高中物理“内能”专题深度复习教学设计-基于核心素养与认知模型的整合路径

高中物理“内能”专题深度复习教学设计——基于核心素养与认知模型的整合路径一、教学内容分析  本节内容在《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》中隶属于“能量”主题下的“热现象与能量守恒”模块，是学生从宏观机械能分析转向微观能量观念建构的关键枢纽。从知识图谱看，“内能”概念上承分子动理论的基本观点（物质由大量分子组成、分子永不停息做无规则运动、分子间存在相互作用力），下启热力学第一定律（能量守恒在热现象中的具体表述）与能源可持续发展观，是贯穿微观与宏观、连接理论与应用的物理“大观念”。其认知要求已超越简单识记，需达至深刻理解与灵活应用层面，例如辨析温度、内能、热量的区别与联系，并能在实际问题中定性或半定量分析内能变化的途径与量度。课标蕴含的学科思想方法突出体现为“微观模型建构”与“能量守恒思想”，本节课需引导学生将抽象的分子群体想象为具有动能和势能的粒子系统，并运用能量观统摄分析各类热现象。在素养价值层面，本课是培育“物理观念”中“能量观念”与“科学思维”中“模型建构”“科学推理”能力的绝佳载体。通过探究内能本质及其改变方式，学生能深化对世界物质性与统一性的认识，理解科技创新（如新型热机、航天器热控）背后的物理原理，感悟科学理论的简洁与普适之美。  立足学情，高三学生在经历一轮复习后，对分子动理论三大要点及内能的初步定义已有记忆性储备，但普遍存在三大认知屏障：一是概念混淆，常将宏观的“温度”“热量”与作为状态量的“内能”等同；二是微观图景模糊，难以将“分子动能”“分子势能”与宏观物体的机械能清晰区分并建立联系；三是应用僵化，面对复杂情境（如同时存在做功和热传递的过程）时，无法系统分析内能变化。基于此，教学将嵌入多节点形成性评估：在导入阶段通过概念关系图前测暴露迷思概念；在新授关键节点设置“诊断性问题”与“迷你辩论”，如“一杯水的内能是否一定比一杯冰的内能大？”，实时探查理解深度；在练习环节设计阶梯式任务，通过解题思路的展示与互评，动态反馈不同层次学生的掌握情况。针对学情差异，教学策略上将为需要巩固基础的学生提供“微观模型动画”可视化支架与“概念辨析对比表”；为学有余力的学生设置“跨学科联想”（如从化学键能角度理解分子势能）与“真实工程问题分析”等挑战任务，实现精准支持。二、教学目标  知识目标：学生能够系统建构内能的概念体系，准确表述内能是物体内部所有分子热运动的动能与分子势能的总和；能清晰辨析温度、内能、热量三个核心物理量的物理内涵与关联，理解温度是分子平均动能的标志、内能是状态量、热量是过程量；并能运用这一知识框架，定性分析通过做功和热传递两种途径改变物体内能的实例，解释相关生活与科技现象。  能力目标：学生能够熟练运用“微观模型建构”的方法，将宏观热现象还原为分子群体的微观运动与相互作用进行推理说明；具备在具体问题情境中识别主要能量转化形式，并基于能量守恒思想进行逻辑论证的能力；能够设计简易实验或利用图像，定性地探究和展示做功与热传递对物体内能的影响。  情感态度与价值观目标：学生在小组合作探究中，能主动分享见解、耐心倾听他人观点，形成严谨求实的科学讨论氛围；通过对内能利用（如从蒸汽机到内燃机）科技史脉络的简要回顾，体会科学探索的艰辛与创新对社会发展的推动作用，初步树立将科学服务于社会的责任感。  科学（学科）思维目标：本节课重点发展学生的“模型建构”思维与“能量观”统摄下的系统分析思维。具体表现为，能将“物体”解构为“大量分子组成的系统”，并为其赋予“动能”和“势能”的微观属性；能运用“能量守恒”这一核心观念作为分析一切热现象的逻辑主线，形成从“初态过程末态”的动态分析框架。  