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基于物理观念导向的教学设计

范文

赵兴芳张树东

摘 ? 要：以“焦耳定律”教学设计为例，基于物理观念导向，阐述了在物理教学中如何培养学生的物质观念、运动与相互作用观念、能量观念等要素。

关键词：核心素养;物理觀念;焦耳定律

中图分类号：G633.7 文献标识码：A ? ?文章编号：1003-6148（2019）5-0028-5

1 ? 依据和背景

《普通高中物理课程标准（2017年版）》课程目标中明确提出：高中物理课程应在义务教育的基础上，进一步促进学生物理学科核心素养的养成和发展;学科核心素养是学科教书育人价值的集中体现，是学生通过学科学习而逐渐形成的正确价值观念、必备品格和关键能力。物理学科核心素养主要包括物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任。其中，物理观念是从物理学视角形成的关于物质观念、运动与相互作用观念、能量观念等的基础认识，是物理概念和规律等在头脑中的提炼和升华，是从物理学视角解释自然现象和解决实际问题的基础。

关于“观念”一词，《辞海》中的解释为“看法、思想;思维活动的结果;译自希腊语idea，通常指思想。有时亦指表象或客观事物在人脑中留下的概括的形象”。百度文库给出的解释为“宏观层面观点、信念;个人理想、道德、品质”。物理观念是物理学家经历长期的实践和理论研究，然后概括总结出的对物理世界的根本认识。这种认识指导人们解释不同的现象并预言其发展规律。物理观念随着物理科学的发展而发展。宋心琦曾就教学中化学观念的培养深刻地指出，使“学生能牢固地、准确地，哪怕只是定性地建立起基本的化学观念，应当是中学化学教学的第一目标。背诵或记忆某些具体的化学事实性知识，当然是有价值的，但是更重要的价值在于它们是化学观念的载体”。这一观点对物理观念的培养一样适用，即物理观念的培养应是物理教学的第一目标，其重要性毋庸置疑。

物理观念是将思想、观点、方法等抽象概括出来的观念性认识，是物理学科的研究对象、过程、方法、结果在学生头脑中整体的概括和反应。物理基本观念的形成既不可能是空中楼阁，也不可能通过记忆大量物理知识自发形成，而是需要学生积极主动地进行探究活动，并从中深刻理解和掌握有关的物理知识和核心概念，理解应用知识，并不断反思、概括、提炼而成。中学物理课程中的核心概念及其所涵盖的具体知识，充实和发展着物理基本观念的内涵，是形成物理基本观念的基础和源泉。

2 ? ?教学设计和实践

在课堂教学过程中，让学生通过对知识的学习、反思和运用之后形成对物理观念的建构，因此制定恰当的教学设计是极其重要的。在“焦耳定律”的教学过程中，发现学生对电功、内能、热量等物理核心概念以及能量守恒定律的理解不清晰;对相异概念转化为科学概念过程存在困难，导致对物理概念和规律进一步理解、运用产生一定的困难。

2.1 ? ?教材分析

“焦耳定律”是人教版高中二年级第二章第5节《焦耳定律》中的内容，也是该章的重点。能量守恒定律是物理的基本定律，“焦耳定律”正是通过电能和导体内能之间的转换来体现能量守恒定律，是有关“守恒定律”这一重要物理观念培养的典型事例。教材在电功、电功率之后安排焦耳定律，符合学生的认知规律。该节由“电功和电功率”“焦耳定律”两部分组成，研究电热与电阻、电流和通电时间三者之间的定性关系。因为关联多个物理量，又涉及能量转换，而能量本身又比较抽象，所以对“焦耳定律”的理解和掌握以及后续的实际应用是教学的重点和难点。教学中，增加学生对做功和能量转换直观感受的关键是完成实验及分析实验现象。尽管电学知识与人们的生活密切相关，但相对可以视觉感受的机械运动而言，人们潜意识中还是存在某些对电的畏惧感;在教学中的表现为学生普遍对电有疏远感或“谈电色变”。

