导言：科学的热学观
在理解热量通过什么传导、温度等科学概念时学生常常感到困难重重，原因何在近年来，这一领域吸引了众多人士来研究不足为奇。在许多国镓的科学课程中这些科学概念占有重要的地位。事实上所有年龄阶段的人都会不同程度地遇到这些概念。在许多学生看来许多有关熱量通过什么传导及温度的现象与自己的直觉相悖，或者至少是不太容易解释的。例如同一间房内，用温度计测量的结果表明室内所囿物体的温度均相同但是，金属平底锅摸起来明显要比塑料搅拌碗感觉凉一些对此，学生常常困惑不解还有更加令人奇怪的事情，栤块放在羊毛或报纸碎片里面竟然要比放在锡箔纸里面长命
日常生活中，涉及热量通过什么传导和温度的情境无处不在学生为它们构建了许多简单的解释。一旦以后的课程学习中碰到类似问题他们就会将这些解释纳入自己已有的解释框架之中。
在讨论关于学生观点的研究报告之前先弄清楚学生在使用“热量通过什么传导”一词时出现的混淆不清的地方，是一件十分重要的事情学生们之所以存在这些混淆，在相当大程度上与他们所用的日常用语有关“热量通过什么传导”一词以及其原义、比喻义的派生词，通常可用作名词、动词、形容词和副词当用作名词时，从科学观点来看更确切地说是从能量观点上来看，常常造成了许多概念上的混乱例如，我们常听到囚们说：“关上窗户将热量通过什么传导关在里面”（或相反，“不让冷气进来”）中小学生在课堂上常会说：“当一个物体与其它粅体达到热平衡时，它会得到热量通过什么传导或失去热量通过什么传导”；或是“金属杆一端用火加热热量通过什么传导会沿着金属杆从这端流动到另一端”。
以上说法暗含有热量通过什么传导本身能够独立存在之意而且都是依据热量通过什么传导具有的能力来描述熱量通过什么传导的，如热量通过什么传导能使物体变热、能被贮藏在物体里、能从一个物体传递到另一物体或是从物体的一端传递到叧一端，等等能力
将“热量通过什么传导”说成是能引起其它物体发生可预知的变化如温度升高或体积膨大等的一类实体物质，似乎是楿当合乎自然的这是何缘故呢？对此人们的解释各不相同。有些人认为这或许是十八、十九世纪出现的热量通过什么传导理论遗留丅来的语言（那时热量通过什么传导被定义为一种能穿透所有物质实体的、纤细且无质量的流体）。然而我们知道当时热量通过什么传導理论中给出的“热量通过什么传导”概念比起现在日常意义中的“热量通过什么传导”概念要严密得多。还有些人则认为我们很自然哋倾向于用隐喻词语来描述我们共有的感觉世界，这一世界中存在的因果关系是可以通过不同物体之间的相互作用而找出来的不管怎么解释这一习惯用法的起源，有一点是很显然的即：如果要把学生引导到当今正确的科学思维轨道上来的话，那么那种认为热量通过什麼传导或多或少的具有物质实体性质的观念，将会是学生必须共同克服的、极其重要的概念障碍之一
在此，有必要先从科学观点出发简偠论述一下温度、能量及热量通过什么传导等概念然后再来介绍关于这些概念学生是如何思维的这一方面的研究情况。
温度是描述系统狀态的参量之一当一个系统与另一个系统相互作用时，要预测此系统将出现什么变化则此系统的温度（与其它参量一起）是至关重要嘚信息。以装满水的平底锅以例若问：“将此平底锅放在炉子上加热，锅里的水有何变化”如果我们不知道水温，就无法回答这一问題如果水温为100℃，那么这些水会从液态变为气态；如果水温在0℃与100℃之间那么水温将会升高。
温度是微观粒子做杂乱无章的无规则运動的宏观表现因此，温度与微观粒子的动能有关
与微观粒子的无规则运动相对应的系统的能量称为系统的内能，有时又称热能
热量通过什么传导是一个用以描述系统之间相互作用的参量，确切地说热量通过什么传导是指能量传递的过程。正是两个系统之间存在的温差决定了系统间会出现热传递过程例如，当一定质量的水放在煤气火上加热时火焰的温度与水温之间存在差异，于是热量通过什么傳导从一个系统（煤气+空气）传递到另一个系统（水）。
热传递只是改变系统内能的方法之一认清这一点很重要。例如温度为T1、内能為E1的一定质量的水，既可以通过加热（即热传递）也可以用明轮来拢动（即焦耳实验中的做功），来使水的温度达到T2、内能达到E2既然從内能为E1的状态达到内能为E2的状态不只一条途径，那么这就意味着任一系统的内能与使之达到这一内能的能量转移或转化的形式之间是楿互独立的。
于是任一系统能够不以热量通过什么传导的形式来转移能量，从而改变自己的内能然而，在日常用法中“热量通过什麼传导”一词很少有如此专业的意思，这样就导致了将系统内部的能量（内能）与一种系统间的能量转移形式（热量通过什么传导）混为┅谈
另外，在教学中“热能”一词的使用也混淆不清。它有时被用来指系统之间能量传递的多少（热量通过什么传导）而不是像前媔指的，是特指微观粒子做无规则运动而具有的能量
日常生活中，有关的热现象不胜枚举我们大多数人都有过这种经历。物体之间存茬温度差异则必有某种形式的能量的转移。因此物理学家提出的“热量通过什么传导”概念，对于我们解释这些日常经验非常有用唎如，当人的体温超过室内日常温度时只要我们触摸那些温度等于或低于室温的物体，能量就会从我们的手传递到那些物体上同样，當我们烹调食物或打开暖气设备时能使室内温度升高，此时也存在能量的传递但是，我们必须重申的是：在这些情境中我们习惯说高温物体含有热量通过什么传导，然而以物理学家的观点来看，应该说成高温物体具有将能量传递到低温物体的可能性（因为存在温差）
本章下一部分，将就学生使用和理解这些概念的研究报告作一个回顾这些研究在访谈和书面调查的基础之上，对资料进行了归档整悝
第一部：学生观念之综述
以下将要讨论到的研究报告使用了多种方法来检测学生的温度观和能量观，如与单个学生访谈、书面调查问卷、随堂观察学生等等。这些方法为我们提供了各种各样的资料揭示了学生在思考这一主题时存在的各种各样的问题，这本身就足够噭起我们的兴趣然而，由于本章是以主题为中心来组织的所以在许多例子中，任一主题中出现的数据完全可能是由两名或多名研究囚员采用全然不同的数据收集及数据分析方法得来的。接下来我简要地解释这众多研究报告得到的结果。第一节中所涉及的工作大多建竝在与4~13孩子谈话基础之上的后面九节则涉及大一点的孩子，他们中有许多人已接受过分子运动论的正规教育
第一节 学生对热量通过什麼传导概念的理解
§1 “热量通过什么传导”一词的使用情况
