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摘 要：本文以“焦耳定律实验”教学为例，谈谈如何通过深入挖掘实验内涵，聚焦科学方法，充分发挥探究实验的重要作用，促进学生科学思维能力的發展.
关键词：探究实验;科学方法;科学思维能力
文章编号：1008-4134（2020）12-0055 中图分类号：G633.7 文献标识码：B
科学思维是物理学科的核心素养之一，是学生应对未来快速发展的世界、维持自身可持续发展应具备的关键能力.但初中物理教学实践中如何培养学生的科学思维这一核心素养中的关键能力，面临诸多困难和挑战，笔者以初中物理“焦耳定律实验”的教学为例，来谈谈如何通过挖掘实验内涵，发展学生的科学思维能力.
焦耳定律是初中物理的重点内容，是能量守恒定律在电能和内能转化中的具体体现，蕴含着丰富的科学思想和科学方法要素，深刻揭示了客观事物之间的内在联系，而其中的实验探究过程更是发展学生科学思维的高价值素材，本文从三个方面介绍焦耳定律实验的设计思路与实施策略.
1 明确要探究的问题，抓住科学思维的关键线索
焦耳定律实验的目的是让学生经历探究“电流通过导体产生的热量与通过导体的电流、导体的电阻以及通电时间的关系”的过程，为再“发现”焦耳定律奠定基础，同时学习科学探究的基本方法.为保证探究的顺利进行，首先要明确提出探究的问题，从而为后续探究指明方向.根据提出科学问题的原则，要将复杂的多因素问题转化为单因素问题，也就是只含一个自变量的问题.针对焦耳定律实验的目的，可以由教师提出或引导学生明确提出如下三个问题：（1）电流通过导体产生的热量与通过导体的电流有什么关系？（2）电流通过导体产生的热量与导体的电阻有什么关系？（3）电流通过导体产生的热量与通电时间有什么关系？然后针对这三个问题分别设计实验探究方案.设计实验探究方案是发展学生科学思维能力最重要的环节，如何引导学生抓住设计方案中科学思维的关键线索至关重要.在多年教学实践探索过程中，我们总结了如图1所示的科学思维引导框图，利用这个框图引导学生分别识别每一个探究问题中的因变量、自变量和控制变量，以及后续怎样处理这三类变量，这样就帮助学生抓住了实验设计中最关键的科学思维线索.实践证明这种方法非常有效，学生真正理解了实验设计到底要干什么以及怎样去做，因此很快就能迁移到其他实验探究中.
2 理清逻辑关系，突破思维难点
控制变量法和转换法是两种重要的科学方法，对这两种方法的深入理解与迁移应用是提高学生问题解决能力的基础，是促进学生科学思维能力发展的桥梁.在焦耳定律实验中，由于电流通过导体产生的热量Q放的影响因素不止一个，包括电阻R、通过导体的电流I以及通电时间t等因素，因此在实验中需要对除自变量之外的其他影响Q放的变量进行控制.问题（1）中的控制变量是R和t;问题（2）中的控制变量是I和t;问题（3）中的控制变量是R和I.另外，由于该实验的因变量Q放无法直接测量，需要将其转换为其他的物理量，该实验是用烧瓶内煤油升高的温度Δt的大小来衡量电流通过导体产生的热量Q放的多少，所需要的主要实验器材如图2所示（该实验的其他常规器材略），这也是目前在初中物理教学中较为典型的一种实验装置，其中瓶内液体通常用煤油.
该实验中为什么可以用烧瓶内煤油升高温度的大小来衡量电流通过电阻丝放出热量的多少？其依据是什么？许多教师在教学过程中忽视对上述问题的思考与设计，使得学生对其中的原因认识不清，也就难以学会其中蕴含的科学方法，不利于学生科学思维能力的发展.为了帮助学生理清其中的逻辑关系，突破学生的思维障碍，使其不仅知其然还要知其所以然，进行了如下的设计：
教师提问：该实验中的吸、放热过程是如何进行的？
学生回答：电流通过导体放热，煤油吸收.
教师追问：他们之间存在怎样的关系？
学生回答：在不考虑热损失的情况下，可近似认为Q吸=Q放.
教师引导学生回答：依据公式Q吸=cmΔt，可以找到Q吸与Δt的对应关系;又由于Q吸=Q放，由此可找到Q放与Δt的对应关系，即电流通过导体放出的热量的多少Q放可以转换为煤油升高的温度Δt的大小，其内在的逻辑关系如图3所示.
