定律實(shí)驗(yàn)的教學(xué)改進(jìn)．

本文從兩套教材焦耳定律實(shí)驗(yàn)對(duì)比出發(fā)，介紹了我們對(duì)焦耳定律實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改進(jìn)，并從深層上解答了為什么要進(jìn)行焦耳定律實(shí)驗(yàn)的某些疑問.

1 兩套教材焦耳定律實(shí)驗(yàn)的對(duì)比

焦耳定律研究的是電熱的影響因素，該實(shí)驗(yàn)在初中階段有著極為重要的位置，在教學(xué)中要求學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)，得到電阻產(chǎn)熱與電流大小、電阻大小以及通電時(shí)間之間的定性關(guān)系．我們以人教版和北師大版兩套初中物理教材來對(duì)比分析教材對(duì)焦耳定律實(shí)驗(yàn)的處理．

(1)實(shí)驗(yàn)的引入

我們?yōu)槭裁匆芯侩姛岬挠绊懸蛩啬?？?jī)商捉滩牡奶幚矶疾捎昧讼嗤奶幚矸绞剑私贪娼滩耐ㄟ^電爐絲熱得發(fā)紅而連接電爐絲的導(dǎo)線幾乎不發(fā)熱的生活現(xiàn)象，引入對(duì)電熱影響因素的研究．北師大版教材也采用了這樣的處理方式，但是相比人教版教材而言，在電熱的影響因素上引入的更加充分，分別在電流、電阻和通電時(shí)間上對(duì)學(xué)生設(shè)問從而引入實(shí)驗(yàn)探究．

(2)實(shí)驗(yàn)的類型

兩套教材最終都是研究電熱與電流、電阻和通電時(shí)間的定性關(guān)系，并不要求學(xué)生進(jìn)行定量的實(shí)驗(yàn)，這主要是由于目前的定量實(shí)驗(yàn)很難保證實(shí)驗(yàn)的精度．但是在具體的實(shí)驗(yàn)要求上兩套教材差異非常大．

人教版教材中電熱影響因素的實(shí)驗(yàn)是以教師演示實(shí)驗(yàn)的形式呈現(xiàn)的，學(xué)生通過觀察比較實(shí)驗(yàn)變量改變后的產(chǎn)熱多少，從而得到定性的結(jié)果．北師大版教材中電熱影響因素的實(shí)驗(yàn)是以學(xué)生探究實(shí)驗(yàn)的形式呈現(xiàn)的，要求學(xué)生完整經(jīng)歷科學(xué)探究的基本過程，通過數(shù)據(jù)的具體分析得到實(shí)驗(yàn)的結(jié)果．相比較而言，北師大版教材中焦耳定律實(shí)驗(yàn)的定位更高，地位更重，科學(xué)探究的意味更濃．

(3)變量因素的確定

焦耳定律實(shí)驗(yàn)中研究的自變量因素是電流大小、電阻大小和通電時(shí)間，因變量是產(chǎn)熱多少，這一點(diǎn)在兩套物理教材中都是一致的．而不同的地方在于對(duì)自變量的具體確定．

人教版教材對(duì)于自變量的選擇確定沒有任何的猜想環(huán)節(jié)，也沒有進(jìn)行任何的案例分析和引導(dǎo)提示，而是直接通過演示實(shí)驗(yàn)研究了電熱與電流和電阻的關(guān)系，從而得到結(jié)論．

北師大版教材在變量的確定方面下的功夫較多，首先通過3個(gè)設(shè)問引發(fā)學(xué)生的猜想，引導(dǎo)學(xué)生將自變量確定為電流、電阻和通電時(shí)間，然后再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究搜集證據(jù)驗(yàn)證猜想．

相比較而言，北師大版教材由于對(duì)實(shí)驗(yàn)的定位是學(xué)生探究實(shí)驗(yàn)，因此各個(gè)探究環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)很到位，在變量確定環(huán)節(jié)嚴(yán)格按照實(shí)驗(yàn)探究的要求給學(xué)生創(chuàng)設(shè)了物理情境，比如電熱水壺能把水燒開而導(dǎo)線基本不發(fā)熱、電熱水壺把水燒開需要一定的時(shí)間等等，讓學(xué)生從情境中去分析抽象出電熱的可能的影響因素．

(4)實(shí)驗(yàn)的裝置

電熱的影響因素實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，關(guān)鍵在于如何比較出產(chǎn)熱的多少，需要特別設(shè)計(jì)出相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置，這一點(diǎn)上兩套教材的處理有所不同．