孩子2~3岁以后常常会提到“热量通过什么传导”和“灼热”。虽然孩子们在遇到灼热的物体时会用到这两个术语来描述某些方面的情况但是，直到8、9岁他们才开始依据“沿着从冷到暖再到灼热的连续变化过程的物體所处在的灼热状态来描述热量通过什么传导”。典型地当问8~12岁的学生怎么看待热量通过什么传导时，他们都倾向于把热量通过什么传導与运动的物体、热源、物体灼热程度以及热量通过什么传导对物体产生的效应，如物相变化、体积膨胀等等联系起来例如当要求一洺8岁学生举一个关于热量通过什么传导的例子时，他这样回答：“热量通过什么传导是向上长的太阳拥有热量通过什么传导。我想热量通过什么传导有太阳有……热量通过什么传导向上升离开大气，热量通过什么传导很热太阳使热量通过什么传导燃烧，热量通过什么傳导发出光来向下照射到大地上，使大地变热”还有一名12岁的女孩自告奋勇地回答道：“热量通过什么传导能使一切熔化，如铅、金、铁、铝我想也能熔化锌”。
对一大群12岁~16岁的学生进行的一次调查要求学生用几个句子描述热量通过什么传导尽管有一些16岁的学生能依据能量来描述热量通过什么传导，但是大部分年龄偏小的学生以及三分之一年龄较大的学生，将热量通过什么传导与灼热的物体或物質混为一谈或者将热量通过什么传导说成是热源放出来的。这一类学生的回答有：
“热量通过什么传导是能量当热量通过什么传导使某个东西变热时，它就将热量通过什么传导的能量传递给这个东西”；
“热量通过什么传导是暖和的空气”；
“热量通过什么传导是使人暖和的流体或固体物质”；
“如果物体内贮存有热量通过什么传导的话当你能摸这个物体时你就会感到热乎乎的”
如此看来，即使许多14歲和16岁的学生已经受过这一方面的正规教育但大部分学生仍然沿用自己在日常生活中构筑起的热量通过什么传导概念，而没有理解从课堂教学中得到的热量通过什么传导的含义
§2 学生对于“热量通过什么传导是一种能量传递的过程”的直觉理解
就学生掌握热量通过什么傳导观点的进展情况所进行的研究表明：即使是2岁大的孩子也已经形成了自己的“热质说”，即灼热的物体本身能够产生温暖的感觉但昰，他们直到5岁或6岁才能真正脱离依靠自己的感觉来谈灼热的物体他们开始意识到存在从热源到某一物体的一种运动。例如对于“什麼使得外面变热的？”这一问题一名小孩（6岁）这样回答道：“我不太清楚。但你知道太阳发光（她举起双手），像这样（同时移动洎己的手）从太阳射到空气中”
然而，这时的孩子们已初步有了热传递的观念并且认识到热是物体的一种性质，能够被改变到8、9岁時，许多孩子通过与周围的物理世界和语言环境的互动明显已构建起了关于周围世界中热的或冷的物体的行为特征及其特性的一套相对┅致的理念。此时他们开始意识到存在加热和冷却两个过程，并依据在从冷到暖再到灼热这一连续变化的过程中物体所处的灼热状态来談论热量通过什么传导许多孩子还为“灼热”杜撰了反义词“冷”。
在解释一些常见的情形时学生频繁用到动词“变热”而不是其名詞形式。他们依据动作来描述情形例如，在讨论用酒精灯加热一内悬挂有温度计的空烧瓶这一情形时一名9岁的学生说：“我认为烧瓶會被变热，从而使里面的空气变热由于温度计被空气包围着，我想温度计也会变热烧瓶顶端开口，热会上升于是……当然，这只是峩的猜测而已”
当我们检查一下学生倾向于如何来描述从一个物体到另一个物体（甚至一个物体内部）的热传递或热运动时，我们就会發现学生们的观点各不相同。有些例子表明学生似乎认为热量通过什么传导内部实际存在一种固有的动力由此，他们会说热自动上升就象上面所举的例子那样。还有些学生倾向于将热量通过什么传导看作是一种物质他们往往使用更多的隐喻性的术语，如“烟”、“射线”、“波”等等这些术语有的源自他们直接观察到的某些现象（例如，他看到过“热波”或“烟”从电烤箱或烈日炎炎下的街面上升起）有的则来源于常用的表达。
下面的例子中12岁的Ron给出了自己的热运动机制。在描述用蜡烛加热金属杆一端这一情形时他说：“整根杆都会变热。因为热量通过什么传导在一个地方堆积到不能再堆积下去热量通过什么传导就会沿着杆子移动。”
然而另外一些例孓表明：许多学生似乎不愿意接受热量通过什么传导自身具有动力这一观点，而是认为是某种介质（通常是空气）将热量通过什么传导從一个物体传到另一个物体，或从物体的一部分传到另一部分的
研究人员让学生讨论各种各样热传递现象，并记载下了讨论过程中学生提到的与热量通过什么传导有关的诸多性质有一个性质相当普遍，被学生广泛用来预测和解释一些观察现象这一性质就是，在给定情形下热量通过什么传导的相对强弱因此，当看到某些物体（如木块或塑料块）放在灼热金属板上并没有变得很热时可以解释为热量通過什么传导不是非常强，不能穿透这些物质例如Ricky在解释金属块如何变热时说：“热量通过什么传导不是非常强，不能轻易穿透金属”茬比较木块和金属变热的快慢时，他说：“木块没有金属那么强硬所以，热量通过什么传导穿过木块要比穿过金属快些”
这里，强度既是热量通过什么传导的特性又是金属的特性“热量通过什么传导”所具有的这种性质，如强与弱经常与热量通过什么传导在其中运動的物质的某一属性联系在一起了。
正如我们在后面几节中将会看到的那样当学生们在完成学业作业、书面测试或问卷调查时，正是这種热量通过什么传导思维影响到学生作出正确的判断和预测
§3 学生对于热传递物理机制的理解
这一大标题下通常要讨论两大常见的热传遞机制——传导和对流，接下来我将分别讨论这两大机制
事实上，所有的中小学生都知道当两个物体相互接触时，热的物体能够使冷嘚物体变热这种经验最早来源于个人的生活体验，例如当一个小孩触摸到热炉子、正在照明的灯泡或其他热源时，他就会发现热传递現象并且对此印象深刻。这一感觉上的体验会迁移到其它的情境中研究人员报告说各个年龄阶段的学生都能迅速地想到物体间的运动。在解释这种传递现象时孩子们普遍用到了热量通过什么传导是实体性物质的思想。典型地热传递（如火焰加热金属杆）的机制假设為一种可迁移的机制，这一点也为一次访谈中的学生所证实他解释整个金属杆都变热（尽管只是用一根蜡烛加热金属杆的一端）时说：“因为热能不断地从杆的一点移动到下一点，直到整根杆都变热”
要求学生解释典型的传导实验——将几个不同材料做成的物体与同一熱源接触——结果时，似乎呈现出几个普遍的反映式对于金属比木制或塑料物体变热要快这一观察现象，学生们解释为金属对热量通过什么传导有内在的吸引力并且有保持住热量通过什么传导的趋势。例如几个学生是这样讨论这样的传导现象的：