评价与元认知目标：引导学生借助教师提供的“概念关系评价量规”，对自身或同伴关于内能相关概念的表述进行批判性评价；在课堂小结阶段，通过绘制概念图，反思自己知识建构的逻辑性与完整性，并总结在辨析易混概念时采用的有效策略（如对比表格、自编判断题等）。三、教学重点与难点  教学重点：内能概念的微观本质及其决定因素；改变物体内能的两种途径（做功和热传递）的实质及其等效性。确立依据在于，内能的概念是热学能量观的核心基石，对其微观本质的理解直接关系到对热力学第一定律的深度把握。从高考命题视角看，内能相关概念辨析、结合图像分析内能变化是高频考点，常以选择题或计算题中的关键分析步骤出现，着重考查学生的物理观念和科学推理能力，具有奠定热学分析基础的关键作用。  教学难点：温度、内能、热量三个概念的精准辨析与关系建构；对“分子势能”随分子间距离变化关系的定性理解。难点成因在于，这三个概念在日常生活中常被混用，学生存在顽固的前科学概念；而“分子势能”的变化规律较为抽象，需借助分子间作用力模型进行想象与推理，对学生的微观想象力与模型思维能力要求较高。突破方向在于，设计冲突性情境引发认知失衡，通过可视化工具（如模拟动画）搭建认知桥梁，并设计层层递进的问题链引导学生自主归纳比较。四、教学准备清单1.教师准备1.1媒体与教具：教学课件（内含分子热运动动画、分子间作用力随距离变化示意动画）；压缩引火仪演示实验装置；气球、冰块、金属勺、热水等生活化实验器材包；高清实物投影仪。1.2学习材料：分层学习任务单（含前测概念图、探究记录表、分层巩固练习）；“温度内能热量”概念辨析可视化模板（对比表格或维恩图框架）。2.学生准备2.1课前预习：回顾分子动理论三大要点；思考并尝试举例说明“如何让一个物体的温度升高”。2.2物品携带：常规文具。3.环境布置3.1座位安排：四人小组合作式座位，便于讨论与实验探究。3.2板书记划：预留中心区域用于构建“内能”概念网络图，侧边区域用于记录学生观点与生成性问题。五、教学过程第一、导入环节  1.情境创设与认知冲突：“同学们，我们新疆的先民创造了一项伟大的水利工程——坎儿井，它利用地下暗渠引水，减少了水在烈日下的蒸发，从而让清甜的泉水能流到更远的地方。大家想想，从能量角度看，烈日暴晒，水的温度升高，这是什么能发生了变化？对，大家会想到‘内能’。但内能究竟是什么？它和我们之前学过的机械能是一回事吗？‘天气热’‘传递热’‘有热能’，这些‘热’字含义一样吗？”（以本土工程引入，瞬间拉近距离，并抛出系列疑问）  1.1前测与驱动问题提出：请学生在任务单的圆圈图中快速写出他们想到的与“热”相关的物理概念，并用连线表示关系。教师巡视，快速捕捉典型迷思。“看来大家对‘温度’‘内能’‘热量’的关系有些不同的想法。这正是我们本节课要攻克的核心堡垒：如何从微观世界看清‘内能’的真面目，并理清它和温度、热量之间的‘三角关系’。”  1.2路径明晰：“今天，我们将化身微观世界的侦探，首先回顾组成物质的分子有何特点（唤醒旧知），然后为这数以亿计的分子建立一个能量档案——这就是‘内能’。接着，我们要探究改变这份档案的两种‘手段’：做功和热传递。最后，我们要用清晰的概念武器，去解决一些令人困扰的问题。准备好了吗？让我们一起潜入分子的世界！”第二、新授环节任务一：从宏观到微观——构建内能的概念模型教师活动：首先引导学生回顾分子动理论的三个基本观点，并通过动画强化“大量、无规则、有间隙、有相互作用”的微观图景。“想象一下，教室里每一个同学就像一个分子，大家在不停地、无规则地跑动，这对应分子的什么能？——对，动能。同时，人与人之间既有吸引力，靠得太近又有排斥力，这种‘关系’所对应的能量，我们称之为什么能？——分子势能。”