人教版教材是通過電熱絲加熱密閉容器中的空氣，然后以U形管中液面的高度差來反映產(chǎn)熱的多少，進(jìn)而研究電阻產(chǎn)熱的影響因素，如圖1所示．北師大版教材是通過電熱絲加熱煤油，然后以煤油的溫度變化來反映產(chǎn)熱多少，進(jìn)而研究電阻產(chǎn)熱的影響因素，如圖2所示．

圖1 人教版物理教材焦耳定律實(shí)驗(yàn)

圖2 北師大版物理教材焦耳定律實(shí)驗(yàn)

這兩種方式筆者在實(shí)踐中都使用過，人教版教材的裝置使用更加靈敏簡(jiǎn)潔，加熱時(shí)間不需要很長(zhǎng)，U形管液面的高度變化也非常明顯．北師大版教材的裝置加熱時(shí)間較長(zhǎng)，受熱容易不均勻，溫度計(jì)讀數(shù)不如U形管液面變化來得明顯直接，但是其電流的調(diào)節(jié)比人教版教材更加方便，而且該裝置與比熱容實(shí)驗(yàn)的關(guān)聯(lián)性很強(qiáng)，有利于學(xué)生前后知識(shí)的銜接．整體上兩種裝置的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)都能夠達(dá)到定性研究的實(shí)驗(yàn)要求．

(5)需要的操作

由于兩套教材對(duì)實(shí)驗(yàn)的定位不同，因此實(shí)驗(yàn)中要求學(xué)生進(jìn)行的操作也不相同．人教版教材要求學(xué)生更多的是直接觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果．北師大版教材則要求學(xué)生猜想自變量因素、控制變量、連接電路、設(shè)計(jì)表格、分析數(shù)據(jù)得出結(jié)論等等，對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng)更加充分，對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能要求也更高．

(6)實(shí)驗(yàn)的結(jié)論

人教版教材的一大特點(diǎn)是閱讀性強(qiáng)，學(xué)生按照教材所寫完成閱讀即可得到所需要學(xué)習(xí)的知識(shí)，而北師大版教材在這一點(diǎn)上與人教版恰好相反．北師大版教材留給了學(xué)生很多自主余地和思考空間，學(xué)生只是通過閱讀并不能找到所有的答案，調(diào)動(dòng)學(xué)生的思維能力和動(dòng)手能力是該教材的一個(gè)鮮明特點(diǎn)．因此在實(shí)驗(yàn)探究的結(jié)論部分，北師大版教材需要學(xué)生自己總結(jié)歸納才能得到，即如果學(xué)生沒有真正進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究而只是閱讀教材，是得不到實(shí)驗(yàn)結(jié)果的．

(7)教材對(duì)比小結(jié)

兩套教材的對(duì)比差異簡(jiǎn)要總結(jié)如表1所示，可見二者都有自己的特點(diǎn)，但整體上講人教版教材對(duì)于焦耳定律實(shí)驗(yàn)的定位有些偏弱，演示實(shí)驗(yàn)的設(shè)定雖然能夠充分發(fā)揮出空氣盒子和U形管裝置的時(shí)效性優(yōu)勢(shì)，但是也無疑錯(cuò)失了對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究能力的培養(yǎng)．

除此以外，兩套教材存在的共同問題都是關(guān)于電熱影響因素的確定．人教版教材在這部分沒有進(jìn)行任何討論，直接進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示．而北師大版教材雖然創(chuàng)設(shè)了情境引導(dǎo)學(xué)生猜想出了電流、電阻和通電時(shí)間3個(gè)因素，但是并沒有解釋為什么不將電壓也列入影響因素，處理得不夠充分細(xì)致．正是因?yàn)槿绱耍瑢W(xué)生的焦耳定律實(shí)驗(yàn)一直都存在認(rèn)知困難，基于此，筆者從學(xué)生的認(rèn)知困難出發(fā)，在教學(xué)中做了一些切實(shí)有效的實(shí)踐改進(jìn)，具體如下．

表1 兩套教材的焦耳定律實(shí)驗(yàn)對(duì)比

2 焦耳定律實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改進(jìn)

(1)學(xué)生的認(rèn)識(shí)困惑

焦耳定律的學(xué)習(xí)給學(xué)生造成的認(rèn)識(shí)困惑主要有以下幾點(diǎn)．

首先是歐姆定律的適用性問題．在焦耳定律出現(xiàn)以前，學(xué)生的學(xué)習(xí)不需要面臨歐姆定律的適用性問題，但是在學(xué)習(xí)了電熱以后，學(xué)生需要認(rèn)識(shí)到計(jì)算電功普適的是