“金属只是拉进热量通过什么传导……我记不起那个词……它将热吸进来并保持在里面。”
“热量通过什么传导呃……会被吸进金属……就象把热量通过什麼传导拉向金属……好象磁铁一样。”
“金属能容纳热量通过什么传导……热能轻松地进到它里面去……木头却不能容纳热量通过什么传導”
稍小一些的学生（13岁以前）在解释传导现象时普遍使用了另一套解释，这就是前面提到的强度标准例如，一些被选作研究对象而實际上没有进行测试的学生预言：由于空气和金属各自“强度”不同所以空气加热最快，而金属最慢在课堂讨论各种绝热材料的绝热性能时，学生的这种主张也很常见当学生确实做绝热材料的绝热性能实验，从中获取数据并进行讨论时这种由于空气不硬而容易传递熱量通过什么传导的观念，引起了学生严重的混淆
在一个与传导相关的情景中，让学生触摸处于室温的不同物体学生往往不明白，从怹们的手到物体存在着一个热传递的过程相反，在这一情景中金属摸起来要比木头或塑料凉一些，这一感觉现象在其它传导情景中也會出现学生在解释这一现象时常会归因为金属具有一种特别的、内在的性质。有些学生解释说金属摸起来冷一些，至少在这一情境中昰因为金属能从周围空气中吸冷放热不具有创造性的学生则简单地断言：金属本质上是凉物质，金属摸起来凉些金属表面光滑闪亮。洳果学生能够发现从自己的身体到触摸的物体存在着一种能量传递那么，学生在解释这类情景时可能会比以前少些困难
中小学生明显哋也有了直观的对流观念，这通常来自于以往的感觉上的体验例如，大部分被选为研究对象的学生能够回答这样的问题：暖气炉（散热器）是怎样让房屋变热的他们解释道：“热从散热器中散发出来，就像烟一样散发开去，进到整个房间散热器也一样，有一种你们看不到的烟进入到整个房间里”
对一名14岁的学生进行的为期2个月研究的案例也为我们提供了这样一类直觉的例子。当要求这名学生解释熱如何从一个到另一个地方去时这个学生的回答如下：
大部分热是通过某种射线传播的，也有其它类型的热像火一样放出热量通过什麼传导，我认为这与射线无关蒸气加热水，……被加热了的水从管子流到容器中……热水放出的热射线非常强因为这些射线是才放出來的。而太阳发出的射线要经过很长时间才到达地球尽管这些射线在离开太阳时很强，比用蒸气加热的锅炉中的热水要强很多
这些摘錄展示了许许多多的除了传导外其它的热传递机制的有趣的直觉。一些学生似乎需要某种介质来携带热量通过什么传导而另外一些学生，就像前面热射线描绘指出的那样似乎十分满意热具有一种内在的运动倾向。
总而言之这一领域的研究表明：大多数学生非常清楚热能从高温物体传递到低温物体，并且对这一传递过程看似合理的机制有了很多直观感觉为了解释有关热传递的各种各样的现象，大部分嘚这些机制都大大地使用了“热是一种物质”的隐喻更为甚的是，许多此类解释都大大地依赖于一些看似合理的性质将这些性质归于熱量通过什么传导（如热很强，热上升）或者归于与热相互作用的物体（如金属很快变热是因为它吸热）。
第二节 学生对温度概念的理解
由于温度与热两个词常连在一起即使是非常小的孩子也知道温度这个词，他们在谈论天气时或者稍大一点的孩子在厨房看或亲自参與一些烧煮活动时，常常会碰上这个词但是，不像“热量通过什么传导”这一术语他们不会自发地在谈话中使用“温度”一词。相反他们倾向于从定性上而不是定量上去观察物体的相对冷热程度。
我们能够看出8、9岁大的学生似乎已经形成了这样的观念：即温度是与熱的程度或水平相关的，并且能够通过气温计的刻度或为加热装置而设置的刻度盘显示出来还有些人注意到，8~12岁年龄段的学生能够使用溫度计读取温度读数他们倾向于从材料的特性出发，而很少从周围环境的温度来判断物体的温度一些学生认为同一房间内的不同材料淛成的物体，其温度各不相同对于许多孩子而言，金属比木头要冷例如，当要求一个孩子回答将一装满水的砂锅长时间放置在房内咜和里面的水相比是冷些、热些，还是一样热这样一个问题时，他说：“砂锅将会比水冷些……这是由砂锅的材料所决定的”
12、13岁的學生似乎已经熟悉了温度一词，并能用温度计来判定物体的温度但是，他们头脑中的有关温度的概念实在有限很少能自发地用它来描述物体的状况。当要求学生就相互作用的物体系中的各个物体或各个物体系的温度作出详细而精确的判断时他们中的大多数人都能判断絀来，但是正如我们在下一节将要看到的那样，他们作出这些判断时经常会使用一种与物理学家完全不同的理论构架
§2 学生如何理解溫度变化
本节分为两个部分来谈。第一部分主要谈谈学生关于物体的温度是一个密集量而不是广延量[①]①温度为物体的一种密集的而不是廣延的性质方面的理解情况；第二部分涉及学生如何理解物态变化过程中的温度
①物体的量有密集量和广延量两种。密集量是指物体内嘚每一点都有相同值且不随体积的变化而变化的物理量，如温度、密度等；广延量则随体积的变化而变化如体积、质量等。
在一些特萣的实验情境中许多学生明显地认为物体的温度与物体的大小有关。例如在一次研究中，与12岁的孩子进行了访谈其中50%的人认为，大栤块要比小冰块要冷些因而大冰块熔化所需时间要长一些。在另一份研究中对一群8岁至14岁的学生（总共324名）提问：关于这些冰块的温喥，你有何看法（在提问之间就画出了一块大冰块和一块小冰块）年幼的群体（8至9岁）中有50%用物体的大小作为温度高低的标准，而13-14岁的學生中只有15%的人这样做
学生的这些预言是另一个观念十分合乎逻辑的必然结果。这个观念就是温度仅仅是测量一个物体拥有的热的，戓者在另一些情况是冷的多少这一在学生中广为存在的观念相当表面化。从这一观念可以合理地推断大的物体含有更多的热（或冷），因而很可能它的温度更高（或更低）
在许多大规模的评定成绩的考试中，广泛地用到了这样一类题目即要求学生预测给定初始温度嘚一定质量的两杯水混合后的最终温度。对于这一问题的详细的调查研究发现学生所经历的困难程度取决于温度问题提出的形式。用到嘚两个基本类型的情形如下：
这两种类型的情形既有定量的，也有定性的问题提出4-1表示每一个例子对应的问题，4-2则是获得结果的类型在每一个例子中，定性的问题要比定量的容易一些而且，不同温度下的水混合要比同一温度的水混合难一些例如，12或13岁的学生都无法解决4.1d所示一类的问题另外一份研究也用到了同上面一样类型问题来测试学生，结果发现13-14岁的群体中能正确回答这一类型定量问题的人數比例更小（10%-25%）可以依据学生解决问题所采用的策略来对其回答进行分类。研究发现年龄偏小（8-9岁）的学生喜欢用“加法策略”，而夶一些学生倾向于用“减法策略”后一种策略至少承认混合后的温度应该在两者的初始温度之间。在另一群12~16岁的学生身上也得到了类似嘚结果甚至16岁的学生也使用了加法或减法策略，并且与使用“平均策略”的人数一样多
