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以科學(xué)史為教學(xué)資源建立能量轉(zhuǎn)化與守恒定理的備考課，通過(guò)查閱科學(xué)史上能量基本概念變遷實(shí)驗(yàn)是能量守恒定理的發(fā)覺(jué)，而對(duì)能量守恒定理的發(fā)覺(jué)貢獻(xiàn)最大的是邁爾、焦耳和亥姆霍茲。比較發(fā)覺(jué)她們的研究過(guò)程作為教學(xué)資源開(kāi)發(fā)備考課課例，選擇邁爾和焦耳的研究作為典型教學(xué)資源建立能量守恒定理的課程內(nèi)容。通過(guò)解釋與評(píng)價(jià)邁爾的發(fā)覺(jué)、推理與論證邁爾的結(jié)論、模型與建構(gòu)焦耳的實(shí)驗(yàn)、比較與剖析兩人的成果來(lái)逐漸再現(xiàn)科學(xué)史上能量守恒定理作為教學(xué)資源的課程內(nèi)容，因而備考建構(gòu)能量守恒定理。
關(guān)鍵詞：科學(xué)史教學(xué)資源能量守恒定理備考課
《義務(wù)教育中學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“課標(biāo)”）中“能與能源”主題包括“能的轉(zhuǎn)化與能量守恒”和“能源與社會(huì)”[1]，幫助中學(xué)生建構(gòu)能量轉(zhuǎn)化與守恒定理是中學(xué)科學(xué)課程任務(wù)之一。為幫助中學(xué)生建立能量轉(zhuǎn)化與守恒定理，根據(jù)科學(xué)觀念、科學(xué)思維、探究實(shí)踐和心態(tài)責(zé)任四個(gè)維度素質(zhì)要求，開(kāi)發(fā)借助科學(xué)史教學(xué)資源。
一、查閱科學(xué)史上能量基本概念演進(jìn)實(shí)例的教學(xué)資源
科學(xué)史上發(fā)覺(jué)能量守恒定理的時(shí)間大致集中在1842年到1847年之間，由邁爾、焦耳、亥姆霍茲等人完成。在發(fā)覺(jué)能量守恒定理之前科學(xué)有什么守恒定律，人類(lèi)對(duì)能量的探求早已做了大量的工作：一是生產(chǎn)領(lǐng)域感知，以磨擦取火為代表；二是哲學(xué)領(lǐng)域闡述，從“死力”“活力”到能量和功；三是工程領(lǐng)域呈現(xiàn)，主要是瓦特生活時(shí)代的工程師們對(duì)蒸氣機(jī)的發(fā)明與改良；四是理論領(lǐng)域爭(zhēng)論，關(guān)于熱的本質(zhì)；五是科學(xué)領(lǐng)域研究，主要是邁爾、焦耳和亥姆霍茲的工作。
二、分析科學(xué)史上能量守恒定理典型特點(diǎn)的教學(xué)資源
如上五個(gè)領(lǐng)域內(nèi)容并非都適宜作為教學(xué)資源。成為教學(xué)資源的科學(xué)史審視三個(gè)特點(diǎn)：
1.適標(biāo)性。指科學(xué)史作為教學(xué)資源能符合課程目標(biāo)要求。要理解能量的概念，須要從大量的“做功”實(shí)例來(lái)實(shí)現(xiàn)。而做功的本質(zhì)就是能量轉(zhuǎn)化的量度。課標(biāo)要求能“通過(guò)實(shí)例認(rèn)知能的轉(zhuǎn)化的普遍性，曉得能量守恒定理”[2]。
2.難易度。科學(xué)史作為教學(xué)資源的內(nèi)容本身存在知識(shí)理解的難易程度問(wèn)題。本課例講課對(duì)象為九年級(jí)中學(xué)生，科學(xué)史教學(xué)資源不能太簡(jiǎn)單，如像“摩擦取火”不能滿(mǎn)足備考課要求“溫故知新”的需求。而像“不同時(shí)期蒸氣機(jī)設(shè)計(jì)原理的闡述和結(jié)構(gòu)認(rèn)知”和亥姆霍茲基于物理的推理等，已超出學(xué)生學(xué)力水平。
3.活動(dòng)性。課堂教學(xué)以活動(dòng)為載體，學(xué)習(xí)能夠真實(shí)發(fā)生。科學(xué)史作為教學(xué)資源必須能轉(zhuǎn)化為教學(xué)（學(xué)習(xí)）活動(dòng)，能在特定的教學(xué)（學(xué)習(xí)）任務(wù)下完成信息的獲取、思維的加工和成果的抒發(fā)。
結(jié)合適標(biāo)性、難易性和活動(dòng)性的要求，在能量轉(zhuǎn)化的過(guò)程中建立能量守恒觀念，最終選擇邁爾和焦耳對(duì)能量轉(zhuǎn)化的研究作為本節(jié)課的主要內(nèi)容。
三、選擇科學(xué)史上能量守恒定理發(fā)覺(jué)例證的教學(xué)資源