W=UIt

只有對(duì)那些只產(chǎn)熱的元件才能夠使用歐姆定律

進(jìn)而得到電功的另外兩個(gè)計(jì)算公式

W=I2Rt

和

而在計(jì)算電熱的時(shí)候普適的公式是

Q=I2Rt

只有對(duì)那些只產(chǎn)熱的元件才能夠使用歐姆定律

進(jìn)而得到電熱的另外兩個(gè)計(jì)算公式

Q=UIt

和

然后是電熱與電功的關(guān)系問題．學(xué)生在認(rèn)識(shí)電功和電熱的差異上有很大的困難，原因在于對(duì)電功和電熱的概念理解上．電功即為電流所做的功，電流做功將電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能，包括機(jī)械能、電熱、光能等等，因此從數(shù)值上看，電功一定大于或等于電熱，而且只有在純電阻元件中電功才等于電熱，此時(shí)歐姆定律方能夠使用．

最后是焦耳定律的實(shí)驗(yàn)探究過程，這一點(diǎn)是造成學(xué)生前面兩點(diǎn)困惑的直接原因．既然已經(jīng)有了電功的概念，我們直接利用電功的計(jì)算公式計(jì)算電熱有何不可呢？為什么還要研究電阻的產(chǎn)熱因素呢？即使需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，為什么自變量因素會(huì)選擇為電流、電阻和通電時(shí)間，而不選擇電壓呢？筆者在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)這種認(rèn)識(shí)困惑會(huì)一直伴隨著學(xué)生的初中物理學(xué)習(xí)．

(2)教學(xué)實(shí)踐改進(jìn)

通過上述分析可以發(fā)現(xiàn)，造成學(xué)生困惑的根本原因是電功和電熱之間的關(guān)系，造成學(xué)生困惑的直接環(huán)節(jié)是確定焦耳定律探究實(shí)驗(yàn)的自變量，前者涉及到為什么進(jìn)行焦耳定律實(shí)驗(yàn)探究，后者涉及到怎么進(jìn)行焦耳定律實(shí)驗(yàn)探究．

基于此，筆者在教學(xué)中進(jìn)行了實(shí)踐嘗試，在學(xué)習(xí)電熱概念的環(huán)節(jié)和猜想電熱影響因素的環(huán)節(jié)之間，引入討論能否利用電功的公式計(jì)算電熱的環(huán)節(jié)．

筆者在該環(huán)節(jié)利用實(shí)驗(yàn)直接向?qū)W生呈現(xiàn)了電流通過兩個(gè)元件做功相同但是電熱卻不相同的情景，這樣幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)到電熱只是電流做功轉(zhuǎn)化的一種能量形式，即電功應(yīng)該是大于或等于電熱的．然后再結(jié)合電動(dòng)機(jī)的真實(shí)案例，帶領(lǐng)學(xué)生分析推導(dǎo)可能的電熱計(jì)算公式，從而得到電熱的影響因素只能是電流、電阻和通電時(shí)間．

(3)具體實(shí)踐過程

在核心素養(yǎng)理念下，物理實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)要指向?qū)W生的科學(xué)思維[4]，直面學(xué)生思維層面的困惑．因此筆者首先利用人教版教材的實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)了一個(gè)新的演示實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)的核心目標(biāo)是呈現(xiàn)電壓、電流和通電時(shí)間都相同的兩個(gè)元件，產(chǎn)生的電熱卻不同．為達(dá)到此目的，筆者將LED燈珠內(nèi)置入空氣盒子中，選用的LED燈珠的額定功率為1 W，額定電壓為3 V．為了保證LED燈珠所在支路的電流與電阻所在支路的電流相同，筆者反復(fù)實(shí)驗(yàn)以后，最終將兩個(gè)相同的該規(guī)格的LED燈珠并聯(lián)以后內(nèi)置入空氣盒，如圖3所示．

圖3 LED燈珠內(nèi)置入空氣盒

然后將內(nèi)置LED燈珠的空氣盒與電阻絲空氣盒并聯(lián)，如圖4所示，電阻絲的電阻實(shí)際測(cè)量值約為11 Ω．調(diào)節(jié)它們兩端的電壓，當(dāng)電壓為3 V的時(shí)候，電流表測(cè)得此時(shí)通過兩個(gè)空氣盒得電流大小相等，均約為0.28 A，實(shí)驗(yàn)如圖5所示．