2.2 ? ?学情分析

“焦耳定律”内容的学习面对的是高中二年级的学生。此阶段学生处于认知和能力高度发展阶段，观察力、思维力、理解力、想象力等能力处于高速发展阶段;同时，学生学习动机不断加强，学习兴趣等各方面都逐步提高，是形成正确、牢固物理观念的关键期。在初中阶段，学生已经了解过焦耳定律的相关内容，因此，对此方面的知识并不陌生。

2.3 ? ?教学目标及重点、难点

【教学目标】

（1）理解电功、电功率，进一步探究焦耳定律的原理、理解焦耳定律的内容、明确焦耳定律的使用条件，能够牢固且准确地运用焦耳定律，进而形成能量守恒这一重要物理观念。

（2）通过焦耳定律影响因素的分析，培养科学思维能力以及进行科学推理、科学运算、模型建构等能力。

（3）通过实验和科学探究，打破原有相异概念，使之转换为科学概念。形成正确的物理观念，解释生活中的相关现象。通过实践操作，培养动手操作能力和动脑思考能力以及运用知识解决问题的能力。

（4）培养批判精神、创新精神和严谨的科学态度与责任，形成对科学本质的正确认识。

【教学重点】

明确焦耳定律的适用条件以及电功、电能、内能之间的逻辑关系，分清电流做功与对应电器元件的能量变化的区别与联系，掌握纯电阻电路和非纯电阻电路中焦耳热的计算方法。

【教学难点】

运用焦耳定律解释生活中电器元件的热效应及遇到的简单热学问题。

3 ? ?教学过程

3.1 ? ?新课导入

物理源于生活，又应用于生活。从柴薪取火到煤炭、石油、天然气等能源的发现，人类对不断增加的热量需求及对新能源的探索从未停止过。电能是当前接触最多的能源，从日常生活中筛选出学生比较常见的家用电器元件（如白炽灯、日光灯、LED灯、电阻丝、电熨斗、有叶电风扇等）导入新课。

教师：电流通过电器元件所做的功哪去了？

学生：转变为光能、热能、机械运动的动能等。

教师：哪些器件是应用电流的热效应工作的？热效应如何描述？

学生：白炽灯、电阻丝、电熨斗，热效应通过导体放出的热量多少来描述。

教师：电流的功都能转化为导体的内能吗？

学生：能。不能……

教师：到底什么是导体的内能？内能如何度量？

内能对中学生而言是一个抽象的概念，而焦耳定律又恰是一个与内能关联的定律。为了形象地说明内能，我们拿一个盛水的水杯为例，如图1所示。静置在桌面的水杯有能量吗？从宏观尺度上看，水杯是静止在桌面上，因而没有明显的动能和势能（选择桌面为重力势能零点位置）;但从微观尺度上看，水分子不断地进行随机无规则运动而具有动能，同时分子间有力的作用而使分子具有势能，正是这些微观上的分子运动动能与势能构成了内能。就焦耳定律涉及的导体而言，导体的内能是描述构成导体的微观粒子动能与势能之和的物理量，内能的大小可通过导体的温度反映出来，温度越高，内能越大。

电流做功使得导体的内能增加，温度升高;同时导体又以热振动和热辐射的方式释放内能，温度越高，热振动和热辐射越强烈。在一定的电流强度下，导体最终达到动态平衡，即电流对导体所做的功等于导体释放的热量，此时导体的内能维持不变，温度也保持不变。