为了使学生明确将Q放转换为Δt成立的条件，对该实验中需要控制的变量有更加全面的认识，进行了如下设计：
教师提问：如果两个烧瓶内装的是不同种液体，那么升高温度高的液体吸收的热量是否一定比另一种液体吸收的热量多？
学生回答：当液体的c或m 不相同时，升高温度高的液体吸收的热量不一定比另一种液体多.例如质量相等的煤油和水，即使煤油升高的温度高，它吸收的热量也不一定比水多.
教师追问：需要满足什么条件时，升高温度高的液体其吸收的热量比另一种液体多？
教师引导学生回答：当c和m 相同时，由公式 Q吸=cmΔt 可知，此时的Q吸与Δt才满足一一对应关系，即升高温度高的液体吸收的热量多，进而使得Q放与Δt满足一一对应关系，使Q放转换为Δt成立.
通过上述的分析，可以更好地帮助学生理解用液体升高温度的大小反应导体放出热量的多少成立的条件，也有助于学生进一步理解控制变量c和m的目的是将Q放转换为Δt（见表1）.
教师提问：本实验中的吸热物质选用的是煤油，用水可以吗？
这一问题引发了学生的热烈讨论，有的学生认为：煤油的比热容小于水的比热容，由公式Q吸=cmΔt可知，相同质量的煤油和水升高相同温度，煤油吸收的热量少，需要的加热时间短，能够节约时间，还可以减少散热损失，所以应该用煤油.而有的学生则认为，选用水也可以，而且用水更便宜，至于加热时间长的问题，可以通过换功率更大的电阻来解决.
教师提问：本实验中将Q放转换为Δt的前提是电热丝放出的热量全部被煤油吸收，想一想，实验器材还有没有值得改进的地方？ 学生讨论后回答：装煤油的烧瓶的保温效果不好，热量散失比较多，如果改用真空保温杯，保温效果会好很多，电热丝放出的热量就几乎全部被煤油吸收，这样就可以减小实验误差.
为了更好地帮助学生理解实验的原理本质，理清各物理量之间的逻辑关系，教师利用下面的表1，引导学生对整个实验的关键问题进行梳理.
3 及时迁移应用，促进巩固内化
为了促进学生对焦耳定律实验本质的理解和内化，对实验中蕴含的科学方法及时有效地进行迁移和应用，提高学生的问题解决能力，笔者设计了如下实验设计的任务：实验桌上有水、烧杯、温度计、铁架台，分别装有相同质量酒精燃料的酒精灯和煤油燃料的煤油灯，请你利用上述器材设计实验比较煤油和酒精这两种燃料的热值.
解决此题的关键是如何比较酒精和煤油放出热量的多少.教师可以启发引导学生迁移焦耳定律实验的设计思路，将燃料燃烧放出的热量Q放转换为水吸收的热量Q吸，依据公式Q吸=cmΔt，就可以利用水升高的温度Δt的大小衡量水吸收的热量Q吸的多少，进而衡量燃料放出的热量Q放的多少.即通过比较质量相同的水升高温度的多少比较燃料放出热量的多少，实现燃料热值的比较，其内在的逻辑关系如图4所示，实验装置如图5所示.
在反馈纠正学生的实验设计时，进一步追问学生这个实验将烧杯改为双层玻璃保温杯是否可以？理由是什么？你有哪些改进实验的建议？通过这些开放性问题引发学生持续思考，这是发展学生科学思维的重要途径.
参考文献：
[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.
[2]中华人民共和国教育部.义务教育物理课程标准（2011年版）[M].北京：北京师范大学出版社，2012.
[3]张宪魁.物理科学方法教育[M].青岛：中国海洋大学出版社，2015.
[4]秦晓文.探究照亮未来——物理教学中科学探究的理论与实践[M].北京：中国青年出版社，2017.
[5]欧旭升，汤金波.整合创新实验 提升核心素养——“探究焦耳定律”探究课的感悟与反思[J].中学物理，2019，37（22）：49-52.
[6]陈来征.自制“微型焦耳定律实验探究仪”[J].实验教学与仪器，2019，36（11）：55-56 65.
[7]周智良.创新设计生活化实验 突破物理教学重难点——以高中“焦耳定律”教學为例[J].物理之友，2018，34（04）：4-6.
[8]常仕淇.实验探究教学的实践与思考[J].学周刊，2017（16）：62-63.