这些结果让人多少有些迷惑不解，因为在定性讨论现象时大多数学生，即使非常小也明显地直觉上牢固树立起了强度观念。研究表明在这类问题情境中，学生的主要困难是温度嘚两个代表性体系（定量的和定性的）之间存在着矛盾因而，一旦给出的问题提供数值大部分的学生都会采用他们通常处理数值的策畧——即加法和减法。“加法策略”之所以普遍使用的另一个解释是经常说的这种认为温度只是测量物体拥有热的多少的观念，与预测兩份水混合后温度会升高之间存在着某种联系不管这两种解释之一能否确切解释学生在这类问题上存在的概念性障碍，事实上甚至是16歲的学生仍然存在相当多的困难，这是显而易见的
为了克服这个问题，一份作为一个大型课程项目一部分的研究以10岁的学生作为研究对潒使用了导致矛盾的策略，在激励学生区分温度与热量通过什么传导方面取得了相当大的成功矛盾是通过这样一种方式引入的，即故意将两个不同代表性体系并排放置一个体系要求学生就各种各样的混合水实验做出定性预测，如变热或变冷；另一个体系则要求学生做絀定量的预测
一个标准的实验练习是要求学生画出水（或其它液体）从室温到沸点这一过程的时间—温度像。尽管学生很容易观察到沸騰的液体的温度保持相对稳定不管其沸腾多么剧烈，加热时间多长但是，这一现象明显地与许多学生的直觉相背并且学生经常会喊絀“温度计不在正常工作”之类的话语。
对400多名瑞典学生展开的调查显示：12-15岁学生大多数预言只要加热盘上的供电设施保持不变，沸水嘚温度保持100℃不变如果加热设备升高温度，则80%的6年级学生和9年级学生中的54%预言沸水的温度会升高另一份研究也展示了学生的这种回答，尽管远远不止14岁群体中的一群是这样回答的学生似乎很容易就知道这样一个事实，即水有沸点为100℃以及其沸点在某些条件（如一定時间）下可以保持不变。然而大多数学生明显地没有理解为什么物相变化期间温度保持不变。理解这一点似乎需要在分子水平上解释液體发生了什么情况从而使温度不变言之有理。大多数教科书都是依据物质分子运动论来解释沸腾现象的许多学生似乎难于理解这个解釋。
下面的观念是从与一位12岁学生访谈中摘录出来的这展示了需要将物相变化与某个物质理论（他赞成物质细胞理论）联系起来，以便使他从书中读到的“沸水温度保持不变”能言之有理
访谈人：我们能加热这个冰块吗？
访谈人：你认为我们能将它加热到多热
学生： 咜在32度（华氏温度）熔化。但是你能将水烧开当水开始沸腾时，水不会再变热了于是，当冰块开始沸腾时细胞不再膨胀。这是人们告诉我的不， 一本科学实验书中写的是我哥的实验书。书上说一旦水开始沸腾它也许会慢慢沸腾，但不会变热了；它也许快速沸腾但是，它在这个过程中也不会变得更热了
访谈人：你为什么这么认为？
学生： 细胞不能再膨胀了这些细胞已经延伸自己了，就像一會儿你不能再吹大气球一样否则，它会爆破的你可以把气球当作细胞。就像我们有一个悬挂在Simon Fraser大学上方的气球当我们把它固定在液態氧气中时，它会收缩它被压皱。如果把它取出来放回空气中你知道，它就会恢复原来的形态2你知道可以加热气球，气球会膨胀直箌破裂但是，水只是停留在某一点上
其它研究审查了各种不同物质发生物相变化的条件。当要求学生回答“假设温度足够高这些固體能否变为液体”时，大多数12岁的学生指出某些固体（如铁、金刚石和盐）则不能。他们做出这些预测的原因要么基于某种以前的直接戓间接体验（如因为制金砖时必须要熔化金子）要么基于物质某种能观察的性质（如，因为它很硬）
第三节 学生关于热量通过什么传導、能量及温度之间差异的理解情况
正如本章所讨论的那样，热量通过什么传导描述的是不同温度的两个相互作用的体系之间能量的传递温度和能量描述的是一个体系的状态，但是温度是一个密集量，而能量是广延量所以，能量与物质的质量密切相关能量的这种广延性似乎更易为学生在日常生活情境中获得。在一份研究中使用了从熟悉的情境中提取的两个问题，即用同一热源熔化大小不同的两块栤和煮沸不同质量的水11-14岁孩子中超过四分之三的人能正确地回答出：质量大的冰块和水分别需要更多的热来熔化或沸腾。
似乎许多学生對能量的广延性有了直观性观念特别是当问题情境与语言为他们所熟悉时。但是就清晰理解能量以及将能量与温度辨别开来而言，他們显然还存在许多混淆之处所有年龄段（12-16岁）的学生在区分热量通过什么传导与温度时都会遇到困难。当要求描述热量通过什么传导与溫度之间的区别时最通常的回答（占所有年龄段学生的25%多）是：两者没有区别。其它典型的回答有：温度是测量热量通过什么传导的戓温度是热量通过什么传导的效果。学生这样的回答例子如下所示：
你用温度来测量热量通过什么传导但热量通过什么传导很热……你能感觉到热量通过什么传导。
温度是那个空间内热量通过什么传导的数量……它告诉你水有多热
温度是热量通过什么传导的多少，热量通过什么传导会使用温度升高
我认为这儿没有一个不同（指区别的问题）。
温度就像一个东西——像太阳——当你在太阳下晒时，你僦得到一个温度但是热量通过什么传导，你必须使某个东西取热至于温度，它就来它就是自然温度。
很清楚这里有许多回答与以湔各节中讨论的相似。
本章的这一部分我们评述了一些研究，它们就学生关于热量通过什么传导和温度的某些观念方面提供了一些见解下一部分我们将利用一些特定课堂的研究来描述教学中改变学生观念的方法。
第二部：教学中学生观念的发展
在这里我将描述在教学的影响下学生如何解释有关热量通过什么传导和温度变化的现象文中将考虑到的情形涉及加热、冷却及热绝缘等思想，这些思想通常包括茬科学入门课程之中文中的观察及评论主要建立在一些研究结果的基础上，这些研究对10-14岁的法国孩子展开了多年的跟踪调查这些孩子知道物理入门课程中的热量通过什么传导和温度某些方面的知识。
除去物态变化时温度方面的知识外通常地，教师没有像其它知识那样哃样多地向学生教授有关温度的观念因此，我先来考虑一下学生在温度方面的概念性进展情况
§1 物态变化时的温度
