陳莉 賀嬌娜 鄭敏

【摘要】“熱”是生活中常見(jiàn)的現(xiàn)象之一。小學(xué)生對(duì)于“熱”的前概念與科學(xué)概念之間在認(rèn)識(shí)和理解上存在的差異，對(duì)小學(xué)科學(xué)“熱”的教學(xué)具有極為重要的意義。本文以《小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》中的分解概念為依據(jù)，設(shè)計(jì)了關(guān)于“熱”概念的二段式調(diào)查問(wèn)卷。通過(guò)對(duì)湖南省多所學(xué)校小學(xué)生的調(diào)查，分析得出了以下結(jié)論：大部分小學(xué)生對(duì)“溫度的改變會(huì)影響物體體積”以及“熱賬冷縮”等有比較科學(xué)的認(rèn)識(shí)，而對(duì)于“熱”“熱量”“熱能”“熱量與質(zhì)量的關(guān)系”和“熱傳遞的本質(zhì)”等的認(rèn)識(shí)與現(xiàn)代熱力學(xué)存在著差距。

【關(guān)鍵詞】熱;前概念;科學(xué)概念

1.研究背景

“熱”是人類生活中常見(jiàn)的物理現(xiàn)象。人自出生起就開(kāi)始接觸“熱”這一概念。什么是“熱”？為什么我們感覺(jué)到“熱”？如何表達(dá)和領(lǐng)悟“熱”的含義？似乎是從孩提開(kāi)始，人類就在交流中建立了對(duì)“熱”的認(rèn)識(shí)。這種在生活中建立的“熱”的相關(guān)概念，即“熱”的前概念，它與現(xiàn)代科學(xué)的“熱”的概念一致嗎？如果一致，則小學(xué)科學(xué)課程中有關(guān)“熱”的學(xué)習(xí)就十分簡(jiǎn)單了。如果不一致，則哪里不一致？這一問(wèn)題的答案，對(duì)于全球的科學(xué)教學(xué)來(lái)說(shuō)意義重大。

世界各國(guó)科學(xué)教育都十分注重“熱”的學(xué)習(xí)。美國(guó)《下一代科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)》要求小學(xué)生掌握“能量可以通過(guò)聲音、光、熱和電流從一個(gè)地方傳遞到另一個(gè)地方”“無(wú)論加熱、冷卻或混合物質(zhì)時(shí)發(fā)生何種變化，物質(zhì)的總質(zhì)量保持不變”“加熱或冷卻導(dǎo)致的變化有些是可逆的，有些則不是”等知識(shí)[1]。我國(guó)《小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（以下簡(jiǎn)稱“《標(biāo)準(zhǔn)》”）中需要學(xué)習(xí)的“熱”的主要概念是：“熱可以改變物質(zhì)的狀態(tài)，以不同方式傳遞，熱是人們常用的一種能量表現(xiàn)形式。并把這一主要概念分解成三個(gè)具體概念，即：（1）用溫度來(lái)表示物體冷熱的程度;攝氏度是溫度的一種計(jì)量單位。（2）加熱或冷卻時(shí)物體的體積會(huì)發(fā)生變化;加熱和冷卻也可以改變某些物質(zhì)的狀態(tài)。（3）熱可以在物體內(nèi)和物體間傳遞;通常熱從溫度高的物體傳向溫度低的物體[2]。