[9]刘娜，李艳平.焦耳定律的建立[J].物理通报，2008（11）：49-51.
（收稿日期：2020-03-13）
关键词：探究实验;科学方法;科学思维能力
文章编号：1008-4134（2020）12-0055 中图分类号：G633.7 文献标识码：B
科学思维是物理学科的核心素养之一，是学生应对未来快速发展的世界、维持自身可持续发展应具备的关键能力.但初中物理教学实践中如何培养学生的科学思维这一核心素养中的关键能力，面临诸多困难和挑战，笔者以初中物理“焦耳定律实验”的教学为例，来谈谈如何通过挖掘实验内涵，发展学生的科学思维能力.
焦耳定律是初中物理的重点内容，是能量守恒定律在电能和内能转化中的具体体现，蕴含着丰富的科学思想和科学方法要素，深刻揭示了客观事物之间的内在联系，而其中的实验探究过程更是发展学生科学思维的高价值素材，本文从三个方面介绍焦耳定律实验的设计思路与实施策略.
1 明确要探究的问题，抓住科学思维的关键线索
焦耳定律实验的目的是让学生经历探究“电流通过导体产生的热量与通过导体的电流、导体的电阻以及通电时间的关系”的过程，为再“发现”焦耳定律奠定基础，同时学习科学探究的基本方法.为保证探究的顺利进行，首先要明确提出探究的问题，从而为后续探究指明方向.根据提出科学问题的原则，要将复杂的多因素问题转化为单因素问题，也就是只含一个自变量的问题.针对焦耳定律实验的目的，可以由教师提出或引导学生明确提出如下三个问题：（1）电流通过导体产生的热量与通过导体的电流有什么关系？（2）电流通过导体产生的热量与导体的电阻有什么关系？（3）电流通过导体产生的热量与通电时间有什么关系？然后针对这三个问题分别设计实验探究方案.设计实验探究方案是发展学生科学思维能力最重要的环节，如何引导学生抓住设计方案中科学思维的关键线索至关重要.在多年教学实践探索过程中，我们总结了如图1所示的科学思维引导框图，利用这个框图引导学生分别识别每一个探究问题中的因变量、自变量和控制变量，以及后续怎样处理这三类变量，这样就帮助学生抓住了实验设计中最关键的科学思维线索.实践证明这种方法非常有效，学生真正理解了实验设计到底要干什么以及怎样去做，因此很快就能迁移到其他实验探究中.
2 理清逻辑关系，突破思维难点
控制变量法和转换法是两种重要的科学方法，对这两种方法的深入理解与迁移应用是提高学生问题解决能力的基础，是促进学生科学思维能力发展的桥梁.在焦耳定律实验中，由于电流通过导体产生的热量Q放的影响因素不止一个，包括电阻R、通过导体的电流I以及通电时间t等因素，因此在实验中需要对除自变量之外的其他影响Q放的变量进行控制.问题（1）中的控制变量是R和t;问题（2）中的控制变量是I和t;问题（3）中的控制变量是R和I.另外，由于该实验的因变量Q放无法直接测量，需要将其转换为其他的物理量，该实验是用烧瓶内煤油升高的温度Δt的大小来衡量电流通过导体产生的热量Q放的多少，所需要的主要实验器材如图2所示（该实验的其他常规器材略），这也是目前在初中物理教学中较为典型的一种实验装置，其中瓶内液体通常用煤油.
该实验中为什么可以用烧瓶内煤油升高温度的大小来衡量电流通过电阻丝放出热量的多少？其依据是什么？许多教师在教学过程中忽视对上述问题的思考与设计，使得学生对其中的原因认识不清，也就难以学会其中蕴含的科学方法，不利于学生科学思维能力的发展.为了帮助学生理清其中的逻辑关系，突破学生的思维障碍，使其不仅知其然还要知其所以然，进行了如下的设计：
教师提问：该实验中的吸、放热过程是如何进行的？
学生回答：电流通过导体放热，煤油吸收.
教师追问：他们之间存在怎样的关系？
学生回答：在不考虑热损失的情况下，可近似认为Q吸=Q放.
教师引导学生回答：依据公式Q吸=cmΔt，可以找到Q吸与Δt的对应关系;又由于Q吸=Q放，由此可找到Q放与Δt的对应关系，即电流通过导体放出的热量的多少Q放可以转换为煤油升高的温度Δt的大小，其内在的逻辑关系如图3所示.
