物理是一门以实验为基础的自然科学课程，具有基础性、实践性等特点，旨在引导学生经历科学探究过程，学习科学研究方法，养成科学思维习惯，进而学会学习
［1］。“比热容”概念较为抽象，教材通过比较相同质量的水和食用油在吸收相同热量时升高的温度不同来建构“比热容”这一概念，深化学生对比热容的理解。在实际教学中，受油的导热性差的因素影响，出现水升温比食用油快的现象为大概率事件，很难按照教材提供的实验装置完成“比较不同物体吸热的情况”演示实验，故对该实验装置加以改进势所必然。
1 传统演示实验的不足
人教版物理九年级第十三章第3节“比热容”中加热质量相同的水和食用油，使两者升高相同的温度，比较其吸收热量的多少。教材建议使用相同规格的电加热器、玻璃杯和温度计进行实验（
图1）。
该实验具有取材方便、操作简单的优点，但实际操作中存在以下问题。
1.1 没有明确电加热器的规格
市场上电加热器形状和规格繁多，难以选择。常见的加热器有长条状、调羹状、圆圈状和螺旋状这4种形状。市场上一般有500 W、800 W、1 000 W、1 500 W、2 000 W、2 500 W、3 000 W等各种功率的电加热器，种类繁多加大了该实验顺利开展的难度。
1.2 没有明确食用油的种类
如果单纯比较热传导性能，油的导热性远比水差，而市场上不同品牌、不同种类的食用油的导热性又各不相同。油的导热性是制约“比较不同物质吸热的情况”演示实验顺利开展的关键因素，在未明确具体使用何种食用油的情况下，该实验较难达到演示效果。
1.3 油的导热性差，导致水升温比油快
鲜有教师会按照教材的建议开展“比热容”实验，最主要的原因是攻克不了油的导热性差导致实验数据失真的难题。在用两只功率均为2 000 W的电加热器分别加热质量相等的水和金龙鱼调和油时，会出现水温上升得比油温快的现象。
1.4 采用实验室温度计，演示效果不佳
即使解决了电加热器、食用油、油导热性三大难题，也仍然存在一个瓶颈——使用实验室温度计作为测温工具演示效果差。在实际教学中，教师会借助实物投影让学生观察温度计示数的变化，但讲台面积有限，且整个实验装置较高，借助实物投影仪只能呈现实验装置的局部情况，难以达到整体呈现实验过程的视觉效果。同时，学生既要关心实物，又要留意投影，专注度必然不高，造成实验效果不理想。
2 实验改进
2.1 手动搅拌，降低食用油导热性差对实验的影响
反复试验后发现：在不采用其他策略前提下，无论使用哪一种食用油，都会出现水温上升得更快的现象。对液体进行搅拌能加速热传递，使液体受热更加均匀，从而降低食用油导热性差对实验造成的影响。电加热器和温度计的玻璃泡均要浸没在液体中，受烧杯空间的限制，若再增加搅拌器，搅拌效果不会理想，故选用螺旋状的电加热器，使电加热器在竖直方向上做往复运动（保持电加热器在液体中处于浸没状态），即加热和搅拌双管齐下。
2.2 测量加热时间，选择合适的电加热器
依序使用规格为2 000 W、1 500 W和1 000 W功率相同的两只电加热器加热质量均为500 g的水和调和油。在2 000 W电加热器作用下，不到60 s油温升到100 ℃，70 s左右油温达136 ℃。实验表明：使用2 000 W电加热器，实验时间太短；使用1 500 W电加热器，实验时间只有90 s。为达到最佳的演示效果，笔者选用两只规格均为1 000 W的电加热器作为加热装置。
2.3 观测油温上升过程，甄选合适的食用油
从外观看，不同食用油的黏稠性、透明度均不同。花生油的黏稠性高于调和油，玉米油和调和油色泽上相差不大。相比之下，山茶油色泽通透，流动性较前面三者强。经初步视觉鉴别后，再通过实验进行验证。首先，用规格均为1 000 W的两只螺旋状电加热器加热质量均为500 g水和调和油，获得数据如
表1所示。在实验过程中，在竖直方向不断利用电加热器搅拌液体，由于调和油热传导效果不佳，实验前30 s仍出现水温升得快的现象。
接着，对质量均为500 g水和山茶油进行加热，实验数据如
表2所示。实验数据跟前期判断相一致，山茶油是较优的实验研究对象。观察质量相同的水和山茶油在吸收相同热量的情况下温度升高程度不同的现象，就为“比热容”概念的建构作好了铺垫，使课堂更加丰满。
2.4 添加自动搅拌装置，实现同频搅拌
控制变量法是基本的科学研究方法之一。为增加实验的严谨性，须尽可能排除因搅拌频率不一致而对液体温度变化造成的干扰。为此，可在原有实验装置的基础上增设自动搅拌装置。
【方案1】让直线往复电机带动螺旋形的搅拌器上下移动，使液体均匀受热。缺点：搅拌器容易触碰螺旋状的电加热器，出现卡顿现象，导致实验失败。
