初中物理（五四制）九年级“内能及其改变”大概念教学设计与实施

初中物理（五四制）九年级“内能及其改变”大概念教学设计与实施一、教学内容分析  从《义务教育物理课程标准（2022年版）》看，本课隶属于“能量”主题下的“内能”核心概念，是学生从宏观机械能世界进入微观热运动能量世界的关键转折点。在知识图谱上，它上承分子动理论，为分子无规则运动的动能与势能找到了能量归属；下启比热容、热机及能量守恒，是理解热传递、做功等能量转移与转化过程的逻辑起点。其认知要求远高于简单识记，需达成“理解”乃至“应用”层级，即学生需能阐释内能的本质、辨析内能与机械能的区别，并能运用改变内能的方式原理解释生活与工程现象。课标强调的“科学探究”与“科学思维”在本课具化为“转换法”（通过宏观现象推断微观本质）与“类比法”（类比机械能理解内能）的运用，并自然渗透“能量观”这一物理核心观念的初步建构。其育人价值在于引导学生从微观和能量角度重新审视熟悉的热现象，培养科学本质观，激发探究物质世界内在统一性的兴趣。  学生经过上一节分子动理论的学习，已初步建立“物质由分子组成、分子永不停息做无规则运动、分子间存在作用力”的微观图景，这是理解内能概念的基石。然而，将抽象的微观粒子动能与势能总和定义为“内能”，对学生而言存在认知跨度。常见的学困点在于：易混淆温度、热量、内能三个概念；难以理解“任何物体在任何情况下都具有内能”；在解释改变内能的事例时，易片面强调“做功”而忽略“热传递”。因此，教学需通过丰富、可感的实验与类比，将微观本质宏观化、可视化。课堂中，我将通过追问“冬天搓手取暖，能量从何而来？”等诊断性问题，实时探查学生前概念。针对理解力较强的学生，引导其深入探讨“做功与热传递在改变内能本质上的等效性与差异性”；对于需要更多支持的学生，则提供更为具体的生活实例和分步引导的思维脚手架，确保所有学生都能在自身认知水平上获得发展。二、教学目标  知识目标：学生能够准确表述内能的定义，知道内能与温度、体积等因素的定性关系；能清晰区分内能与机械能；理解做功和热传递是改变内能的两种方式，并能列举生活实例说明，辨析两者在能量转化或转移本质上的不同。  能力目标：学生能够运用“宏观现象推断微观本质”的转换思想，分析实验现象（如压缩气体升温、摩擦生热）背后的内能变化；在合作探究中，初步具备设计简单实验方案验证猜想（如如何使铁丝内能增加）的能力，并能用物理语言规范表达实验结论。  情感态度与价值观目标：通过探究改变内能的多样方法，学生能体会到物理知识源于生活、服务于生活的实用价值，增强学习兴趣；在小组讨论与实验操作中，养成严谨求实的科学态度和协作精神。  科学（学科）思维目标：重点发展学生的“模型建构”思维（构建内能的微观物理模型）与“科学推理”思维（基于证据进行归纳与演绎）。通过任务链，引导学生经历“观察现象提出猜想实验验证归纳结论”的完整探究过程。  评价与元认知目标：引导学生利用“概念辨析对比表”进行自评与互评，梳理知识脉络；在课堂小结环节，鼓励学生反思自己的学习路径（如“我是通过哪些方法最终理解内能概念的？”），提升学习策略的元认知水平。三、教学重点与难点  教学重点：内能的概念及改变内能的两种方式。确立依据在于：内能是贯穿热学部分的核心概念，是构建完整能量观念不可或缺的一环；同时，改变内能的方式是解释几乎所有热现象（如热机工作、热传递过程）的基础原理，在各类学业评价中均为高频、高综合性的考点，直接体现学生运用能量观念分析问题的能力。  教学难点：一是内能概念本身的抽象性理解，学生需在头脑中建立“所有分子无规则运动的动能和分子势能的总和”这一动态、统计性的微观模型；二是理解“做功”与“热传递”在改变内能上的本质区别（能量转化vs.能量转移）及等效性。难点成因在于学生缺乏直接的微观感官经验，且容易受“做功需要力与位移”这一力学前概念的干扰。