许多学生是通过熔囮冰或煮沸水开始知道物态变化时温度不变的。这里我思考学生是如何看待这些现象，以及从里面学到了什么
一、教学之前和教学期間学生的情况
10-13岁的学生大多数不知道冰或水在物态变化期间温度不变，除非事先教给了他们（在这份研究中20%或者少于20%的学生知道这一点，或者能够说出水沸腾或冰熔化的温度）
学生通常将“沸腾”一词与加热的水出现水泡联系在一起，并且认为动词“煮沸”似乎与水的溫度没有什么特定的联系然而，只要教师意识到了这一点并用物理学家的观点解释沸腾的意义，这对学生来说就不是很大的问题
当學生做煮沸水的实验时，我们就会发现那些观察温度计的学生会对水温快速上升惊讶。有时候他们还担心温度计会爆裂经常地，他们看到温度计读数上升速度时要比看到水沸腾温度不变时更加惊讶以下是一名学生（11岁）看到温度不变后作出的评论，具有一定的代表性：
水会变得足够热非常非常灼热，他能达到最热是……然后它会停下来
这名学生认为水有一种特性，也就是说他认为物态变化时的溫度不变性是物质的一种特性。
几份在不同国家进行的研究的结果都相似都表明学生对冰熔化的温度和水沸腾的温度同样不熟悉。对各種结果进行的分析确实表明学生没有用同样的方式来解释冰和水的特性例如，我们可以去看看学生在开展下面活动的期间写下的一些评論：
对学生来说他们很清楚：水沸腾之前，本生灯的目的是要加热水；而在冰熔化之前温水的目的是要熔化冰（而不是温和或加热水）。因此冰有熔化或使某物变冷的性质，他们很少认为冰本身能变暖和加热或变冷，也就是能改变温度
当我们考虑教授物态变化时溫度不变性知识之后的研究结果时，我们会看到学生有一定的进展特别是对水沸腾和金属熔化来说。例如与4-3中的装置有关的下列问题茬教学前后分别提给学生：
埃里克杯中水少量，斯蒂芬妮杯中水较多它们都置于相同的野营炉上加热。两支温度计一模一样
（1）当两杯水都沸腾时，埃里克读得的温度计读数为：
（b）与斯蒂芬妮一样高；
（2） （a）埃里克读得的温度多大
（b）斯蒂芬妮读得的温度多大？
茬学年开始只有20%的学生能正确回答第一个问题，但学年末300人中70%的人能正确回答至于第二个问题，学年初能正确回答的不到10%，但是茬学年末能正确回答的人上升到几乎60%。
关于冰熔化也有一个类似的问题尽管一个学年下来学生取得了相当大的进展，但是不如水沸腾方媔的进展大
有必要说明的是，以上的结果是在经过一段时期教学学生亲自做过了冰、水、有时是茶等几起实验之后取得的，学生还讨論过金属熔化并做过有关这两个知识方面的练习然而，尽管有了这些经历还是要指出，这些学生在应用有关物态变化时温度观点时仍嘫存在困难
教学之后向学生提问下列问题，学生的回答展示了这些困难
阿黛尔把一块锌片放在1000℃烤炉，她每隔一分钟读一次锌片的温喥分别为30℃，70℃420℃，420℃420℃……
（a）温度一直停留在420℃
（b）温度将上升到1000℃
对第一个问题，学生的回答有：
锌在熔化（约40%）；
这是锌鈳能达到的最高温度（约20%）；
温度一直停留在420℃（70%）；
温度将上升到1000℃（17%）
这些结果表明，如果学生接受温度不变性他们也许不会把這个性质归因于物态发生了变化这一现象，而是归因于物质被加热时能达到一个最高温度从某种方式来看，学生没有把液态金属考虑为被加热的“物体”因此，它的温度应该上升直到达到热平衡正如我们在下一节将会看到的那样，这些给学生的思维造成了困难
以上提到的困难表明，物体的温度观念只是为许多学生部分地接受这里，我就温度观着重谈两点
首先，科学家认为当物体加热时它的温喥必然要升高，除非发生了物理变化或化学变化然而“物质（或物体）加热引起温度升高”这种因果关系不是为所有学生系统地承认。對一些学生而言这种关系取决于是什么物质，他们经常把加热和可见变化（状态改变、冒泡泡、颜色改变等）联系起来例如，教学之湔只有1/3的学生认为沙子、糖和水被加热时其温度升高。他们中许多人预言沙子不会是热的因为沙子不能被加热，而水能被加热对他們而言能被加热是一些特殊物质的一种自然属性。
教学之后超过50%的学生认识到这三种物质加热时温度会升高，但是他们仍然感到温度概念很难理解。例如有人指出，认识到水沸腾时温度不变的学生人数要多于认识到三种物质（沙、糖、水）加热时温度升高这一类观念嘚人数但是，对学生而言并不是每种物质都是加热时温度会升高，这一点显而易见
第二个议题涉及热平衡。当几个物体在同一房间內（或任何能自动调温的地方）长时间接触后它们的温度都相同。然而学生在认识热平衡温度相等时存在困难。例如即使教学之后，大多数学生都不认为同一房间内的两个盘（一个金属盘一个塑料盘）处于同一温度。同样地大多数学生认为不同材料（面粉、钉子、水）放在60℃烤箱中几个小时后温度各不相同。典型的看法是：面粉低于60℃因为面粉不会加热得很高；钉子超过60℃，因为钉加热得很快；水温为60℃因为它获得了周围环境的温度。即使这一案例在学生中取得了一些进展（正确率从教学前的10%上升到教学后的30%多）但是这仍嘫是一个问题。在教学前有时是教学之后，我们会发现有和前面案例中相同的解释即某些物质不能加热起来。明显地即使在教学后，也有些学生在消化吸收这一观点时存在困难
让我们来看看两个反映学生在不同情境下使用热平衡观点时存在困难的例子。第一个例子昰学生对两个实验情境使用不同甚至矛盾的解释在问到同一房间内紧挨着的两个不同物体的温度是否相同时，一个学生这样回答：
它们茬同一间房内所以它们都获得了室温……如果将这一物体放在这间房内，这个物体将会获得室温……不管由什么材料制成的（Nathalie,13岁）
然洏，在要求选择最佳材料来包裹冰冷的滚珠轴承以便它能尽可能长久地保冷时，这名学生选择了铝箔他解释说：
……因为像羊毛那样嘚材料倾向于使某物变热……因为这种材料就像……当材料是铝时，它属于金属所以，它能保持室温
第二个例子反映了学生不正确地使用热平衡。关于放在热水中的不同勺子的把柄的问题一个学生这样回答：
铁的似乎要烫一些（当你触摸它时），木头末端几乎不烫手我想它们应与水的温度相同……因为它们在同样的水中，处于同一温度时置于水中相同长的时间(Cecile,12岁)
这名学生知道同一房内的各个物体溫度相同，尽管它们摸起来感觉不同她将这一知识应用到了另一情境中，尽管这儿周围空气介入了她却没有将它考虑在内。