接着，提出核心定义：“物体内部所有分子热运动的动能与分子势能的总和，叫做物体的内能。”强调“所有”“总和”两个关键词，并通过提问深化：“一块冰，分子动吗？有分子势能吗？所以它有内能吗？——没错，一切物体，不论温度高低、状态如何，都具有内能。内能是不同于机械能的另一种能量形式。”学生活动：观看动画，跟随教师的比喻进行想象与类比。回答教师的系列追问，在笔记本上记录内能的定义，并用自己的语言复述其微观构成。思考并初步理解“一切物体都具有内能”这一结论。即时评价标准：1.能准确复述内能定义，并指出其两个组成部分。2.能运用“一切物体都具有内能”的观点解释冰、铁块等低温或固态物体也具有内能。3.在讨论中能清晰区分“单个分子的动能”与“所有分子动能的统计平均值（体现为温度）”。形成知识、思维、方法清单：★内能的定义：物体内部所有分子热运动的动能与分子势能的总和。这是一个宏观量，但描述的是微观粒子的集体行为。教学提示：强调“所有”和“总和”，避免学生误认为内能是某个分子的能量。▲分子动能：与分子热运动的剧烈程度相关，其宏观表现是温度。温度是分子平均动能的标志，注意是“平均”，不是单个分子。温度相同，则不同物质的分子平均动能相同。▲分子势能：由分子间相对位置决定，类似于弹簧的弹性势能。它与物体的体积和状态密切相关。体积变化或物态变化时，分子势能会发生显著改变。★内能的普遍性：任何物体，在任何温度、任何状态下都具有内能。因为分子永不停息地做热运动（动能永不为零），且分子间总存在相互作用（势能永不为零）。这是内能与机械能（可以为零）的关键区别之一。任务二：探寻内能的影响因素——深化微观决定论教师活动：抛出问题：“既然内能由分子动能和势能决定，那么哪些宏观因素会影响它呢？请大家以小组为单位，结合刚才的清单，讨论两分钟。”巡视倾听，引导思考方向。随后组织汇报，并系统板书：影响因素一：温度（影响分子平均动能）。影响因素二：体积、物态（影响分子势能）。影响因素三：物质的量（分子数目）。通过具体例子辨析：“请大家判断：1.一杯50℃的水的内能，一定比半杯50℃的水的内能大吗？为什么？——对，温度相同动能层面相当，但分子数量不同。2.一杯水的内能一定比一杯冰的内能大吗？——这可不一定！温度高动能大，但冰融化成水分子势能剧增，需要综合比较。”学生活动：小组展开热烈讨论，结合定义推导可能的影响因素。派代表分享结论，并阐述理由。聆听教师举例，积极思考并回答辨析性问题，在争论中深化理解。即时评价标准：1.能完整地从分子动能和分子势能两个角度推导出影响内能的宏观因素。2.在辨析具体问题时，能同时考虑温度、体积、物态、质量等多个变量，体现全面思考的能力。3.小组讨论时，能有效分工，记录员清晰汇总观点。形成知识、思维、方法清单：★内能的影响因素：是一个系统性认知。温度决定分子平均动能；体积和物态决定分子势能；物质的量（质量）决定分子总数。教学提示：引导学生建立“宏观表现（温度、体积）←→微观本质（动能、势能）←→宏观总量（内能）”的逻辑链条。▲内能大小的比较：这是高频易错点！必须养成系统性分析习惯：先看物质的量是否相同；若相同，再比较温度（动能）和体积/物态（势能）。绝不可仅凭温度高低或仅凭物态就妄下结论。“来，跟我一起说：比较内能，要全面！”任务三：实验观察与归纳——发现改变内能的两种途径教师活动：“内能可以变化。我们如何改变一个物体的内能？请大家利用桌上的器材（气球、金属勺、冰块等），或回忆生活经验，尽可能多地想办法让某个物体的内能增加，并思考‘能量从哪里来’。”组织学生分享方法，并将其分类板书。随后进行演示实验：快速压缩引火仪，使硝化棉燃烧。“看，我没有加热，只是做功，同样增加了空气的内能，达到了燃点。”总结：“大家发现的方法，本质上可以归结为两条路：一是热传递，如晒太阳、放热水中；二是做功，如摩擦、压缩、锻打。