突破方向在于强化类比与转换思想，设计层层递进的探究活动，将微观过程用宏观实验显性化。四、教学准备清单  1.教师准备  1.1媒体与教具：多媒体课件（含分子运动模拟动画、生活实例图片与视频）；板书设计稿（左侧用于构建概念图，右侧用于核心结论与实例）。  1.2实验器材：压缩空气引火仪（含硝化棉）；铁丝、砂纸、酒精灯、火柴；内能改变演示组合器材（如带有活塞的厚壁玻璃筒、打气筒、气球、烧杯、热水、凉水等）；分子结构模型。  1.3学习材料：分层学习任务单（含“前测”小问题、“探究活动”记录表及“概念辨析”表格）。  2.学生准备  2.1预习任务：复习分子动理论基本内容；观察并思考至少两个生活中“使物体变热或变冷”的例子。  2.2物品：课前以小组为单位就座，便于开展合作探究。五、教学过程第一、导入环节  1.情境创设与冲突激发：“同学们，请看老师做的两个小实验。”（演示：一是在室温下放置的冰块慢慢熔化；二是用砂纸快速反复摩擦一段铁丝，请学生触摸感受）“第一个冰块，它自己慢慢熔化了；第二根铁丝，经过摩擦后明显变热。大家想一想，这两种情况下，冰块和铁丝的内能都增加了吗？如果增加了，是什么原因导致了它们内能的增加？似乎一个‘静’，一个‘动’，这里面有什么共同的本质吗？”这个对比情境旨在引发学生对“内能变化原因”的初步思考与认知冲突。  1.1提出核心问题与路径明晰：“看来，要弄清楚这些问题，我们首先得明白什么是‘内能’。它和我们之前学的‘机械能’是一回事吗？今天，我们就化身微观世界的侦探，从分子动理论出发，揭开‘内能’的神秘面纱，并找到改变它的‘钥匙’。我们的探索路线是：先定义内能，再寻找改变它的方法。”第二、新授环节  本环节围绕核心问题，搭建支架，设计系列探究任务，引导学生主动建构。任务一：从微观到宏观，构建“内能”概念1.教师活动：首先引导学生回顾分子动理论的三个要点，并用动画模拟分子运动。“既然分子在不停地做无规则运动，那么它们具有动能吗？（生：有！）这种动能和物体整体运动的动能一样吗？我们给它起个名字叫‘分子动能’。再看，分子间有引力和斥力，像不像弹簧连接的小球？当分子间距离改变时，这种‘弹簧’的势能会变吗？这叫‘分子势能’。”接着提出核心问题：“那么，物体内部所有分子的动能和势能之和，我们该如何称呼它呢？它就是‘内能’。”然后，通过提问进行概念深化：“一块冰有内能吗？熔化成水后呢？内能变了吗？为什么？”“飞行的子弹，既有机械能也有内能，这说明了什么？”引导出“一切物体在任何情况下都具有内能”以及“内能与机械能是两种不同形式的能量”的结论。2.学生活动：跟随教师的引导和动画演示，回顾并激活分子动理论旧知。思考并回答教师提出的系列问题，通过类比（弹簧模型）理解分子势能。在教师引导下，尝试自己归纳出内能的定义。参与辨析讨论，理解内能的普遍性及其与机械能的区别。3.即时评价标准：①能否准确复述分子动理论的三个要点，并以此作为推理的起点。②在回答“冰与水内能变化”时，能否从分子运动剧烈程度和分子间距变化两个角度进行解释。③在辨析实例时，能否清晰指出内能与机械能对应的研究对象不同（微观分子vs.宏观物体）。4.形成知识、思维、方法清单：  ★内能的定义：物体内部所有分子做无规则运动的动能和分子势能的总和。这是本节课的基石，理解时要紧扣“所有分子”和“总和”的统计含义。  ★内能的普遍性：一切物体，无论温度高低、处于何种状态，都具有内能。因为分子永不停息地运动。可以问学生：“绝对零度的物体有内能吗？”引出理想化状态，加深理解。  ▲内能与机械能的区别：内能是微观层面、与热运动相关的能量，与物体整体运动无关；机械能是宏观层面、与机械运动相关的能量。一个静止的物体机械能可以为零，但内能绝不为零。  方法：类比法与模型建构。用“弹簧连接小球”模型帮助理解分子势能，是化抽象为形象的关键思维工具。