教师：在导体达到动态平衡后，电流对导体所做的功与导体释放的热量之间是怎样的关系呢？与哪些物理量有关？

学生：导体释放的热量与电流强度、电阻、时间等有关。

教师：导体释放的热量不可以直接测量。根据已经学过的知识，热量可以通过导体的温度间接反映出来。那么，在探究多个因素对同一物理量的影响时，我们一般采取的是什么方法？

学生：控制变量法。

教师：请同学们思考下，要想测量加热一段时间后电阻温度变化的数据并且能对比鲜明，应当怎样设计实验电路并验证猜想。

3.2 ? ?实验环节：探究热量与电流、电阻、时间的关系

【实验教具】

定值电阻R1、R2、R3（阻值分别为5 Ω、10 Ω、10 Ω的电阻丝），电流表，滑动变阻器，开关，直流电源，温度传感器，烧杯，色拉油，数据采集器，DIS輔助软件，电脑等。

【实验电路】

实验电路连线如图2所示。不同阻值的R1和R3串联，用于探究相同电流下不同电阻对热量的影响;相同阻值的R2和R3并联，用于探究相同电阻下不同电流对热量的影响。滑动变阻器用于调节总电流，直流电源提供总电能。三个定值电阻分别放置在装有等量同种色拉油的烧杯中，每个烧杯中插有一个温度传感器。当电流通过电阻时，导致电阻内能增加，温度升高，电阻辐射的热能引起色拉油的温度升高。因为电阻的体积远远小于色拉油的体积，故可近似直接用色拉油温度的变化间接反映电阻所释放的热量。考虑到电阻在色拉油中是产生热量的源泉，油中存在一定的温度梯度，为了使烧杯中的油尽可能处于同一温度，实验过程中需要不断用玻璃棒进行搅拌。

将三个温度传感器通过数据采集接口盒与电脑连接，电脑中安装有DIS数据采集软件，启动软件，开始探究实验。

【数据采集】

启动DIS数据采集软件，选择好数据采集的时长和采集频率等参数。接通电路后，电阻丝开始加热色拉油。点击“记录开始”按钮，三个烧杯中的温度数据以列表的形式出现。停止采集后，保存三个传感器的温度随时间变化的数值，为后续的数值分析做好准备，数据采集界面如图3所示。

【数据分析】

（1）定值电阻R1、R2、R3产生的油温随时间的变化

由图2的电路可知，I2>I1，所以R2产生的温度应该最高，其次为R3，最低为R1。图4是实验测得的三个电阻产生的油温随时间变化的关系曲线，实验测得的温度特征与电路分析的结果完全一致。但电阻产生的热量需要由油的热容量变化来反映，而热容量的变化直接由温度的变化来描述，故需要分析温差随时间的变化。

（2）三个烧杯中温差随时间的变化

因为是在电阻加热一段时间以后开始采集记录温度数据的，因而三个电阻产生的温度在计时起点的温度是不同的。如图4中，R1、R2、R3对应的计时起点的温度初始值分别为T10（R1）=28.6 ℃，T20（R2）=44.8 ℃和T30（R3）=33.8 ℃。以这三个初始值为参照，由图4的温度变化数值，可知三个烧杯中油温温差随时间的变化，结果如图5所示。

（3）探究热量与电流、电阻的关系

根据色拉油的比热容C、质量m和温差ΔT，可计算出增加的热量为Q=CmΔT。

由图2的电路图可知，R1和R3串联，流经的电流I1相同，产生的热量之比为Q3/Q1=ΔT3/ΔT1，图6给出了ΔT3/ΔT1随时间的变化，除了计时起点处由于ΔT值小而引起明显起伏偏差外，在500 s以后该温差比值基本呈直线状，且非常接近数值2，并且R3与R1的电阻阻值比值为2。这说明，除去测量以及能量耗散等系统误差，R3和R1产生的热量与电阻的阻值成正比，即Q∝R。