在日常生活中，“熱”有兩種含義：一是“熱能”（Thermalenergy），是指物體內(nèi)部分子或原子的運(yùn)動(dòng)，也叫內(nèi)能;二是“熱量”（heat），是指由于溫度差別而從高溫物體轉(zhuǎn)移到低溫物體的能量[1]。我國(guó)《標(biāo)準(zhǔn)》中的“熱可以改變物質(zhì)的狀態(tài)，以不同方式傳遞”，美國(guó)《下一代科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)》中的“無(wú)論加熱、冷卻或混合物質(zhì)時(shí)發(fā)生何種變化，物質(zhì)的總質(zhì)量保持不變”“加熱或冷卻導(dǎo)致的變化有些是可逆的，有些則不是”等，這里的“熱”就是指“熱量”。熱量和功是系統(tǒng)狀態(tài)變化中伴隨發(fā)生的兩種不同的能量傳遞形式，是不同形式能量傳遞的量度，它們都與狀態(tài)變化的中間過(guò)程有關(guān)，因而不是系統(tǒng)狀態(tài)的函數(shù)'由此不難推導(dǎo)出我國(guó)課程標(biāo)準(zhǔn)中的分解概念“加熱或冷卻時(shí)物體的體積會(huì)發(fā)生變化;加熱和冷卻也可以改變某些物質(zhì)的狀態(tài)”和“熱可以在物體內(nèi)和物體間傳遞，通常熱從溫度高的物體傳向溫度低的物體”，這里的“熱”也是指“熱量”。我國(guó)“《標(biāo)準(zhǔn)》”中“熱”的主要概念的下半句“熱是人們常用的一種能量表現(xiàn)形式”、美國(guó)《下一代科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)》的“能量可以通過(guò)聲、光、熱和電流從一個(gè)地方被傳遞到另一個(gè)地方”，這里的“熱”是指“熱能”。我國(guó)“《標(biāo)準(zhǔn)》”中的分解概念“用溫度來(lái)表示物體冷熱的程度”中的“熱”也是指物體的“熱能”。熱能（內(nèi)能）是物體內(nèi)部分子動(dòng)能和分子勢(shì)能的總和，溫度是物體內(nèi)部分子平均動(dòng)能的標(biāo)志。所以，“熱”是指物體內(nèi)部分子熱運(yùn)動(dòng)的劇烈程度高，而“冷”是指物體內(nèi)部分子熱運(yùn)動(dòng)的劇烈程度低。物體的分子勢(shì)能與物體的體積有關(guān)，加熱或冷卻會(huì)改變物體的分子勢(shì)能，所以“加熱或冷卻時(shí)物體的體積會(huì)發(fā)生變化，加熱和冷卻也可以改變某些物質(zhì)的狀態(tài)”。

2.研究方法

然后根據(jù)具體概念設(shè)計(jì)問(wèn)題和答案（見(jiàn)表1）

從前面的分析得出，科學(xué)課程需要小學(xué)階段了解“熱”的主要問(wèn)題有：熱是什么;溫度與熱的關(guān)系;熱量的傳遞條件和方式;熱能的本質(zhì)及其表現(xiàn)等。根據(jù)以上問(wèn)題，考慮到小學(xué)生的審題能力和答題水平，我們制訂了“熱”的概念的調(diào)查問(wèn)卷。

2.1問(wèn)卷形式

問(wèn)卷采用二段式測(cè)驗(yàn)：第一部分以選擇題的形式呈現(xiàn)，由受試者選擇主要概念;第二部分以填空題的形式呈現(xiàn)由受試者填寫判斷的理由。這樣的出題形式不僅可以測(cè)出小學(xué)生對(duì)問(wèn)題的主要概念的掌握倩況，同時(shí)可以看出其答案選擇背后的因素，看出小^學(xué)生概念的脈絡(luò)性[4]。

2.2問(wèn)卷內(nèi)容

問(wèn)卷設(shè)計(jì)參考《標(biāo)準(zhǔn)》中的概念分層模式，以其中的科學(xué)概念為維度，通過(guò)進(jìn)一步分解得出具體概念，

3.問(wèn)卷調(diào)查及結(jié)果分析

3.1數(shù)據(jù)來(lái)源與樣本情況

本次研究采用抽樣調(diào)查，對(duì)湖南省長(zhǎng)沙市和益陽(yáng)市安化縣共5所學(xué)校的小學(xué)生進(jìn)行了全員調(diào)查（見(jiàn)表2），共發(fā)出問(wèn)卷673份，回收問(wèn)卷673份，有效問(wèn)卷為663份（其中10份問(wèn)卷未完成作答，視為無(wú)效處理）。回收率為100%，有效率約為98.5%。

