温度是表示物体冷热程度的物理量，它来源于人们对外界物体冷热程度的感觉，学生对此并不陌生，但这种感觉常常会不准确，甚至会出错。这是因为，冷热本来就是相对的，用冷热程度来表征温度的本质显然存在问题。“温度的本质到底是什么？”“为什么温度的单位有摄氏度、华氏度以及开尔文？”“温度计测量的是温度直接数值吗？”学生对此深感疑惑。
人教版高中物理新教材是按照“状态参量与平衡态”“热平衡与温度”“温度计与温标”等3个部分来呈现温度与温标的相关知识，并以极简的文字介绍了关于热现象的“系统、状态参量、平衡态、热平衡、温度（共同的热学性质）”等概念，且对温度概念的呈现仅仅局限于宏观角度，由两系统间的平衡状态所表现出的共同热学性质来定义。在温度的测量中，重点介绍了常见的摄氏温标，对热力学温标却没有进行具体呈现。这种呈现方式让部分教师形成了“本节课内容浅显，知识点碎且杂，定性探究多而定量计算少，没有什么可讲的”等认识。在教学中，常表现为照本宣科，将相关的概念简单、直接地灌输给学生，导致学生对所呈现的概念感到突兀，缺乏直观认识，难以理解其内涵。特别是在温度本质的认识上，由于缺少宏观与微观的相互印证，学生难以全面、透彻地理解温度概念的本质，必然对热力学温度和摄氏温度的联系缺乏足够的认识。
笔者认为，该节课是学生第一次运用分子动理论和统计观点认识物质的宏观特征和规律，要想深化其对“温度”概念的认识，教师应当围绕探究热现象的相关概念展开教学，引导学生尽快适应热学内容的学习。换言之，教师在教学中要尽可能多地创设有针对性的、趣味性强的实验情境和问题情境，直观自然地呈现相关概念，外显抽象概念的内涵和本质，让学生在动手实验、思考讨论中体验温度概念的建构过程，深刻理解“温度”概念的本质，领悟温度概念形成过程中的思想方法。基于以上分析，笔者对该节课的教学进行如下设计。
1 创设真实体验，引发认知冲突
师：说到温度，大家并不陌生，请你们谈谈对“温度”的认识。
生：温度是表征物体冷热程度的物理量，可以根据人体的触觉来判断温度的高低。
【实验活动】首先，学生代表上台触摸放在一起的木头和铁块，并说出感受；然后，用非接触温度计测量木块与铁块的温度，让学生观察这一过程。
生：虽然感觉上铁块比木块冷，但温度计却显示两者的温度相同。
【引导】为什么测量结果和感觉不一样呢？可见，通过感受物体的冷热程度来判断温度的高低是不科学的。那么，如何科学地定义“温度”呢？
【设计意图】基于学生的亲身实验活动创设问题情境，引发学生认知冲突，可以有效激发学生的学习动机，引导学生开展积极的思维活动，探寻用科学、准确的方法定义温度的概念，学生因此能够自然地进入“温度”概念的建构过程并在真实情境中主动建构知识，实现学习方式的转变。
2 感知实验现象，自然呈现概念
【引导】在生活中，我们如何定量地判断物体温度的高低？
生：用温度计来测量。
师：在测量温度时，为什么要过一段时间才能取出温度计来读数？明明看的是温度计，凭什么说温度计的示数就是待测物体的温度？
生：……
【引导】要回答上述问题，需要进一步学习热学的基本知识。热学是研究热现象的性质和规律的一门学科，其研究方法主要有两种：一种是通过对热现象的观察与分析，研究热现象的规律；另一种是运用统计的方法，基于微观角度对热现象的规律作出解释。基于这种认识，我们先来研究生活中常见的一个热现象：在教室里，有的学生感觉热，有的感觉凉，怎样才能知道教室里的冷热情况呢
［1］？
生：用温度计来测量教室里的温度。
师：如何测量，才能做到科学准确呢？
【学生活动】分为5个小组，测量教室前、后、左、右、中部的温度并记录测量的温度值和时间；汇报测量结果，指定学生统计、呈现测量结果。
师：教室内的温度情况是怎样的？为什么会出现这种情况？
生：由于教室并非密闭空间，与室外存在空气对流，导致室内温度分布不均匀，且同一位置的温度也存在波动。
师：如果关闭门窗，情况又如何？
【学生活动】关闭门窗后，再次测量。
生：随着时间的延长，测量结果趋于接近，温度变化幅度变窄。
【引导】可以推测，如果门窗密封性好，教室温度最终会趋于一致并保持稳定。在物理学中，把密封在教室里所有气体分子的整体称为热力学系统，简称系统，而系统以外与系统发生相互作用的其他物体统称为外界。门窗密闭稳定后的温度就是这个系统的温度，它反映了系统的哪方面性质？
生：系统此刻的冷热程度。
师：除了温度外，还有哪些物理量可以描述系统的状态？
生：……
师：力学的研究对象常常是单个物体，用什么物理量来描述物体的运动状态？