【方案2】将烧杯置于电动转盘上，让烧杯随着转盘转动。螺旋状的电加热器保持静止状态，通过相对运动，起到搅拌的作用。缺点：很难找到转速适合的转盘，市场上能找到的最小转速转盘每圈在20～80 s之间，而转速过慢起不到搅拌作用。并且，转盘带动烧杯快速转动时，烧杯放置的位置稍微偏离圆心，就容易造成杯破水洒的后果。
综合以上两个方案的优缺点，该实验最终选择让螺旋状的电加热器同时充当搅拌器，在直线往复电机的带动下做上下往复运动，达到左右两边同频搅拌的效果。通过反复调试发现：只要控制好电加热器运动范围，就能确保实验过程中电加热器始终浸没在液体中。
2.5 采用数显温度计，增强视觉效果
在“比较不同物质的吸热情况”演示实验中，加热时间的长短反映液体吸收热量的多少，温度计示数的变化反映液体温度变化情况。因此，学生要同时留意加热时间和两支温度计示数变化，即需观察的要素较多。
如果使用普通实验室温度计，就必须借助投影呈现温度计示数变化，不能兼顾加热时间变化，整体视觉效果受限。探针式数显温度计和数显电子传感器虽能以数字形式直接呈现温度值，但仍需借助实物投影。而该类设备的显示屏在投影时易反光，严重影响投影效果，所以不考虑使用这类小屏幕数显温度计。经筛选，笔者选用大屏电子数显温度计作为实验的测温工具。该温度计具有以下优点：精确度较高；测温范围广（-50～200 ℃）；红字显示，清晰度高；屏幕尺寸大，字体醒目。
2.6 筛选温度计探头的固定方式，确保实验效果
大屏电子数显温度计的防水探头线较软，为避免在搅拌过程中探头触碰加热器，可在固定电加热器的木板上钻两个孔，再把两段长均为13 cm的玻璃管固定在两侧；将防水探头穿过两侧已固定的玻璃管，并保证探头全部露出末端玻璃管即可。
通过反复测试发现，使用1 000 W电加热器配套500 mL的烧杯，水达到沸点只需140 s。为了给学生提供足够的观察、思考时间，装置采用在1 000 mL烧杯中加入720 g液体的方式延长实验时间。更换烧杯后，电加热器的搅拌效果略有下降。由于探头离加热器较远，探头周围山茶油搅拌不到位，前30 s又出现水温上升得较快的现象。为了缩小探头跟加热器的距离，摒弃用玻璃管固定探头的方式，改用铁丝直接固定探头，即可有效调节探头跟加热器的距离，但存在铁丝容易生锈、固定不牢靠容易走位和两侧探头与加热器距离不同等问题。
在上述实验基础上，实验组采用不锈钢管作为固定媒介，裁短支撑电加热器的木条，在竖直木板两侧相同位置开孔，将探头线沿装置背部通过不锈钢管直接插入液体中（
图2）。既可以固定探头，又能确保两侧探头与加热器距离相同，还能及时调整探头的位置。
3 改进实验装置的优点
3.1 整体结构美观，实验现象显著
该装置在外形上整洁美观，操作上简单便捷，效果上现象显著。该套装置的使用，能有效减少教师准备实验的时间，能有效提升课堂教学效果。
3.2 安装漏电保护装置，实验过程安全
该实验涉及两只1 000 W电加热器、电动机、大屏电子数显温度计同时工作，只要在装置上安装漏电保护装置及空气开关（
图3），就能确保实验安全。
3.3 采用抽屉式底座，方便更换
为节约实验材料并提升装置使用效率，本装置配备两套等质量的水和山茶油，将底座设计成抽拉式（
图3）。使用时，只要将底座抽出，再抬起装置，就可以更换烧杯。考虑到加热过的液体温度较高，给烧杯增加了两个隔热环，更换时只需轻推隔热环。
3.4 使用大屏幕数字计时器，温度和时间同步读数
该实验需要同时观察温度和加热时间两个物理量，添加大屏幕数字计时器，就能使计时器和温度显示屏在同一视野内，学生能同时观测3块屏幕的示数变化，提高了实验效率。
4 使用方法
该装置使用过程简单便捷，具体步骤如下：分别往两个烧杯中加入720 g的水和山茶油，将烧杯并排摆放；抽出底座，将装置移至烧杯上方，慢慢放下；调整烧杯位置，让两侧加热器和温度计探头处于烧杯内相同位置；先闭合总开关，温度计开始显示，此时电动机带动加热器做上下往复运动（一定要先搅拌液体，当电加热器开始工作时，山茶油内部受热更均匀），再同时闭合电加热器开关和计时器开关；待山茶油温度升至约100 ℃时停止加热，因电加热器有余热，停止加热后不要立刻取出油和水，避免损坏加热器，此时水温、油温都会继续上升，为避免给后续的数据分析造成干扰，只需要关掉总开关即可。
广州市教育科学规划2024年度重点课题“基于深度学习的初中物理实验教学策略研究”(202315923)
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