3.2問(wèn)卷結(jié)果及分析

3.2.1對(duì)“溫度的變化是否改變物質(zhì)的質(zhì)量”的理解

對(duì)于題目“某常溫下為500克的鐵塊，如果把它加熱到70T再去稱的結(jié)果是（）”很多人會(huì)認(rèn)為這是關(guān)于熱量交換的題目，但仔細(xì)分析可以發(fā)現(xiàn)，該題是在測(cè)驗(yàn)“溫度是物體內(nèi)部分子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的標(biāo)志，與物體的質(zhì)量無(wú)關(guān)”，具體地說(shuō)，就是“溫度的變化不會(huì)改變物質(zhì)的質(zhì)量”（見(jiàn)表3）。

從表3可以看出，42.9%的小學(xué)生認(rèn)為溫度的變化與質(zhì)量無(wú)關(guān)，57.1%的小學(xué)生認(rèn)為溫度變化與質(zhì)量有關(guān)，其中21.7%的小學(xué)生認(rèn)為溫度和質(zhì)量正相關(guān)，35.4%的小學(xué)生認(rèn)為溫度和質(zhì)量負(fù)相關(guān)。在認(rèn)為溫度的變化與質(zhì)量無(wú)關(guān)的42.9%的小學(xué)生中，有36%的小學(xué)生明確地意識(shí)到“溫度與質(zhì)量沒(méi)有關(guān)系”，有6.9%的小學(xué)生理解不清楚或者存在錯(cuò)誤理解，如認(rèn)為“在1000丈之內(nèi)，或者是沒(méi)有熔化的情況下，鐵的質(zhì)量就不會(huì)變化”。如果該題改成“常溫下為500克的鐵塊，如果把它加熱到熔化再去稱的結(jié)果是（）”那么這些小學(xué)生可能就會(huì)放棄C答案。總而言之，大部分小學(xué)生有“溫度、熱能與質(zhì)量有關(guān)”的錯(cuò)誤概念，同時(shí)，還會(huì)表現(xiàn)出“熱量是有質(zhì)量的”的錯(cuò)誤觀點(diǎn)。

3.2.2對(duì)“加熱或冷卻時(shí)物體的體積會(huì)發(fā)生變化”的理解

熱脹冷縮是指物體受熱時(shí)會(huì)膨脹，遇冷時(shí)會(huì)收縮的特性。由于物體內(nèi)的粒子（原子）運(yùn)動(dòng)會(huì)隨溫度而改變，當(dāng)溫度上升時(shí)，粒子的振動(dòng)幅度加大，令物體膨脹;當(dāng)溫度下降時(shí)，粒子的振動(dòng)幅度便會(huì)減小，使物體收縮[5]。但并不是自然界中所有的物體都是如此，

如在0丈-4丈的溫度范圍內(nèi)，水的體積隨溫度的升高而減小，表現(xiàn)為“冷脹熱縮”。對(duì)于小學(xué)生來(lái)說(shuō)，“你聽(tīng)說(shuō)過(guò)熱脹冷縮嗎？”這一題目測(cè)驗(yàn)的不是對(duì)“熱脹冷縮”的本質(zhì)的理解，而是檢測(cè)小學(xué)生是否知道“加熱或冷卻時(shí)物體的體積會(huì)發(fā)生變化”這一事實(shí)，是否認(rèn)為“熱脹冷縮”是全概率事件（見(jiàn)表4）。