为了使学生明确将Q放转换为Δt成立的条件，对该实验中需要控制的变量有更加全面的认识，进行了如下设计：
教师提问：如果两个烧瓶内装的是不同种液体，那么升高温度高的液体吸收的热量是否一定比另一种液体吸收的热量多？
学生回答：当液体的c或m 不相同时，升高温度高的液体吸收的热量不一定比另一种液体多.例如质量相等的煤油和水，即使煤油升高的温度高，它吸收的热量也不一定比水多.
教师追问：需要满足什么条件时，升高温度高的液体其吸收的热量比另一种液体多？
教师引导学生回答：当c和m 相同时，由公式 Q吸=cmΔt 可知，此时的Q吸与Δt才满足一一对应关系，即升高温度高的液体吸收的热量多，进而使得Q放与Δt满足一一对应关系，使Q放转换为Δt成立.
通过上述的分析，可以更好地帮助学生理解用液体升高温度的大小反应导体放出热量的多少成立的条件，也有助于学生进一步理解控制变量c和m的目的是将Q放转换为Δt（见表1）.
教师提问：本实验中的吸热物质选用的是煤油，用水可以吗？
这一问题引发了学生的热烈讨论，有的学生认为：煤油的比热容小于水的比热容，由公式Q吸=cmΔt可知，相同质量的煤油和水升高相同温度，煤油吸收的热量少，需要的加热时间短，能够节约时间，还可以减少散热损失，所以应该用煤油.而有的学生则认为，选用水也可以，而且用水更便宜，至于加热时间长的问题，可以通过换功率更大的电阻来解决.
教师提问：本实验中将Q放转换为Δt的前提是电热丝放出的热量全部被煤油吸收，想一想，实验器材还有没有值得改进的地方？ 学生讨论后回答：装煤油的烧瓶的保温效果不好，热量散失比较多，如果改用真空保温杯，保温效果会好很多，电热丝放出的热量就几乎全部被煤油吸收，这样就可以减小实验误差.
为了更好地帮助学生理解实验的原理本质，理清各物理量之间的逻辑关系，教师利用下面的表1，引导学生对整个实验的关键问题进行梳理.
3 及时迁移应用，促进巩固内化
为了促进学生对焦耳定律实验本质的理解和内化，对实验中蕴含的科学方法及时有效地进行迁移和应用，提高学生的问题解决能力，笔者设计了如下实验设计的任务：实验桌上有水、烧杯、温度计、铁架台，分别装有相同质量酒精燃料的酒精灯和煤油燃料的煤油灯，请你利用上述器材设计实验比较煤油和酒精这两种燃料的热值.
解决此题的关键是如何比较酒精和煤油放出热量的多少.教师可以启发引导学生迁移焦耳定律实验的设计思路，将燃料燃烧放出的热量Q放转换为水吸收的热量Q吸，依据公式Q吸=cmΔt，就可以利用水升高的温度Δt的大小衡量水吸收的热量Q吸的多少，进而衡量燃料放出的热量Q放的多少.即通过比较质量相同的水升高温度的多少比较燃料放出热量的多少，实现燃料热值的比较，其内在的逻辑关系如图4所示，实验装置如图5所示.
在反馈纠正学生的实验设计时，进一步追问学生这个实验将烧杯改为双层玻璃保温杯是否可以？理由是什么？你有哪些改进实验的建议？通过这些开放性问题引发学生持续思考，这是发展学生科学思维的重要途径.
参考文献：
[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.
[2]中华人民共和国教育部.义务教育物理课程标准（2011年版）[M].北京：北京师范大学出版社，2012.
[3]张宪魁.物理科学方法教育[M].青岛：中国海洋大学出版社，2015.
[4]秦晓文.探究照亮未来——物理教学中科学探究的理论与实践[M].北京：中国青年出版社，2017.
[5]欧旭升，汤金波.整合创新实验 提升核心素养——“探究焦耳定律”探究课的感悟与反思[J].中学物理，2019，37（22）：49-52.
[6]陈来征.自制“微型焦耳定律实验探究仪”[J].实验教学与仪器，2019，36（11）：55-56 65.
[7]周智良.创新设计生活化实验 突破物理教学重难点——以高中“焦耳定律”教學为例[J].物理之友，2018，34（04）：4-6.
[8]常仕淇.实验探究教学的实践与思考[J].学周刊，2017（16）：62-63.
[9]刘娜，李艳平.焦耳定律的建立[J].物理通报，2008（11）：49-51.
（收稿日期：2020-03-13）