同样，由图2的电路图可知，R2和R3并联，流经它们的电流分别为I2和I1，且其比值为I2/I1=（R1+R3）/R2=1.5，R2和R3产生的热量之比为Q2/Q3=ΔT2/ΔT3。图7给出ΔT2/ΔT3随时间的变化，除了计时起点有明显起伏外，在500 s以后也呈现出直线状，且接近数值2.25（图中虚线位置），该值与流经R2和R3的电流比值（I2/I1）的平方一致，即（I2/I1）2=1.52=2.25。这说明，除去测量误差，R2和R3产生的热量与流经的电流平方成正比，即Q∝I2。

【焦耳定律】

由上面的实验探究得出：电阻产生的热量与电流的平方成正比，与电阻阻值成正比，这一结果正是焦耳通过严密的实验测量得出的结论，即焦耳定律：

Q=I2Rt

其单位为焦耳（J），适用于纯电阻电路中导体产生的热量，也叫电热。单位时间内导体的发热量称为热功率，即电能转化为热能的功率。

3.3 ? ?焦耳定律的应用

3.3.1 ? ?纯电阻电路焦耳定律的应用

回顾上课之初的问题，解释白炽灯、电炉丝、有叶电风扇的工作原理。当白炽灯中钨丝的电流增大到一定程度，开始发光，这是否意味着存在电能直接转化为光能呢？钨丝还能看作纯电阻吗？

实际上这是个误解。当电流经过白炽灯的钨丝时，电流做功，将电能转化为钨丝的内能，该内能包括钨金属晶格中原子的振动及电子的激发等。被激发的原子振动及处于激发态的电子必定会退激发，其中有很少的一部分是以可见光辐射的形式发生的，这部分内能即转变为光能，这也正是耐高温的钨丝用作照明材料的基本原理。其他部分的钨丝内能通过不可见的辐射（如，热辐射）、与钨丝周边气体的热交换等形式进行能量转换。总之，电能所做的功首先转变为钨丝的内能，然后钨絲的内能再转变为其他形式的能量。所以，钨丝可以看作是纯电阻元件，欧姆定律和焦耳定律是适用的，即有R=U/I，Q=I2Rt。

小结：人们制造电灯的目的是为了照明，即将电能转换为光能，由于白炽灯是将电能转换为导体的内能，而由内能转变为光能的效率比较低。随着科技的进步，出现了日光灯、LED灯等。日光灯、LED灯属于非纯电阻元件。同学们课下可以查阅资料，了解其发光原理，搜集照明工具的发展史等。

3.3.2 ? ?非纯电阻电路焦耳定律的应用

下面对有叶电风扇的电能做功进行分析。通电后，有叶电风扇的叶片转动，推动叶片周围的空气流动。为什么工作一段时间后关闭电风扇，用手触摸风扇的电机，会感到电机明显发热。这部分热量该怎么计算，电能的去向如何？

4 ? ?教学反思

能量守恒与转化定律是19世纪自然科学三大发现之一，也是物理观念的重要体现。具有清晰、系统的物理观念，就能从物理学的视角正确描述和解释自然现象，就能灵活应用所学的物理知识解决实际问题，就能有效指导工作和生活实践，这是新课标课程评价中对物理观念的要求。

在倡导大概念的背景下，在课程横向和纵向不断整合的今天，物理概念、规律的学习单靠机械记忆是不可取的。在学习每个经典概念、规律的时候，打破学生原有相异概念，制造认知冲突，引起学生的学习兴趣，并在逐渐探索的过程中形成物理观念，这是首先要达到的教学目标。随着学生对概念、规律等的思考认识不断深入，学习的进阶不断前行，学生的核心素养最终得以提高。

德国著名物理学家、诺贝尔奖获得者冯·劳厄曾经说过：“教育所给予人们的无非是当一切已学过的东西都忘记后所剩下来的东西。”随着时间的流逝，我们在学校所学的大量学科知识都将逐渐淡化甚至遗忘，真正伴随我们一生发展并持续发挥作用的不是具体的学科知识，而是知识升华后留存在我们思想意识层面的东西，所指的应该就是每个人具备的学科素养。

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（栏目编辑 ? ?邓 ? 磊）

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