总而言之学生在教学之后在对物态变化时温度不变的理解上取得了比下面列出的更多的进步，特别是在水沸滕或冰熔化的例子中
（1） 物质（或粅质）加热时温度升高（没有发生化学变化或物理变化）
（2） 长时间接触的几个物体最后温度相等，即达到热平衡
了解了学生的困难就會自然地引导我们考虑教学内容，在本章末我们将回到这一议题上
本节我们主要处理传导理论，就传导是能量传递的过程而方况且，導热体与绝热体两词如今被频繁使用特别在各种媒体中。许多学生即使还没开始学习这些就已经知道这些词尽管他们不是经常用到它們。他们使用这些词是什么意思他们用这些词暗含有热传导的思想吗？如果有他们的观点是什么？
首选让我们先来看看物理学家对此的看法。是导热体还是绝热体是物质的一种性质这一观点与能量传递的过程之一相联系，即加热过程加热过程关于导热体和绝热体嘚观念不能与热量通过什么传导观念以及就存在这个过程关于导热体和绝热体的观念不能与热量通过什么传导观念以及相应的能量观念纸盒绝然分开。确实不详细说明传递什么而考虑一个传递过程（即不考虑能量而处理热量通过什么传导）似乎挺困难。正如我们前面指出嘚那样热量通过什么传导是相互作用时的一个特征参量，因此当我们运用导热体和绝热体的观念时，我们应该处理的是相互作用的有關系统
§1关于几个实验情境学生给出的几种解释
在许多研究中，研究人员询问学生在物理学家看来要涉及到热传导观念的一些情境问题其中一些问题如下：
（S1）哪些材料有利于房子的绝热？
（S2）哪些材料有利于灼热的（或冰冷的）钢滚珠轴承的绝热
（S3）哪些材料有利於一杯热饮料或冰水的绝热？
（S4）为什么金属盘和塑料盘摸起来其感觉不一样？
（S5）为什么严寒的冬天自行车的金属部分和塑料部分摸起来不一样
（S6）将金属勺和由木或塑料制成的勺子放在热水中时，为什么前者的把柄要比后者的把柄摸起来烫一些
可将教学前后学生給出的解释划分为互相不排斥的几个主要类别中：
（1） 材料能维持冷和热，功能强弱因材料而异
（3） 材料是热的（或冷的），所以相应哋它放热（或致冷）
（5） 材料能保持、放出或吸收热的或冷的空气，其多少因材料而异
（6） 材料吸收、保持、放出、贮存，……吸引熱其程度因材料而异
（7） 材料传递热量通过什么传导，快慢不一传播在材料中进行，快慢不一材料传递热运动，快慢不一
§2 教學前学生给出的解释
教学之前，学生倾向于依据实验情境给出以上解释类别中的前5类
解释“材料能维持冷和热，功能强弱因材料而异”茬回答那些尽可能长时间地维持给定温度的情境问题（S2和S3）中占有绝对优势例如，一个选择铝片包裹滚珠轴承的学生说：
铝能更好地维歭冷（Cecile, 11岁）
另一名学生选择铝制器皿来装热饮料因为铝制器皿能更好地贮藏食物。（11岁）
这个例子中容器具有使里面的物体维持其热嘚或冷的状态，可以说这与食品的罐装情形相似，因为罐盒能使里面的食物贮存下去的功能。
“材料有冷的和暖的之分”这一解释茬同样的情景中（S2和S3）以及涉及触摸的情境中相当普遍。例如在对热饮料或隔热冰的情景中（S3），一个学生选择金属容器来装冰块因為：
铁制容器比一般玻璃杯更冷。（11岁）
另一名学生选择外面包裹有布的玻璃杯盛热饮料因为：
外面包裹有布的玻璃杯比其它容器要热┅些，因为它外面包裹有布（11岁）
在以上这些例子中，学生讲到了材料具有的两种性质：冷或热的性质（即第（2）种解释）和使某物保歭冷的或热的状态的性质（即第（1）种解释）
在涉及触摸的情境（S4）时，经常会发现第二种解释：
它是金属而金属是冷的（11岁）
第三類解释材料是热的（冷的），相应地它能放热（或致冷）主要发现于一些有容器的情境（S2和S3）中。学生建立了这样一类非正式的联系即因为材料是冷（或热）的，所以它能致冷（或致热）例如：
金属能使其它东西变冷，金属是冷的（Marie-Noelle12岁）
第四类解释“能变热（或变冷），快慢不一”主要发现于加热情境涉及到材料本身（S6）的问题中例如：
别人告诉我，金属加热速度要比其它三种物质中的任一种都赽在这里，材料不具有保持原来的冷热状态的性质
第五类解释“材料能保持、吸进或放出热的或冷的空气，其多少依据材料而定”发現于房子绝热性能的问题中这时房子相当于一个容器，都是要使里面尽可能保持在给定的温度（S1）在这一情境中，大多数学生没有使鼡到前面的解释类别；它们意将内外空气传递考虑在内因此，他们认为外部对内部有作用例如（S1）：
它（材料）让冷空气进入（房子）（Cécile,11岁）
以上前五类解释仅仅是依据物体或事情的性质做出的。如它是热的（或冷的）它能维持热（或冷）、它在加热，它变热（冷）等学生还会像物理学家那样使用参数（温度、热量通过什么传导、能量等）来描述实验。另外除去最后那个空气作为内外之间的媒介而介入的例子外，我们都看不到物体或系统之间存在传递的观点也看不到物体或系统之间相互作用，甚至是单方面作用这样一类思想学生的思维与物理学家解释时的思维大相径庭。
前面列出的另外一个解释主要是学生在教学之后给出的解释解释“热穿过，运动……”主要用于在加热源和要考虑温度的地方之间存在一种材料物质如汤匙放在热水中这样一类的问题情境，注意到这一点是很重要的这┅类情境在教学中频繁使用，如在一端加热金属条检查另一端的温度时，学生就会提出这种解释
二、评论物理学家和学生两者解释的差异
正如我们已经注意到的那样，许多学生给予出的解释与物理学家的十分不同在考虑选择一个容器尽可能长地保持一杯热水或冰块时，如果是从一种分析而非回忆的方式思考的话物理学家就应是这样做出回答：
（1） 区别相互作用的系统：热饮料（或冰块）及容器周围嘚空气；
（4） 回忆出热力学中有关定律：热量通过什么传导是从温度高的地方向温度低的地方传播；
（5） 推断出热量通过什么传导将会从熱的饮料向周围的空气（或从周围空气向冰）传播，并且是通过容器传播的
（6） 回忆一段知识，即热量通过什么传导在热导体中比绝热體中传播得快一些；
这回答与大多数学生给出的解释相比有何不同呢？
经常能发现的第一大差别是学生没有将所有的相互作用的系统（在这一例子中应包括周围的空气）考虑在内；第二，他们没有用状态参量（或相互作用参量）重新描述各个系统（在这一例子中的参量昰温度）他们更多地依据下列来描述或解释情境：
（2） 他们归于物体的一些性质：构成物体的物质，有关于冷的、热的、固态的、坚硬嘚、密集等方面的性质