两者殊途同归，都能改变物体的内能。”学生活动：动手尝试并热烈讨论各种方法：摩擦手心、弯曲金属勺、用热水捂气球、将冰块放在手心……分享并尝试分类。观察震撼的演示实验，理解做功同样可以显著改变内能。在教师引导下，归纳出两种基本途径。即时评价标准：1.能动手设计出至少两种不同的方法改变物体内能。2.在分享时，能初步意识到不同方法背后的能量转移或转化本质。3.能准确复述改变物体内能的两种途径。形成知识、思维、方法清单：★改变内能的两种途径：做功和热传递。这是能量守恒定律在热现象中的具体体现。教学提示：这是热力学第一定律的雏形，务必讲透。★两种途径的等效性：在改变物体内能上，做功和热传递是等效的。例如，摩擦生热和用火加热，都能使物体温度升高、内能增加。但它们的本质不同：做功是其他形式的能与内能之间的转化；热传递是内能在物体之间的转移。（此处是核心区分点，慢讲！）▲热量的概念：在热传递过程中，转移的内能的多少叫做热量。热量是过程量，只存在于热传递过程中，说“物体含有多少热量”是错误的。内能是状态量，可以描述物体在某一时刻的状态。任务四：核心概念辨析——厘清“温度、内能、热量”关系教师活动：这是攻坚克难环节。“现在，我们有三个极易混淆的主角：温度、内能、热量。请各小组利用模板，合作梳理这三个概念的物理意义、单位、性质（是状态量还是过程量）以及相互联系与区别。”提供模板支架。巡视指导，参与讨论。之后请小组展示，并针对典型错误进行精讲。“我听到有同学说‘温度高的物体内能一定大’，我们来个迷你辩论：正方，反方，请陈述理由！”最后，教师呈现完整的对比关系图，并总结：“温度是‘强度’，反映分子运动的激烈程度；内能是‘总量’，是全体分子的家底；热量是‘流量’，是内能转移时的账单。大家记清楚了吗？”学生活动：小组合作，激烈讨论，填写概念辨析模板。派代表上台展示讲解。参与迷你辩论，在观点交锋中深化理解。聆听教师总结，修正自己的认知图示，完成笔记整理。即时评价标准：1.小组填写的辨析模板，在物理意义、性质等维度上基本准确。2.在辩论中，能运用具体实例（如质量不同的同温物体）来支持己方观点，论证有据。3.能清晰解释“为什么不能说物体‘具有’或‘含有’热量”。形成知识、思维、方法清单：★温度、内能、热量辨析表（核心）：物理量物理意义单位性质关联与说明温度表示物体的冷热程度；分子平均动能的标志开尔文(K)，摄氏度(℃)状态量温度变化不一定导致内能变化（如晶体熔化）；内能变化不一定导致温度变化（如物态变化）。内能物体内所有分子动能和势能的总和焦耳(J)状态量由温度、体积、物态、质量共同决定。可以通过做功和热传递改变。热量在热传递过程中，转移内能的多少焦耳(J)过程量只存在于热传递过程中。不能说“含有”，只能说“吸收”或“放出”。▲思维误区警示：1.温度高，内能不一定大（还要看其他因素）。2.内能增加，温度不一定升高（如晶体熔化）。3.热量不是状态量，不能“持有”。任务五：综合应用与模型巩固——分析典型过程教师活动：呈现两道典型情境分析题。1.活塞压缩气缸内气体，气体温度升高。2.将一壶冷水放在火上烧开直至有蒸汽喷出。引导学生分组选取一个情境，用“微观模型”和“能量转化与转移”的观点进行分步分析。“请大家画出过程的示意图，并标注：过程中，研究对象（系统）是什么？内能如何变化？是通过做功还是热传递？能量从何而来，去向何处？”教师巡视，提供个性化指导。最后邀请小组用投影展示分析过程。学生活动：小组选择情境，展开深入讨论。尝试画图分析，梳理能量流向。可能产生争论，例如对烧水过程中不同阶段（升温、沸腾）能量分析的重点不同。展示分析结果，接受其他组质疑和补充。即时评价标准：1.能正确识别研究系统及其状态变化。2.