從表4可以看出，66.6%的小學(xué)生知道有“熱脹冷縮”現(xiàn)象，而且有54.6%的小學(xué)生知道不是所有物體都會(huì)熱脹冷縮，如“冬天水管會(huì)被凍裂”“水在低溫下會(huì)冷脹熱縮”。完全不知道熱脹冷縮的小學(xué)生有33.4%。總體來(lái)看，大部分小學(xué)生知道“熱脹冷縮”這一現(xiàn)象，并且很多小學(xué)生還能根據(jù)日常生活經(jīng)驗(yàn)推導(dǎo)出這一結(jié)論。無(wú)論小學(xué)生是否知道“熱脹冷縮”，基本上不會(huì)在“加熱或冷卻時(shí)物體的體積會(huì)發(fā)生變化”這一問(wèn)題上產(chǎn)生難以轉(zhuǎn)化的錯(cuò)誤概念。

3.2.3對(duì)“加熱和冷卻可以改變某些物質(zhì)的狀態(tài)”的理解

加熱和冷卻可以改變某些物質(zhì)的狀態(tài)，反過(guò)來(lái)說(shuō)，物質(zhì)的狀態(tài)的改變必然伴隨著加熱或者冷卻的過(guò)程?！岸旌芾鋾r(shí)會(huì)下雪，是下雪冷，還是化雪冷？”這一題目是考查小學(xué)生對(duì)“熱量”與“物質(zhì)的狀態(tài)變化”之間關(guān)系的了解（見(jiàn)表5，資料來(lái)源[6]）。

從表5可以看出，選項(xiàng)與理由部分都答對(duì)的比例為21.7%?；谌粘Ｉ罱?jīng)驗(yàn)，小學(xué)生普遍認(rèn)為下雪是因?yàn)樘鞖饫涞脑?，化雪是因?yàn)橛刑?yáng)，有太陽(yáng)就會(huì)熱，但不能理解是因?yàn)橛袩崃繀⑴c，雪才化為水。

3.2.4對(duì)“傳遞有多種形式”的理解

“真空中，能不能發(fā)生熱傳遞？（）”這一題目測(cè)驗(yàn)的是熱傳遞需不需要介質(zhì)。準(zhǔn)確地說(shuō)，熱傳遞有三種形式：有的傳遞形式需要介質(zhì)，如熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流;有的傳遞形式不需要介質(zhì)，如熱輻射;真空中可以發(fā)生熱輻射（見(jiàn)表6）。

從表6可以看出，29.9%的小學(xué)生知道“真空中能發(fā)生熱傳遞”，但是只有2.4%的小學(xué)生能夠說(shuō)出太陽(yáng)的例子，27.5%的小學(xué)生在闡述理由時(shí)表現(xiàn)出對(duì)該問(wèn)題的理解偏差很大。因?yàn)橛械男W(xué)生不知道真空是什么，他們認(rèn)為“真空里面有空氣，有物質(zhì)'真空是一種“隔的東西”，所以他們認(rèn)為它能夠傳播熱，這樣的理解和回答與選項(xiàng)B的理解實(shí)質(zhì)上是一樣的。有的小學(xué)生選擇A，理由是他們認(rèn)為真空本身就有“熱”，不管他們認(rèn)為的“熱”是物體還是能量，總之，都偏離了對(duì)熱傳遞的本質(zhì)的認(rèn)識(shí)。36.6%的小學(xué)生認(rèn)為真空中不能發(fā)生熱傳遞，理由幾乎都是“熱傳遞需要介質(zhì)”。另外，33.5%的小學(xué)生填寫了“不知道”。總體來(lái)看，對(duì)于這一問(wèn)題，大部分小學(xué)生都不能夠正確理解。

3.2.5對(duì)“熱傳遞的方向”的理解

熱傳遞具有方向，“對(duì)一塊鐵板的中心點(diǎn)位置進(jìn)行加熱，熱傳遞的時(shí)候會(huì)是下列哪一種情況？（）”和“在一個(gè)空房間放一桶冰，過(guò)一段時(shí)間，房?jī)?nèi)的溫度下降了，是因?yàn)椋ǎ眱蓚€(gè)題目都是測(cè)驗(yàn)“熱傳遞是熱量從高溫物體傳到低溫物體的，具有方向性”的（分別見(jiàn)表7、表8）。