生：用位置、速度、加速度、动量、能量等物理量。
师：热学研究的是大量分子组成的系统所呈现的规律，从空间角度来看，单个分子呈现的是位置，大量分子呈现的是什么？
生：系统的体积。
师：大量分子的无规则运动会对外界频繁撞击，这种持续的撞击对外体现在什么方面？
生：压强。
【引导】在物理学中，为了描述气体的状态，可以用体积（V）这个几何参量来表征系统的空间范围，用压强（p）这个力学参量来表征系统与外界或系统内部各部分之间的力的作用，用温度（T）这一热力学参量来表征系统的冷热程度。
师：教室里的气体状态常常处于变化之中，在什么条件下状态参量才会保持不变？
生：系统封闭，与外界没有能量交换且经过足够长的时间后，系统将达到热平衡。
【引导】如果一个与外界没有物质和能量交换的封闭系统，经过足够长的时间，系统各部分的状态参量能够达到稳定状态，这个状态叫平衡态，否则就是非平衡态。
【思考讨论】把一根长铁丝的一端插入100 ℃沸水中，另一端置于0 ℃的恒温源中，经过足够长时间，温度沿铁丝呈一定梯度分布，且不随时间变化，这种状态是平衡态吗？
【归纳】平衡态是系统不受外界影响时，状态参量保持不变的状态。虽然长铁丝各处的温度按一定梯度分布，不随时间变化，但这种状态是铁丝与外界热交换的条件下形成的，一旦没有热交换，铁丝各部分的温度会变化。所以，此状态不是平衡态，只是一种稳定的状态。
师：从微观角度来看，组成系统的分子运动各不相同，为什么会呈现出平衡态？
生：平衡态是指系统内大量分子的平均效果不随时间而改变，虽然每个分子运动不相同，并随时间迅速变化，但它们相应的微观量统计平均值是保持不变的。
师：平衡态是一种动态平衡，它真实存在吗？为什么热学中通常将气体作为首要研究对象？
生：系统完全不受外界影响是不可能的，平衡态是一种理想状态；在热学中，首先把气体作为研究对象的原因是它的体积和压强随温度变化得更明显。
【设计意图】创设问题情境，让学生反思生活中温度测量的问题，营造自我认知不足的氛围，有效激发学生探究新知的积极性，由被动接受知识转变为在真实情境中主动建构知识，从而实现学习方式的转变。
由物理学史可知，物理概念不是凭空产生的想象物，都有现实原型和产生背景。以教室里冷热变化为原型引入系统的概念，让学生在动手活动中感知热学现象，建构物理概念，可以化抽象为直观，既可以消除学生对抽象概念的紧张感，又可以调动其学习兴趣，帮助其深刻理解概念。采用类比方法，结合研究对象的特征创设问题情境，能够将系统状态参量的现实背景与原型展现出来，学生可以从中感受到概念产生的自然性，并沿着知识生成的脉络完成物理概念的建构。
3 实验与理论交融，引领概念的科学建构
【引导】热学除了研究系统在平衡态时的性质外，还要研究系统与外界相互作用的规律。我们可以先来探究：两部分水相互接触后，温度这一状态参量会如何变化？
【实验】如
图1所示，用挡板将泡沫容器分隔为A、B两部分，并分别注入温度不同的水（
TA>
TB）。用DIS实验系统监测A、B两部分的初始温度。撤去隔板后，该系统可实时绘制出两部分温度随时间变化曲线，如
图2所示。
师：撤去隔板后，A、B两部分温度是如何变化的？
生：由于A部分的水放出热量，B部分的水吸收热量，两者冷热程度的差异会随着时间的推移而慢慢变小，最终温度相同，两者之间不再传递热量。
【引导】像这样，两系统接触后，经过一段时间，各自的宏观状态参量不再随时间变化，我们就说它们处于热平衡状态。如果一个系统分别与另外两个系统达到热平衡，那么这两个系统之间是否处于热平衡状态呢？
生：也处于热平衡状态。
师：宏观状态下，热平衡的体现是温度相同；从微观角度来看，两系统从非平衡态到平衡态的内部机理是怎样的？
【学生讨论并归纳】温度越高，分子运动越剧烈，平均速率越快。从非平衡态到平衡态的过程可以理解为：当两个温度不同的物体接触时，分子平均动能较大的系统会向分子平均动能较小的系统传热，直至两者的热运动剧烈程度在统计意义上趋于一致，即两系统的分子平均动能相等。
师：从运动和能量角度来看，处于热平衡状态两系统的微观特征是什么？
生：分子运动的平均速率和平均动能相同。
【引导】这个“平均动能”体现了分子热运动的剧烈程度，我们把表征这一“共同的热学性质”的物理量叫作温度。一切达到热平衡的系统都具有相同的温度，温度是决定一个系统是否达到热平衡状态的物理量。