任务二：实验探究——如何“增加”物体的内能？1.教师活动：“概念建立了，回到最初的问题：如何改变铁丝的内能，让它热起来？请大家以小组为单位，利用桌上提供的器材（铁丝、砂纸、酒精灯、热水等），开动脑筋，看看能找到多少种方法，并填写任务单。”教师巡视，关注各小组方案，鼓励多样化的尝试。之后请小组代表展示方法并分类。“大家找到了摩擦、弯折、火烤、热水烫等方法，非常棒！那我们能不能从能量角度，给这些方法归归类？”2.学生活动：小组合作，动手尝试并讨论不同的方案，观察现象（铁丝温度升高），记录方法。代表展示，阐述操作过程。在教师引导下，对众多方法进行初步归纳（如：需要“动手”的为一类，需要“加热”的为另一类）。3.即时评价标准：①小组能否设计出两种及以上不同的实验方案。②操作是否规范、安全（如使用酒精灯、触摸加热物体时的注意事项）。③汇报时能否清晰描述操作与观察到的现象。4.形成知识、思维、方法清单：  ★改变内能的两种方式：做功和热传递。这是本节课的另一核心结论，需通过大量实例来夯实。  ▲做功改变内能的实例：摩擦生热、压缩气体做功（可演示压缩空气引火仪）、锻打铁块、弯折物体等。本质是其他形式的能与内能相互转化。可以点评：“大家搓搓手，有什么感觉？这就是你在对双手做功，机械能转化成了内能。”  ▲热传递改变内能的实例：用火加热、放入热水中、晒太阳等。本质是内能从高温物体转移到低温物体。可以解说：“就像‘热’自己会跑，从温度高的地方‘跑’到温度低的地方。”任务三：深度辨析——做功与热传递的“同”与“不同”1.教师活动：播放压缩空气引火仪实验视频或进行演示。“看，活塞压缩筒内空气，对空气做功，空气内能增大，温度升高，达到硝化棉的着火点！这个过程，是什么能转化为什么能？”再对比“将同一铁丝一端放入热水”。“这两个过程都增加了铁丝的内能，效果相同，但从能量角度看，它们的‘来路’一样吗？”组织学生讨论，并引导其完成学习任务单上的对比表格。2.学生活动：观察震撼的压缩引火实验，思考并回答能量转化问题。对比“做功”与“热水烫”两个实例，参与小组讨论，从“能量形式是否变化”、“能量来源”等角度进行辨析，填写对比表格。3.即时评价标准：①能否准确指出压缩空气实验中能量的转化过程。②在对比讨论中，能否抓住“能量转化”与“能量转移”这一本质区别进行阐述。③填写的对比表格是否逻辑清晰、要点完整。4.形成知识、思维、方法清单：  ★做功改变内能的实质：其他形式的能（如机械能）与内能之间的相互转化。可以用“能量转化”这个词来概括。  ★热传递改变内能的实质：内能在不同物体之间或同一物体的不同部分之间的转移。可以用“能量转移”这个词来概括，并且转移的方向是从高温物体到低温物体。  ▲等效性：做功和热传递在改变物体内能的效果上是等效的。例如，同样使铁丝温度升高10℃，既可以通过做功，也可以通过热传递实现。  思维：比较与分类。通过对比分析，抓住事物的本质区别，是物理学中非常重要的思维方法。任务四：概念关联——内能、热量与温度1.教师活动：“在热传递过程中，转移的那部分内能，我们给它一个专门的名称——‘热量’。注意，热量是一个‘过程量’，只能说‘吸收’或‘放出’热量，不能说‘含有’热量。”设计问题链：“那么，内能、热量、温度，这三个亲密的朋友到底是什么关系？比如：物体温度升高，内能一定增加吗？物体内能增加，温度一定升高吗？物体吸收了热量，内能一定增加吗？温度一定升高吗？”引导学生结合实例（如晶体熔化、液体沸腾）进行深入辨析。2.学生活动：理解热量作为过程量的含义。思考教师提出的系列辨析问题，可结合已有知识（如物态变化）进行小组讨论，举例说明，厘清三个概念的区别与联系。3.即时评价标准：①能否正确使用“吸收热量”、“放出热量”等表述。②在辨析问题时，能否举出反例（如晶体熔化吸热但温度不变）来支持自己的观点。