魏舜芷 劉紫微 陳 剛
(1.華東師范大學(xué)教師教育學(xué)院,上海 200333;2.同濟大學(xué)第一附屬中學(xué),上海 200438)
“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驗教學(xué)和概念建構(gòu)有不同的教學(xué)改進方案和研究積累.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.
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主題組織起來的認知框架.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、表達式、單位、與其他物理概念間的關(guān)系等方面加以認識.[2]
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.
表1 比熱容概念圖式
由圖式可知,學(xué)生在建立對比熱容的認識時,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)得一個新的物理概念,則代表學(xué)生要能夠理解這個物理概念,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,表明學(xué)生已達到“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)生達到理解比熱容物理性質(zhì)的水平.
定義即概念界定,通常來說,一個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℃時吸收(或放出)的熱量.可見此時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”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.
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.
但吸收(放出)的熱量多少我們無法觀察到,在現(xiàn)實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.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.因此,從這個角度出發(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,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.
1 kg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,比熱容大).
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”實驗得出“不同物質(zhì)在質(zhì)量相等、升高的溫度相同時,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.如果這時候問學(xué)生為何要引入比熱容時,學(xué)生并不能進行解釋,也就是沒有習(xí)得其物理意義.
由前文比熱容的圖式可知,比熱容的物理性質(zhì)實則是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),教材上多采用實驗探究的途徑習(xí)得.
因為學(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,有實驗方案: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,有另一種實驗方案: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驗應(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.但是實際上教材安排的實驗卻是通過質(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,但從例子到進行實驗,若沒有進行引導(dǎo),學(xué)生一時難以理解引入部分與所做實驗之間的關(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.
評價比熱容概念教學(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.如果教師在教學(xué)中詢問學(xué)生為何要引入比熱容,此時,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,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.
引入時,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.
此時也可推知: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.
引入時,可從“相同日照情況下,沙子和水的溫度不同”引入.
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.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.
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,但實驗卻從“吸收”熱的能力進行探究,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“0.3 kg的水溫度上升10℃僅需要12600 J的熱量,而0.6 kg的食用油上升30℃則吸收了32400 J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]通過實驗探究得出“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,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個邊長代表質(zhì)量m、溫度的變化量Δt、比熱容c,實際上學(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,如果此時僅以溫度變化量為標(biāo)準,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的事實.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)準呢?同時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”.
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),達到“知其然,知其所以然”時,教師的教學(xué)才是合格、有效的.