【思考讨论】用温度计量体温时，一般要过一段时间（约5 min）后，才能取出温度计并读数，这是为什么？明明看的是温度计，凭什么说它上面的示数就是你的体温值？
【归纳】人体和温度计分别是两个系统，它们接触后需要一定的时间才能达到热平衡，这时温度计的温度就是人体的温度。
【设计意图】在温度概念的形成过程中，蕴含着丰富的思想方法。采用宏观（实验观察）和微观（理论分析）两个角度相互印证的方法来探究“热平衡”概念，既可以帮助学生深刻理解“热平衡”和“温度”概念，更便于清楚了解温度的宏观意义与微观意义之间的联系；同时，可以有效渗透热学这一独特的研究方法和思维方法，引导并促进学生形成严谨的科学态度与价值观。
根据生活中的问题——“测温时间”创设问题情境，让学生思考并讨论，旨在引导学生将所学的物理概念进行迁移、拓展，解决现实生活中的问题。学生可以在解决问题的过程中进一步强化对温度概念的理解，升华其内涵，促进物理观念的形成与发展，同时也为后面的温度测量作好知识上的铺垫。
4 渗透科学方法教育，助力素养提升
师：如何将温度的数值直观地呈现出来？
生：用温度计。
师：常见的水银温度计是如何将温度显示出来的？
生：由于水银的体积随着温度的升高而发生膨胀，我们可以根据细管中水银柱的高度与温度的线性关系来反映温度的数值。
【思考讨论】这里的水银就是测温物质，水银温度计直接测量的不是温度本身，而是水银柱的高度。那么，其他的温度计直接测量的是什么呢？
【归纳】声学温度计是利用声波在气体中的传播速度与热力学温度之间的关系来实现温度测量；电阻温度计是基于材料的电阻随温度变化这一特性来测量温度；辐射温度计是利用物体辐射的能量随温度变化的原理来显示温度；等等。
师：测温物质确定后，要想准确地知道被测物体的温度，还需要做什么？
生：确定温度零点和分度方法。
师：温标就是对温度零点、分度方法所做的规定，目前有哪些温标？
【学生阅读】阅读3种温标确立的材料。
【归纳】①摄氏温标：标准大气压下冰的熔点为0 ℃，水的沸点为100 ℃；把玻璃管上0 ℃刻度与100 ℃刻度之间均匀分成100等分，每一等分算作1 ℃。
②华氏温标：把纯水冰点时的温度定为32 ℉，而把一个标准大气压下水沸腾时的温度定为212 ℉，再把两者之间分为180等分，每一等分代表1华氏度，用符号℉表示。
③热力学温标：以绝对零度（0 K）为最低温度，规定水的三相点的温度为273.16 K，1 K定义为水三相点热力学温度的1/273.16。
④热力学温度T与摄氏温度t的关系：T（K）=273.15+t（℃），且规定热力学温度的1 K与摄氏温度的1 ℃在量值上相等，即T=t。
【思考讨论】为什么通常采用摄氏温标来表示温度？
【归纳】①冰水混合物和沸水容易获得，且冰点（0 ℃）和沸点（100 ℃）的温度比较稳定，容易标记刻度。
②华氏温标将当地的最低气温作为0 ℉，人体的正常体温作为100 ℉，这是不科学的。原因是每年的最低气温都在发生变化，且人体的体温并非固定值。
③热力学温标出现相对较晚，日常使用起来不是很方便。
【设计意图】用问题引导学生开展“思考讨论”。学生经历液体温度计的制作和设计过程，理解温度计工作原理，体验转换法在物理探究中的应用，深刻理解温度测量中“分析和综合”两种思维方法的作用。
采用“阅读思考”形式，让学生了解3种温标确立的观点及方法，经历科学家的分析、论证过程，理解确立温标的重要性，同时也可以学习科学家的创造性思维方式和科学方法；分析3种温标的优缺点，从中选择合适的标准作为生活中常用的温度计标定刻度，可以培养学生的思辨能力和胆识，学会倾听和尊重他人的意见，从而培养学生的包容性和多元思维。
5 结语
实践证明，在“温度和温标”一节课的教学中，创设问题和实验情境，帮助学生建构物理概念，可以取得较好的教学效果。表现为：以“认识温度概念”为主线，把教学内容和学生的生活实际联系起来，从定性到定量、从单一物体到热力学系统、从宏观现象到微观解释等多个维度展开教学
［2］，可以将抽象的热学概念直观自然地呈现出来，帮助学生循序渐进地理解、建构、应用概念。在具体实施后还发现，物理概念的呈现更加自然，学生对温度和相关热学概念的理解困惑得以消除，他们既学会了探究热学的基本方法，又激发了学习热情和兴趣，更促进了自身物理观念的形成与发展，显著提升了科学素养。
2022年度江苏省教育科学规划课题“利用传感和AR软件技术优化高中物理实验的区域实践研究”编号(B/2022/03/06)
京公网安备11010202008535号
PDF
(595KB)