從表7可以看出，5.0%的小學(xué)生認(rèn)為熱會(huì)沿著一個(gè)方向直線傳遞，8.4%的小學(xué)生認(rèn)為熱會(huì)向左、右兩個(gè)方向水平傳遞，86.6%的小學(xué)生認(rèn)為熱會(huì)以圓心為起點(diǎn)向四周散開(kāi)。在正確答案C中，有74.6%的小學(xué)生能夠準(zhǔn)確描述這一現(xiàn)象，另有12.0%的小學(xué)生在回答時(shí)表達(dá)出一些錯(cuò)誤概念，如“熱量”“冷量”和“熱是氣”等。

從表 8 可以看出，31.5 % 的小學(xué)生認(rèn)為冰會(huì)將冷傳給房間，59.6 % 的小學(xué)生認(rèn)為冰會(huì)將冷傳給房間的同時(shí)房間也會(huì)將熱傳給冰。只有8.9%的小學(xué)生認(rèn)為是房間將熱傳給了冰，但在闡述理由時(shí)并沒(méi)有提到熱傳遞的方向，即熱傳遞的方向是從高溫物體傳向低溫物體，而不是相反，這說(shuō)明小學(xué)生的選擇帶有一定的偶然性。

“ 溫室中有兩塊一樣的冰，如果把其中一塊用棉衣裹上，哪塊冰融得更快？（ ）”這一題目是考查小學(xué)生在理解熱傳遞方向的基礎(chǔ)上的升級(jí)理解。在進(jìn)行熱交換的“ 冰 ”和“ 空氣 ”之間加入“ 棉衣 ”這一物質(zhì)后，由于棉衣的阻隔，因此熱傳遞的速度減緩了（見(jiàn)表 9）。

從表 9 可以看出，67.2 % 的小學(xué)生在這一問(wèn)題的理解上出現(xiàn)了與科學(xué)概念不符合的前概念，普遍認(rèn)為“ 棉衣有熱量，而且熱量比較大 ”。25.8 % 的小學(xué)生認(rèn)為沒(méi)有用棉衣裹住的冰塊融化得更快，其中部分小學(xué)生能夠準(zhǔn)確描述棉衣對(duì)冰塊的作用，即“ 阻擋了熱空氣與冰的熱交換 ”;部分小學(xué)生的描述分不清“ 熱量 ”和“ 溫度 ”，如“ 因?yàn)楸幻抟鹿〉哪菈K被擋了一點(diǎn)溫度，而沒(méi)有用棉衣裹住的那塊沒(méi)有被擋一點(diǎn)溫度 ”。另有 6.9 % 的小學(xué)生的描述與題意無(wú)關(guān)。另外，還有小部分小學(xué)生認(rèn)為棉衣沒(méi)有熱量，所以它對(duì)冰塊融化的速度沒(méi)有影響。

4.結(jié)論

前概念是指學(xué)習(xí)者在接受正式的科學(xué)教育之前，在現(xiàn)實(shí)生活中通過(guò)長(zhǎng)期的經(jīng)驗(yàn)積累與辨別式學(xué)習(xí)而獲得的一些感性印象、積累的一些經(jīng)驗(yàn) [7]，相異概念是學(xué)習(xí)者對(duì)一系列可理解的自然現(xiàn)象和物體建構(gòu)了基經(jīng)驗(yàn)的解釋 [8]。學(xué)習(xí)者在解釋時(shí)是有理由的，有時(shí)候于也是合理的，因此并不是所有的前概念都是錯(cuò)誤的 [9]。基于此，對(duì)于某個(gè)小學(xué)生的回答，如果他回答“ 不知道 ”，則表示他對(duì)于所問(wèn)的問(wèn)題沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)然也就不存在所謂的前概念;如果他先答對(duì)了事實(shí)，但在理由上回答“ 不知道 ”，則我們認(rèn)為他可能不知道自己從什么途徑知道了這一事實(shí)，但是沒(méi)有做深層的思考，說(shuō)明他頭腦里沒(méi)有太多的經(jīng)驗(yàn)，所以他具有前概念但是沒(méi)有錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)。通過(guò)本次調(diào)查，對(duì)于小學(xué)生“ 熱 ”的前概念得出了以下結(jié)論。