4.形成知识、思维、方法清单：  ★热量的概念：在热传递过程中，传递内能的多少叫做热量。单位是焦耳（J）。它是过程量，对应着内能的转移。  ▲内能、温度、热量的关系辨析（易错点）：  温度：反映分子热运动剧烈程度，是状态量。温度变化可能导致内能变化。  内能：与温度、体积、质量、物态有关，是状态量。  热量：只存在于热传递过程中，是过程量。  物体内能增加，不一定是吸收了热量（可能是外界对它做功）；物体吸收了热量，内能不一定增加（可能同时对外做功）；物体温度升高，内能一定增加；但内能增加，温度不一定升高（如晶体熔化）。  方法：概念辨析与条件推理。通过设置系列条件判断题，迫使学生深入理解概念内涵与外延，避免死记硬背。第三、当堂巩固训练  1.基础层（全体必做）：①判断：0℃的冰没有内能。（）②选择：下列实例中，通过做功方式改变物体内能的是（）A.晒太阳取暖B.用冷毛巾敷额头C.钻木取火D.放在热汤中的勺子变烫。（同伴互评，重点检查概念理解的准确性）  2.综合层（大多数学生完成）：解释现象：冬季，人们习惯通过“搓手”和“哈气”来让手感到暖和，请从改变内能的方式角度分析这两种方法的原理有何不同。（教师抽取典型答案展示，引导学生从“能量转化”与“能量转移”角度进行精准表述）  3.挑战层（学有余力选做）：思考与讨论：自行车在刹车时，刹车片会发烫。请分析这个过程中能量是如何转化的？从环保或安全角度，这个现象带来什么启示？你能想到什么改进思路吗？（鼓励跨学科思考，联系能量守恒与工程应用，进行课堂简短分享）第四、课堂小结  知识整合：“现在，请同学们合上课本，尝试用一幅概念图或几个关键词，梳理一下本节课我们探索的主要收获。”邀请一位学生上台分享其知识结构图，并引导全班进行补充和完善。  方法提炼：“回顾一下，我们今天是如何认识‘内能’这个看不见摸不着的概念的？（引导：从微观模型出发→定义概念→寻找改变方法→辨析核心概念）这其中用到了哪些科学方法？（类比、转换、比较、实验探究）”  作业布置：必做作业：1.完成学习任务单上的概念辨析表格。2.列举生活中5个改变物体内能的实例，并判断其方式。选做作业：查阅资料，了解“热机（如汽车发动机）”的基本工作原理，并尝试用今天所学的“做功改变内能”的知识进行初步解释，为下节课学习埋下伏笔。六、作业设计  1.基础性作业（必做）：  （1）背诵并默写内能的定义。  （2）完成课本本节后的基础练习题13题，重点巩固内能概念及改变方式的判断。  （3）绘制“内能”、“热量”、“温度”三者的关系示意图。  2.拓展性作业（建议大多数学生完成）：  （1）【家庭小实验】取一个矿泉水瓶，盖紧瓶盖，放入冰箱冷冻室一段时间后取出，观察瓶身变化。尝试从分子动理论和内能角度解释你观察到的现象。  （2）【情境分析】阅读一段关于“古人钻木取火”或“现代气焊技术”的简短材料，写一篇150字左右的物理笔记，分析其中涉及的内能改变原理。  3.探究性/创造性作业（选做）：  （1）【微型项目设计】设计一个简易的“暖手宝”方案（非电热式）。要求：说明其工作原理（如何获得并储存内能，如何释放内能），画出简易设计图，并评估其优缺点。以图文形式提交报告。  （2）【跨学科思考】从能量角度，比较“摩擦生热”（物理）与“食物在体内氧化供热”（生物）的异同点。撰写一篇简短的对比分析小论文。七、本节知识清单及拓展  ★1.内能：物体内部所有分子做无规则运动的动能和分子势能的总和。理解要点：①“所有分子”的统计总和；②与宏观机械运动无关；③一切物体在任何情况下都具有内能。  ★2.影响内能大小的因素：温度（影响分子平均动能）、体积（影响分子间距，从而影响分子势能）、质量（分子数量）、物态（分子排列方式不同）。对于一定质量的同种物体，温度越高、体积变化导致分子势能变化，其内能都可能变化。  ★3.改变内能的两种方式：做功和热传递。它们在改变物体内能上是等效的。  ★4.做功改变内能：实质是其他形式的能与内能之间的相互转化。外界对物体做功，物体内能增加；物体对外界做功，物体内能减少。实例：压缩气体、摩擦、锻打、弯折。  ★5.热传递改变内能：实质是内能从高温物体转移到低温物体，或者从同一物体的高温部分转移到低温部分。发生条件：存在温度差。结果：最终达到热平衡（温度相同）。方式：传导、对流、辐射。实例：加热、冷却、晒太阳。  ★6.热量：在热传递过程中，转移内能的多少叫做热量。符号：Q，单位：焦耳(J)。它是过程量，只能说“吸收”或“放出”热量。  ▲7.内能、温度、热量辨析：  温度：状态量，表示分子热运动剧烈程度。  内能：状态量，与温度、体积、质量、物态均有关。  热量：过程量，只存在于热传递中。  （关系详见任务四清单，此为易错核心区）  ▲8.压缩气体做功引火实验：典型演示“做功增加内能”。活塞压缩空气做功，机械能转化为空气的内能，空气温度急剧升高达到硝化棉燃点。注意安全，硝化棉量要少。  ▲9.热传递的方向性：内能只能自发地从高温物体传向低温物体，反之则需借助外界做功（如冰箱、空调）。  拓展10.内能与能源利用：人类利用能源，很大程度上就是利用各种方式（燃烧、核反应等）增加工作物质的内能，再通过做功（如热机）将其转化为我们需要的机械能或电能。这是能量转化与守恒定律的宏大篇章的序曲。八、教学反思  （一）预设与生成：目标达成度评估  本教学设计以“大概念”统领，通过结构化任务链，旨在达成多维目标。从假设的课堂实施看，知识目标（内能定义、改变方式）通过层层探究与辨析，预计学生能够较好掌握，这可以从“当堂巩固”基础层的高正确率和学生绘制概念图的完整性中得到印证。能力与思维目标方面，“压缩引火”实验和小组探究任务有效激发了学生的探究兴趣，多数学生能运用转换思想解释现象，但在设计验证性实验方案上，部分学生思维局限，需教师提供更具体的“问题菜单”作为支架。情感目标在合作学习与联系生活的环节中自然渗透，课堂氛围积极。元认知目标通过小结时的自我梳理环节初步实现，但深度有待加强。  （二）环节得失与学生表现深度剖析  1.导入环节：“冰火两重天”的对比实验成功制造了认知冲突，迅速聚焦核心问题。学生表现出强烈的好奇心，为后续探究奠定了良好心理基础。反思：若能让一位学生亲手触摸感受，现场感与参与度会更强。  2.新授任务链：任务一（构建概念）中，从分子动理论自然生长出内能定义，逻辑顺畅。但“分子势能”的理解仍是隐性的难点，部分学生眼神中仍有困惑，需在后续教学中结合固体、液体、气体模型反复强化。任务二（探究增能方法）是高潮，学生动手热情高，生成的方法多样，远超预设。有小组甚至提出“用磁铁反复吸引铁丝”的创意想法，这恰恰是“做功”的体现，应及时抓住并大加赞赏：“这个想法太妙了！磁力在做功！”这体现了差异化教学中对生成性资源的珍视。任务三（辨析本质）是思维跃升的关键。通过压缩实验与热传递的对比，以及精心设计的问题链，成功引导学生触及“能量转化与转移”的本质区别。小组讨论时，观察发现理解力强的学生能充当“小老师”的角色，用更生动的语言向同伴解释，这种生生互动是宝贵的教学资源。任务四（概念关联）是难点攻坚。关于“内能增加温度不一定升高”的讨论，即使结合晶体熔化动画，仍有一部分学生感到费解。这提醒我，此处的教学需更耐心，应提前准备更丰富的可视化素材（如模拟晶体熔化时分子运动与排列变化），并允许学生有一个逐步消化的过程。  3.巩固与小结环节：分层练习满足了不同需求，挑战题引发了部分学生的深度思考。小结时学生自主绘制的概念图五花八门，这恰恰反映了他们个性化的认知结构。通过展示与互评，实现了知识的再次整合。  （三）教学策略得失与理论归因  本次设计成功践行了“支架式教学”与“探究式学习”