能准确判断内能变化的途径（做功/热传递/两者皆有）并说明能量转化或转移的方向。3.分析表述逻辑清晰，能用示意图辅助说明。形成知识、思维、方法清单：★分析热现象的一般思维模型：①明确研究对象（系统）。②分析初、末状态（温度、体积、物态等变化）。③分析过程（发生了做功还是热传递？或两者兼有？）。④依据能量守恒（热力学第一定律雏形）得出结论。这个模型是解决一切热学问题的基础，务必熟练掌握。▲典型过程分析示例：压缩气体做功：外界对系统做功（机械能转化为内能）→系统内能增加→温度升高。用火加热水：系统从外界吸收热量（内能从火焰转移到水）→系统内能增加→前期表现为温度升高，沸腾时表现为物态变化（分子势能大增）。第三、当堂巩固训练  设计分层训练任务，学生根据自我评估选择完成至少两个层次。  基础层（巩固概念）：1.判断题：（1）0℃的冰没有内能。（）（2）物体温度升高，一定是吸收了热量。（）（3）热量总是从内能大的物体传递给内能小的物体。（）2.选择题：关于温度、内能、热量，下列说法正确的是（）。  综合层（应用分析）：1.如图所示，在一个厚壁玻璃筒底部放一小团硝化棉，迅速压下活塞。请从能量角度解释硝化棉燃烧的原因。2.将一金属块从沸水中取出并迅速投入一杯冷水中，忽略热量散失。试比较金属块和冷水内能变化量的大小，并分析整个过程中能量的转移情况。  挑战层（迁移探究）：查阅资料，了解“热力学第零定律”。谈谈你对“温度”作为衡量热平衡的物理量有何新的认识？这与你之前对温度的理解有何联系与升华？  反馈机制：基础层答案通过投影快速核对，同桌互评。综合层请不同答案持有者上台讲解思路，教师点评分析框架的完整性。挑战层作为课后延伸讨论话题，鼓励学生撰写简短科学笔记，下节课课前分享。第四、课堂小结  “同学们，今天我们进行了一场深入微观世界的能量探险。现在，请大家暂停一下，尝试用一句话概括你今天学到的最核心的一点是什么？”（学生分享）。“很好，看来大家抓住了要害。现在，请结合板书和笔记，用思维导图或关键词云的方式，花三分钟时间梳理‘内能’这一节的知识结构，尤其要突出核心概念间的联系。”学生自主构建后，教师展示一个优秀范例。“最后，回顾我们解决问题的过程，你最常用的思维方法是什么？——是的，微观建模和能量分析。请把这两种方法收入你的物理思维工具箱。”  作业布置：必做（基础+综合）：完成学习任务单上的分级练习题；整理本节课完整笔记，重点绘制“温度内能热量”关系图。选做（探究）：观察家中厨房烧水的过程，尝试用今天所学的模型，分析从冷水到沸腾再到水壶盖被顶起的过程中，内能的变化及途径，并思考能量来源。下节课，我们将带着这些收获，走进更宏大的能量守恒定律——热力学第一定律。六、作业设计基础性作业  1.概念巩固：默写内能的定义，并列举其三个宏观影响因素。完成教材配套的基础练习题组，侧重于概念辨析和简单判断。  2.实例分析：列举生活中5个通过做功改变物体内能和5个通过热传递改变物体内能的实例，并用一句话简要说明能量如何变化或转移。拓展性作业  1.情境应用题：分析“汽车行驶一段时间后，轮胎温度和刹车盘温度都会升高”这一现象。请分别说明轮胎和刹车盘的内能主要是通过哪种途径增加的，并尝试画出简单的能量转化或转移示意图。  2.微型项目：制作一份题为“内能面面观”的科普小报或PPT（不超过3页）。要求涵盖：内能的微观解释、与温度/热量的区别、两种改变方式的生活实例、一个你感兴趣的与内能相关的科技应用（如热机、制冷机）。探究性/创造性作业  1.开放探究：设计一个简易实验（可画图说明），验证“做功可以改变物体的内能”。要求写明实验器材、步骤、预测现象，并解释其如何证明做功与内能变化的关系。思考：如何粗略地比较做功多少与内能变化量之间的关系？