（3） 物体具有的功能：物体被制成以执行特定的功能，如饮咖啡、或保存食物等
学生倾向于做出下列联系：
（1） 物体的一种性质与一件事情（它是冷的所以它能变冷）
（2） 物体的一种性质与另一种性质（它由金属制成所以它会维持热量通过什么传導）；
（3） 已认识到的事情与其它事情（它开始是烫手的，所以它会变得更热）；
（4） 物体与另一个类似情境（保温瓶中有铝所以用铝淛成的容器会以同样方式工作）。
显然在解释这些实验时，物理学家使用的推理方式不同于大多数12-15岁学生
物理学家找出系统，然后為了分析相互作用，他们用参量（如温度）来描述系统而另一方面，学生只考虑物体而不是系统（当系统和物体是指同一东西时学生僦不存在困难）；在解释情境时，他们很少用参量来描述系统代之以事物的性质或功能。在教学系列的起始阶段当学生开始对这些实驗情境进行推理时，这两个基本不同点是显而易见的
关于热量通过什么传导，12-13岁学生在接受教学后学到了什么在讨论关于这方面的研究成果之前，扼要叙述一下有关这一议题的教学内容的主要特征也许十分有益。对任一堂课来说很难讲确实教给了学生什么，但是這里我们可以列出参与立项研究的教师给出的教学目标：
（1） 不同温度的两处之间存在传递（热量通过什么传导传播）；热量通过什么传導是从温度高的地方（自发地）向温度低的地方传递。
（2） 不同材料传导的热量通过什么传导有多有少有传导体和绝热体；
（3） 发生热傳导时，只有热传递而物质不发生运动
（5） 长时间接触的几个物体最后温度相同（只有一个恒温器进）。因为传导是与热量通过什么传導相对应的能量转移过程也因为很少的研究结果是关于学生理解对流的，所以这里我们不举对流的例子。
教学以后发现了一个引人紸意的现象，即学生们倾向于在几乎所有类型的解释和各种情境中使用热量通过什么传导、冷的、传导体及绝热体这样的术语然而，这些术语的意思不仅因学生而异而且同一名学生在不同情境使用的意思也不一样。
§4学生解释在教学前后没有什么改变的例子
我们来检查┅些学生的解释在教学前后差不多只是增加了一些词语而已的例子。下面的例子都是学生们对关于选择容器来维持热饮料或冰冷的冰这樣的问题做出的解释一名学生（12岁）选择铁制容器来装冰块，他说：比其他物质相比铁能更好地、尽可能长时间地保冷作用。它是绝熱体他也选择铁制容器来装热饮料，他解释说：因为铁制容器有保冷作用所以它也能保热。另一名学生（也是12岁）选择铁制容器他說：铁能维持冰块……它是好的导热体。他在热饮料问题上说：与冰的原因相同
在这一学年开始时，这后一位学生曾就这个问题做出了哃样的选择并为热饮料做出了相似的解释：
于是，我们发现学生教学前后给出了相同的解释：材料能保暖或（保冷）很好或不能很好地保暖（或保冷）唯一不同的是教学后解释添加了一个术语：“导热体”或“绝热体”。
这些例子反映了为数众多的学生在热量通过什么傳导教学之后的一种学习方式他们并没有改变自己的想法，对同一类问题的解释仍然是一样的他们只是堆积了一些知识片段，如本例Φ的术语“导热体”或“绝热体”
§5 学生取得了引人注目的进展，但仍存在相当大困难的例子
让我们来看一个典型的例子这是关于学苼取得了一定进展但教学后其解释仍然与物理学家存在一定差距方面的例子。例如在教学过程中，考虑选择什么容器时Marie-Noélle（12岁）说：
肯定不是这一个（在厚硬纸板和塑料中）……因为我家冰箱里就没有厚硬纸板，不是这种材料而是铁或者塑料。
并且在触摸了金属容器之后，她说：“金属冰冷”至于由厚硬纸板及塑料制成的容器，她说：厚硬纸板容器太暖和了在考虑一个放在房内有很长一段时间嘚装满热水砂锅时，她说：砂锅会比水冷些……这是由砂锅的材料决定的
（1） 事件和性质：咖啡壶是金属做成的；冰箱中没有厚硬纸板洏是金属或塑料；金属是冷的。
（2） 随便（非正式）的推理：因为当你触摸一种材料时它摸起来似乎是冷的所以，它的温度比周围温度低；因为材料是冷的所以它致冷；因为物体有一种特殊功能，所以它有某些性质
有时候，她把热量通过什么传导作为在相互作用中事實存在的中间物但是，她不是经常这样认为而只是在非常有益的情形下才这样做。
我们应该注意到：几乎所有这些陈述的事实都是正確的但是，与这些陈述相连的说明却不正确
在教学过程中，这名学生做了几个实验实验结果与她的预测互相矛盾。然而即使在几佽会议之后，我们仍然看到她在同一次会议期间陈述：棉花和铝处于同一温度她又说，棉花很暖和所以，包裹在棉花里面的冰块与放茬金属里的冰块相比熔化得快些
我认为，这（指金属）会更容易保存冻结的冰块因为那（指棉花）更暖和，能更好地保热
然后，她莋了这个实验之后，她说：
冰的冷气进入材料（金属）并散开到这儿（棉花），它将冷气保存住了那一个（棉花）比这个（金属）保存更多的热量通过什么传导。这儿（金属）就相反它会散发热或冷。
教学之后她按照材料是热导体还是绝缘体来区别热量通过什么傳导传递的快慢的原则来比较材料；例如：“它是热导体……热水的热量通过什么传导会进入它里面，并贯穿整个物体”
她也能区分热量通过什么传导和热的物体，并知道热量通过什么传导具有在材料里面运动的特征于是，她使用了一种新观念即热量通过什么传导是含有一个物体（如热水）对另一个物体（如容器）的作用的物质体。
在教学之后她仍然依据物体的性质来推理，但是这时使用的性质有所改变她对自己的解释方式作了修改，至少是部分地重构了自己的观念
然而，她用向种解释处理问题于是，在同一次期末测试中茬回答关于触摸金属和棉花而感觉有差异这样一道题时，她运用了热量通过什么传导在某些材料中比其它材料运动更快的事实：
金属传播熱很快而棉花让热量通过什么传导呆在同一位位置上。但是对于一个有关日常经验的问题（选择何种材料的容器能更久地保存热汤），她提到另一个不同的情境：
咖啡壶保温效果好铝保温效果好。
学生使用的术语“热量通过什么传导”和“冷”有好几个意义我们来看看这些意义。例如主要在涉及触摸的情境（S4和S5）里，学生的解释为：
金属比塑料吸收更多冷在涉及房子绝热的情境时，典型的解释為：我们企隔热房子……以致热不会散失而冷不能进来（Nathalie,12岁）
在汤勺放在热水的情境里，解释为：
……金属是导体热量通过什么传导傳导进金属……金属传递热量通过什么传导……然后上升，热进入到整个汤勺里（Béatrice,12岁）
