培养学生科学思维的问题链设置
——以“电热器 电流的热效应”为例

2018年11月，笔者受邀在一次学科展示活动中执教了“电热器 电流的热效应”一课，现将课堂实录加以整理，阐述在具体的一节课上，如何设计问题链和实验载体，在单元设计视角下落实对学生科学思维的培养。

一、课堂实录摘要

活动1：感受电热（电流通过导体产生热量）的多少与哪些因素有关？

在自制插线板（导线较细）上接一个灯泡，通电后请学生摸一摸灯泡，说出感觉。请他再摸一下连接插线板的导线。感受灯泡和连接插线板的导线，哪一个更热？

师：灯泡（灯丝）和插线板的导线之间是怎么连接的？可能是哪个物理量的不同造成了它们的温度不同？

生：串联。可能是因为它们的电阻不同。导线和灯丝串联接入电路，如图1所示，通过它们的电流和通电时间相同。电流通过导线和灯泡都会发热，灯泡的温度高些，可能是因为灯丝的电阻比导线的电阻大一些的缘故。

（图1）

（图2）

（把电炉也接入插线板，再请学生上来摸一摸导线，感觉导线比之前更热了。）

师：两次导线温度不同，说明电流通过导线产生的热量不同。把图2和图1进行比较，可能是什么物理量的不同导致电流通过导线产生热量不同呢？

生：电流。

师：哪一次电热更多呢？

生：第二次电热更多。

师：只可能是电流不同的原因吗？

生：时间，第二次时间比第一次时间长。

活动2：设计实验方案比较电热的多少。

师：刚才大家猜想电热可能与三个因素（电阻、电流、时间）有关，我们在设计实验时要用到什么方法？

生：控制变量法。

师：还有一个问题我们必须解决，那就是如何比较导体通电后产生的热量多少呢？

生：比较温度。

师：（出示一个电阻）用普通的温度计去测量一个电阻的温度方便吗？回顾我们在第十二章研究燃料热值时，是如何反映燃料燃烧时放出热量的多少的？

生：把电阻放入水中，通电后用温度计测量水温升高的多少。

师：为什么要用水呢？

生：水的比热容大。

师：比热容大，有什么好处？

生：升温慢。

师：升温快慢是相对的。如果升温过慢，对课堂上做实验是不利的，比如30分钟才升高1摄氏度，那多浪费时间呀！那我们应该怎么办呢？

生：选比热容比较小的煤油作为被加热对象吧！

师：刚才大家想到的是加热液体，如煤油或水，我们还可以加热什么呢？

生：空气。

师（出示器材）：让电阻加热气体，用这些气体来吹气球，通过观察气球大小来判断电热的多与少。气体除了吹气球，还可以吹液柱，可以在细直管里滴入一滴水珠，封住里面的气体。这个装置也有一些不足，大家找找看？

生：气体会把水珠吹走。

师：是的，有时水珠会被吹出去，有时遇冷水珠会被吸到瓶中。针对这一不足，大家想想看我们之前曾用过一个什么样的装置，它也是用管子装水，但不是直管子，里面的水柱可以被气体推动？（展示器材）

师：通过观察什么就知道电热的多与少了？

生：液柱上升的高度。

师：无论是加热气体还是液体，都要注意装置的气密性。如果某同学在实验过程中，没有观察到液柱上升，可能是什么问题呢？

生：装置气密性差。

师：还有可能是什么原因呢？

生：没有通电。

师：那你如何判断电路中有没有电流呢？

生：串联一个灯泡。灯亮有电流，灯不亮没有电流。

师：灯亮肯定有电流，没有电流灯肯定不亮。但是灯不亮一定是没有电流的原因吗？

生：也可能是因为电流过小，灯泡的实际功率太小。

师：所以，除了串联一个灯泡外，有没有更好的方法去检验是否通电呢？

生：串联一个电流表。

活动3：定性探究电热与电阻的关系。

学生选用不同器材进行实验，记录数据。

生：通过观察到阻值大的一侧液柱上升得快，可以得出的结论是——当电流和通电时间相同时，导体的电阻越大，产生的热量越多。

活动4：设计电路探究电热与电流的关系。

生：保持电阻和通电时间相同，改变电流。

师：如何选择器材做到电阻和通过时间相同，电流不同呢？

生：5Ω电阻和5Ω电阻并联。

师：两个阻值相同的电阻并联，电流不一样吗？如何才能做到使通过它们的电流不同呢？

生：可以在某个支路串一个变阻器，如图3所示。

师：除了这个方案，有没有其他方案了？是否可以让两个5Ω电阻串联，然后让某个5Ω电阻中的电流和另一个5Ω电阻中的电流不同呢？

生：在一个5Ω电阻两端并联一个变阻器，如图4所示。

师：刚才大家用的是5Ω电阻两个，能否5Ω电阻只用一个呢？

生：可以。让5Ω电阻与一个滑动变阻器串联来改变电流大小，如图5所示。

（学生分组做实验）

实验现象：电流大的那一侧液柱上升得快。

师：根据观察到的实验现象，可以得到什么样的实验结论？

生：当电阻和通电时间相同时，电流越大，电热越多。

活动5：定量探究电热与电阻、电流的关系。

师：刚才，同学们用实验分两步探究了电热与电阻和电流的关系，如果能有一套装置一步定量研究出电热与电流、电阻和通电时间的关系就好了，请看“实验神器”（图 6）。

加热2分钟，记录数据如表1所示。

（图3）

（图4）

（图5）

（图6）

生：比较甲、乙两组实验数据，分析可得，电热与电流的平方成正比；比较甲、丙两组实验数据，分析可得，电热与电阻成正比。

师：如果我们再利用秒表，还可以研究电热与通电时间的关系。通过分析数据可以得到“电热与通电时间也成正比”。这一规律被称为“焦耳定律”：Q=I2Rt。

（表1）

二、培养科学思维的思考

本节课通过问题链引导学生在观察、实验、探究的基础上，研究电热与电阻、电流和通电时间的关系，经历提出猜想、建构实验模型、创新设计、具体实验操作的探究流程，通过定性和定量实验进行收集数据、科学推理、科学论证的方式最终得出规律。同时将评价和学习过程紧密结合，能切实发展学生的建模、推理、论证能力。

在探究中，始终以实验载体设计为依托。如在用转化法反映电热的多少时，选择一种物质的某种物理属性随着电热多少而变化；在选择液体时，通过比热容大小的比较得出用比热容小的煤油，可以测量煤油被电阻加热后温度升高的多少来反映电热的多少；也可以加热气体，对利用气体受热膨胀来吹气球，再提出可以用气体受热膨胀来推动U型管内的液柱上升效果更好。在活动中基于事实证据和科学推理对不同观点提出质疑和批判，不断进行修正，进而提出创造性见解，使学生在深度学习中培育科学思维。