（提示：可联想初中“比较不同物质吸热能力”的实验思想）  2.跨学科联想：从物理学的“分子势能”概念出发，联想化学中的“化学键”。写一段短文，探讨两者之间的相似性与区别，并思考它们如何共同决定物质的能量状态。七、本节知识清单及拓展★1.内能：物体内部所有分子热运动的动能与分子间势能的总和。理解要点：“所有分子”的总和，是一个宏观量；任何物体在任何情况下都具有内能。★2.分子动能：分子由于热运动而具有的动能。温度是分子平均动能的标志（注意“平均”二字）。温度越高，分子热运动越剧烈，分子平均动能越大。★3.分子势能：由于分子间存在相互作用力，由分子间相对位置决定的势能。它主要与物体的体积和物态有关。体积变化或发生物态变化时，分子势能显著变化。★4.内能的影响因素：系统性认知。温度（影响平均动能）、体积和物态（影响分子势能）、物质的量/质量（影响分子总数）。比较内能大小必须综合考虑。★5.改变内能的两种途径：做功和热传递。两者在改变内能上是等效的。★6.做功改变内能：实质是其他形式的能量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。例：摩擦生热（机械能→内能）、压缩气体（机械能→内能）。★7.热传递改变内能：实质是内能在不同物体或同一物体不同部分之间的转移。条件：存在温度差。方向：内能从高温物体转移到低温物体，或从高温部分转移到低温部分。结果：最终达到热平衡（温度相同）。★8.热量：在热传递过程中，转移的内能的多少。单位：焦耳(J)。核心性质：过程量。只能说“吸收”或“放出”热量，不能说“含有”热量。★9.温度、内能、热量核心辨析：（见新授环节任务四清单表格）。这是本节最易错点，必须通过大量对比和实例分析来掌握。▲10.内能与机械能的区别：内能是微观层面分子能量之和，与热运动相关，永远不为零。机械能是宏观层面物体整体运动的动能与势能之和，可以为零。两者属于不同层次的能量形式，可以相互转化。▲11.热力学第零定律（拓展）：如果两个系统分别与第三个系统处于热平衡，那么这两个系统彼此也处于热平衡。这为“温度”概念的客观性和测温原理奠定了理论基础。▲12.用能量观统摄分析：遇到热现象问题，养成习惯：明确系统→分析初末状态（温、体、态）→分析过程（做功？热传递？）→利用能量守恒思想推理。这是高中物理分析复杂问题的通用思维框架。八、教学反思  （一）目标达成度评估：从当堂巩固训练的完成情况和课堂问答的深度来看，大多数学生能准确复述内能定义及改变途径，知识目标基本达成。在分析压缩引火仪和烧水过程时，约70%的学生能运用微观模型和能量转化转移观点进行逻辑清晰的表述，能力目标与科学思维目标初见成效。小组合作中，学生参与度高，能围绕核心问题展开有效讨论，情感态度目标得以落实。然而，在“温度内能热量”的精准辨析上，仍有约30%的学生在复杂判断中出错，表明概念的结构化建构仍需后续课时强化。元认知目标中的“概念图自评”环节因时间稍紧，部分学生流于形式，未能深度反思，下节课需预留更充分时间并提供评价范例。  （二）教学环节有效性分析：1.导入环节：本土化情境（坎儿井）成功激发兴趣，前测概念图迅速暴露迷思，驱动问题明确，效果良好。2.新授环节：五个任务环环相扣，从概念建构到因素分析，再到途径发现、概念辨析、综合应用，符合认知阶梯。“任务四”的概念辨析采用小组合作与迷你辩论形式，是突破难点的关键，课堂气氛活跃，思维碰撞激烈。“任务五”的综合应用，由于时间关系，仅部分小组得到充分展示，略显遗憾。内心独白：“压缩引火仪的实验效果每次都很好，但一定要强调安全，硝化棉用量要精确控制。”3.巩固与小结环节：分层练习满足了不同需求，但挑战层题目课堂互动不足。学生自主绘制概念图进行小结，有助于知识内化，但需加强方法指