4.1小學(xué)生對(duì)于“熱”的前概念和科學(xué)的“熱”概念之間的認(rèn)識(shí)存在著巨大的差異

4.1.1對(duì)“熱”這一詞語(yǔ)的辨析不清楚

在中文的日常語(yǔ)言表達(dá)中，“ 熱 ”至少有三種含義：（1） 指“ 溫度高 ”;（2） 指物體的“ 熱能 ”;（3） 指“ 熱量 ”。對(duì)此，大部分小學(xué)生都不能夠清楚地區(qū)分。

4.1.2 對(duì)“熱能”和“熱量”兩個(gè)概念認(rèn)識(shí)混淆

部分小學(xué)生會(huì)把“熱能”和“熱量”兩個(gè)概念看成是一個(gè)意思，部分小學(xué)生雖然覺(jué)得這兩個(gè)概念是兩 個(gè)詞，應(yīng)當(dāng)有所區(qū)別，但是在實(shí)際運(yùn)用上又會(huì)將它們 混為一體。他們會(huì)說(shuō)“棉衣有熱量”，也會(huì)說(shuō)“火把熱量傳遞給了鐵”。

4.1.3 認(rèn)為“熱量有質(zhì)量”

他們認(rèn)為“熱量有質(zhì)量”，而不能理解“熱量是一種能量”“熱量不是物質(zhì)”等概念。

4.1.4 對(duì)“熱傳遞的方向”的理解有偏差

大多數(shù)小學(xué)生知道“熱量會(huì)傳遞”，但是很多小學(xué)生認(rèn)為不僅“熱量從高溫物體傳向低溫物體”，而 且“低溫物體可以把冷量傳給高溫物體”。所以很多小學(xué)生會(huì)說(shuō)“用棉衣包住冰塊是阻止了冰塊把冷量傳出去”。

4.1.5 對(duì)“溫度”“熱能”和“質(zhì)量”之間的關(guān)系不清楚

他們認(rèn)為“溫度與質(zhì)量有關(guān)”“物質(zhì)熱了質(zhì)量會(huì) 改變”等。除了對(duì)“熱”這一詞語(yǔ)的辨析不清楚之外，小學(xué)生也不能夠準(zhǔn)確地解釋有關(guān)“熱”現(xiàn)象的諸多問(wèn)題，這是小學(xué)生尚未接觸到分子運(yùn)動(dòng)理論的緣故[10]。

4.2小學(xué)生在關(guān)于“熱”的前概念中，有一些認(rèn)識(shí)和理解與科學(xué)概念之間沒(méi)有沖突

這個(gè)主要表現(xiàn)在大部分小學(xué)生知道“溫度的改變”會(huì)影響“物體的體積及其存在狀態(tài)”，如他們會(huì)說(shuō)“溫度升高，冰會(huì)融化成水;溫度再升高，水會(huì)變成水蒸氣”。很多小學(xué)生知道“熱脹冷縮”，能夠在理解“熱脹冷縮”時(shí)，把“溫度”和“體積”聯(lián)系起來(lái);他們也知道不是所有的物體都能“熱脹冷縮”，同時(shí)能夠舉出水和冰體積變化的例子。

（本文作者陳莉、鄭敏系湖南第一師范學(xué)院副教授;本文作者賀嬌娜系湖南第一師范學(xué)院學(xué)生）

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