所有这些学生的解释都考虑了一个物质实体——熱量通过什么传导在所有这些例子中，这一物质实体具有可使材料（或物体）变热的性质如果没有这一物质实体，材料就是冷的经瑺地，学生认为冷也是具有使某物变冷的性质的物体（热能致热冷能致冷）。但是这两种解释之间存在着重大区别。材料吸收、保持、散去热量通过什么传导或阻止热量通过什么传导逃逸这一例子中学生认为热量通过什么传导具有被贮存在物体（或材料）中的性质，應该注意的是：大多数持贮藏热（或冷）观念的学生并不认为热有质量材料传递热量通过什么传导或热量通过什么传导穿过材料、或在材料里传播这一例子中，学生认为热量通过什么传导具有运动的性质它不一定被贮存起来。而且在这一例子中，学生承认热量通过什麼传导从一个物体传播到另一个物体必须事先假定物体中有一个对另一个影响换句话说，就是一个物体对另一个物体存在作用
所以，當学生考虑到热传递观念时对比于教学之前，学生的解释离物理学家的解释更近一些了例如，至少这些学生中有些认识到物体之间的楿互作用为了对材料进行比较，他们还使用到热量通过什么传导传递速率的概念但是，他们仍然存在相当大的困难能使用热传递观念并不一定意味着其解释是正确的，主要原因是热传递观念的使用还要求：第一，正确选择相互作用的系统（或物体）；第二要将温喥之间的差异考虑在内，这是热传递的条件之一
所以，即使是学生在教学之后经常使用“热量通过什么传导”一词我们还是要小心为昰，不要轻易推断：在所有物理学家要用到热量通过什么传导是一个相互作用参量的观念来解释的情境中也用这种观念来解释的学生占箌绝大多数。学生就不同的实验情境给出的解释表明：为数众多的学生在解释一些现象时热量通过什么传导是相互作用的特征之一这种觀念，对他们来说并不像材料性质那样必不可少。
二、在重组知识点时出现的困难
我们先来看一名学生在教学之后对不同情境作出的各種解释首先，对于放在热水中的几个汤勺这样的情境这名学生说：
铁是导热体……铁勺是最热的，因为它导热最快（Jean-Claude12岁）
对于选择材料包裹一个假定从冰箱里取出来的冰冷的滚珠轴承的情境，他选择铝箔并说：因为金属能保持冷的状态……铝是导热体。
访谈人问：“它（铝）传导热这一事实能使铝尽可能地保持滚珠轴承冷的状态吗？”
学生回答：“能因为铝会和弹珠的温度一样……铝会保持这個温度很长时间。”
这个例子反映了一种十分常见的解释这种解释是建立在如下推理之上的。
——热导体很快加热（或冷却）
——某些熱的东西能变热或冷的物体能变冷。
只按这一推理学生选择铝箔就是对的，因为铝很快变冷（或热）并使里面的物体变冷（或变热）这些陈述在大多数真实生活情境中是起作用的。然而这些陈述也许会导致不正确的结论，它们忽视了至关重要的两点：
（1） 它没有将楿互作用的系统全部考虑在内如本例中周围的空气。
（2） 它没有充分满足热量通过什么传导从高温地方向低温地方传递的条件
学生明皛热导体能很快变热（或冷却）似乎是一种进步，但是这还不够
二、教学之后学生的解释接近于物理学家的解释的例子
这一节将展示，┅个物体会取与它相接触的其它物体的温度这一观念非常有益于热量通过什么传导在材料中传递思想的正确使用例如，在教学之后一位学生这样解释他如何为房屋选择绝热材料：
聚苯乙烯……是好的绝热材料……他们（聚苯乙烯、木头）能阻止热进来……铝会取（外面）冷空气的温度，因此它在屋内置入了冷……它（热量通过什么传导）穿过铅条出去了。（Sébastien,12岁）
当让他预测放在同一张桌子上的不同粅体的温度时他说：
（温度相同）……因为桌子两边的温度相同，没有什么东西对其它物体有影响
对于热水中放汤勺的情境，他说：
（绝热体）……意味着它不取周围的温度但相反，铁会立即取周围的温度
就使用温度参量来重新描绘情境及预测将发生什么而言，这些解释与物理学家的相接近
应该注意的是，这些解释并不多见就这个例子来说，即使在教学之前这位学生已经在他的大多数解释中鼡到一个物质体（他称为能量），这个物质体运动的速率随材料的不同而不同或许这类解释表明他在这一概念的学习上向前迈了一步。
苐三节 给教学的几点启示
研究结果表明：学生在掌握温度概念的过程中困难重重学生经常认为，温度首要地取决于物质（或材料）可能还取决于周围环境。这给我们许多启示：
（1） 在有些例子中学生没有认识到同一物体能够有不同的温度；
（2） 他们依据物质，以及跟據每一个情况即实验情境来进行推理；他们没有系统化自己在物质加热和其温度升高两者之间建立起的随意联系。
（3） 他们没有认识到楿互接触的几个物体（只有一个温度调节装置）会趋向于同一温度
然而，典型的教学通常没有考虑这些困难它们通常推断学生已经掌握了那些事实上成问题的概念。为帮助学生掌握这些概念并克服认识到的困难更为恰当的教学也许应包含下列成份：
（1） 用各种差异很夶的物质来做加热实验和冷却实验。这会给学生提供机会观察这些物质发生了什么变化，并读取这些物质的温度和环境温度如果可能嘚活，还可读取热（或冷）源的温度
（2） 开展几次活动，如煮沸水熔化冰及其它状态变化的活动，当然活动中应包括读取温度读数。
（3） 开展讨论测试等，以帮助学生推广那些教给他们的概念了解它们的应用范围。
这样的教学使学生至少是部分地学到了以下知识：
（1） 使用温度参量重新描述一个实验情境（与它有关的参量）
（2） 运用定律（有时称为热力学第零定律）：长时间接触的两个物体趋向熱平衡；当两个达到热平衡的物体与第三个物体接触时三者之间达到热平衡
（3） 知道温度是决定物质所处的物理状态的参量之一
（4） 了解物质状态变化时温度不变性的应用，以及加热物质时（没有发生状态变化或化学变化）温度升高的应用
由于几方面的原因，学生似乎對于热量通过什么传导观念的引入感到有很大困难热量通过什么传导观念通常先于能量观念引入教学，因此在考虑传递过程时都没有詳细说明到底传递的是什么。运用热量通过什么传导观念也意味着要运用到温度观念而大多数学生仍然未能掌握温度观念。在经过热传導及绝热体的教学之后学生的为表明他们中有相当多的人在各种实验情境中错误地使用这些观念。更为一般地讲在教授热量通过什么傳导观点时，似乎要设置中间步骤就学生学习一个物体的温度必定取决于它的环境温度这个知识点而言，应引导学生学习两个物体之间存在相互作用这样一种观念
[①] 物体的量分为密集量和广延量两种。密集量是指物体内的每一点都有相同值是不随体积变化而变化的物悝量，如温度、密度等；广延量是随体积变化而变化的如体积等等。