圖4 LED燈珠與電阻絲并聯(lián)

圖5 接通電源前、后的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

此時(shí)LED燈珠將電能轉(zhuǎn)化為光和熱，而電熱絲只將電能轉(zhuǎn)化為熱，因此相同時(shí)間內(nèi)，二者雖然消耗的電功W=UIt相同，但是產(chǎn)生的電熱Q卻不同，這一差異可以通過U形管左右液面的高度差進(jìn)行觀察．于是通過實(shí)驗(yàn)直接證明了在電能向多種形式的能的轉(zhuǎn)化情境中，電熱Q小于電功W．

然后再對(duì)一個(gè)小電動(dòng)機(jī)通電并正常工作10 s，用電流表和電壓表測(cè)量出此時(shí)通過電動(dòng)機(jī)的電流0.8 A和電動(dòng)機(jī)兩端的電壓3.4 V，并給出在電動(dòng)機(jī)不工作時(shí)利用萬用表測(cè)量出的電阻阻值約為0.2 Ω．筆者帶領(lǐng)學(xué)生分析此時(shí)的能量轉(zhuǎn)化，即電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能和電熱，而電功W=UIt=27.2 J，那么電熱會(huì)是多少呢？此時(shí)學(xué)生總會(huì)自然地將歐姆定律代入電功公式，于是會(huì)出現(xiàn)兩種電熱的計(jì)算結(jié)果，即

Q=I2Rt=1.28 J

和

因?yàn)殡姛嵋欢ㄐ∮陔姽?，于是學(xué)生猜想電熱應(yīng)該能用Q=I2Rt計(jì)算．這樣就自然地引導(dǎo)學(xué)生得到了電熱可能的影響因素：電流大小、電阻大小和通電時(shí)間．

(4)教學(xué)實(shí)踐小結(jié)

通過這樣的實(shí)踐過程，學(xué)生明確了電功與電熱之間的關(guān)系，加深了學(xué)生對(duì)于電流做功所帶來的能量轉(zhuǎn)化的認(rèn)識(shí)，從深層次上解答了我們?yōu)槭裁匆M(jìn)行焦耳定律實(shí)驗(yàn)．與此同時(shí)，選用LED燈珠、電動(dòng)機(jī)這樣貼近學(xué)生生活的電學(xué)元件，并利用電功的計(jì)算公式讓學(xué)生在實(shí)踐中去區(qū)分電熱與電功，讓學(xué)生在還沒有學(xué)習(xí)焦耳定律公式的時(shí)候，也能夠猜想到電熱有可能通過Q=I2Rt來求解，從而解決了焦耳定律實(shí)驗(yàn)探究的自變量因素的確定困惑．這一教學(xué)實(shí)踐準(zhǔn)確地達(dá)成了既定的教學(xué)目標(biāo)．

3 結(jié)束語(yǔ)

在不同版本的教材中，焦耳定律的實(shí)驗(yàn)處理雖然有所不同，但其作為電流熱效應(yīng)的重要規(guī)律的地位始終不變．焦耳定律本質(zhì)上描述了電能與電熱的轉(zhuǎn)化，從能量轉(zhuǎn)化的角度出發(fā)，教學(xué)引入環(huán)節(jié)應(yīng)當(dāng)出現(xiàn)電功并不等于電熱的案例，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到研究電流產(chǎn)熱的必要性．從而自然地引出這節(jié)課的主要問題：電熱與什么因素有關(guān)？又該如何計(jì)算電熱？

同時(shí)，焦耳定律實(shí)驗(yàn)探究要充分考慮到學(xué)生的已有認(rèn)知．當(dāng)學(xué)生通過教學(xué)引入的實(shí)驗(yàn)案例意識(shí)到不能直接使用W=UIt計(jì)算電熱以后，那么自然就想到了該如何確定電熱的影響因素了．此時(shí)通過對(duì)電動(dòng)機(jī)的真實(shí)情境的電功計(jì)算，充分利用學(xué)生的前認(rèn)知，辨析

Q=I2Rt

和

計(jì)算電熱的可能性，然后通過電熱小于電功從而讓學(xué)生自己找到電熱可能的影響因素．這樣的處理既解決了電熱因素確定的問題，還潛移默化地帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行了電功計(jì)算公式和電熱計(jì)算公式的區(qū)分，從而真正達(dá)到減小學(xué)生學(xué)習(xí)障礙的目的．