科學(xué)素質(zhì)測(cè)評(píng)框架中的關(guān)鍵能力包括科學(xué)地解釋現(xiàn)象、設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)科學(xué)探究、科學(xué)地詮釋數(shù)據(jù)和證據(jù)等能力要素[3]。結(jié)合課程核心素質(zhì)要素，以邁爾、焦耳對(duì)能量守恒原理為教學(xué)資源，可從表1所示做出選擇：
表1能量守恒定理發(fā)覺(jué)例證的能力與目標(biāo)
序號(hào)
科學(xué)史素材轉(zhuǎn)化的資源
能力要素
對(duì)應(yīng)備考目標(biāo)
（邁爾）暴風(fēng)雨將至?xí)r海水比較熱。
科學(xué)地解釋現(xiàn)象
2.通過(guò)探究邁爾、焦耳等科學(xué)家的理論推論與實(shí)驗(yàn)過(guò)程，培養(yǎng)剖析、評(píng)價(jià)的高階思維能力，從客觀事實(shí)和實(shí)驗(yàn)證據(jù)中構(gòu)建能量守恒定理。
4.基于邁爾、焦耳和亥姆霍茲等人的科學(xué)研究史實(shí)，感受科學(xué)研究是不斷否定、質(zhì)疑、修正、完善的過(guò)程。
（邁爾）在印度時(shí)海員的靜脈血是暗紅的。
科學(xué)地詮釋證據(jù)
（邁爾）對(duì)等容比熱容與等壓比熱容的對(duì)比研究＊
評(píng)價(jià)科學(xué)探究
（焦耳）熱功當(dāng)量實(shí)驗(yàn)
科學(xué)地解釋現(xiàn)象
科學(xué)地詮釋數(shù)據(jù)與證據(jù)
設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)科學(xué)探究
序號(hào)3中邁爾對(duì)等容比熱容與等壓比熱容的對(duì)比研究可通過(guò)“畫(huà)模型圖”的形式進(jìn)行具體形象化，開(kāi)發(fā)為教學(xué)資源。這些實(shí)例已被內(nèi)燃機(jī)汽缸的做功沖程給與實(shí)踐檢驗(yàn)，相當(dāng)于實(shí)踐工程技術(shù)的理論注釋。故將邁爾論文中的理論推論轉(zhuǎn)化為模型實(shí)例，正是能量轉(zhuǎn)化過(guò)程中能量守恒的最好例證。
但僅有表1的四例，還不能連結(jié)整節(jié)課的內(nèi)在邏輯。甚或，在表1所列科學(xué)史資源的邏輯體系下，降低了如表2的內(nèi)容。
表2能量守恒定理發(fā)覺(jué)關(guān)聯(lián)例證的能力與目標(biāo)
序號(hào)
環(huán)節(jié)
科學(xué)史資源轉(zhuǎn)化的活動(dòng)
能力要素
對(duì)應(yīng)備考目標(biāo)
引入
①分析鼓掌時(shí)能量轉(zhuǎn)化以及轉(zhuǎn)化的證據(jù)。
②19世紀(jì)初科學(xué)史上一系列能量轉(zhuǎn)化重要例子剖析。
科學(xué)地解釋現(xiàn)象
1.通過(guò)舉例來(lái)說(shuō)明物體具有能量，會(huì)判定不同方式的能量，理解不同方式能量之間是可以轉(zhuǎn)化；曉得做功是改變能量的一種形式；能提供能量轉(zhuǎn)化可觀測(cè)的證據(jù)，培養(yǎng)舉證能力。
3.體會(huì)科學(xué)的發(fā)展與特定的社會(huì)政治、經(jīng)濟(jì)、工業(yè)等發(fā)展不可分割；感受科學(xué)發(fā)展過(guò)程中從理論到定理的轉(zhuǎn)化過(guò)程。
比較
列表比較邁爾、焦耳以及亥姆霍茲關(guān)于能量轉(zhuǎn)化與守恒的研究。
評(píng)價(jià)科學(xué)探究
亥姆霍茲對(duì)能量守恒的研究主要是基于物理推理，將能量守恒定理在邁爾和焦耳的努力所構(gòu)建的理論體系基礎(chǔ)上上升為科學(xué)定理。從科學(xué)本質(zhì)的角度來(lái)看，它符合美國(guó)知名學(xué)者李德曼將科學(xué)本質(zhì)內(nèi)涵從六個(gè)方面構(gòu)建的剖析框架中的第6個(gè)方面，即科學(xué)理論和定理的功能,以及她們之間的關(guān)系[4]。而比較邁爾、焦耳和亥姆霍茲對(duì)能量守恒的研究，就是理解“理論”與“定律”間關(guān)系的最好載體。
四、開(kāi)發(fā)科學(xué)史上能量守恒定理為教學(xué)資源的課例
要使課堂上發(fā)生有效的學(xué)習(xí)，最有效的手段就是形成問(wèn)題，迸發(fā)思維，產(chǎn)生矛盾沖突。借助科學(xué)史作為教學(xué)資源，最忌諱的就是把科學(xué)史素材作為閱讀材料。故將選取的資源轉(zhuǎn)化為一個(gè)個(gè)活動(dòng)和問(wèn)題，引導(dǎo)中學(xué)生去體驗(yàn)和思索。
1.剖析現(xiàn)實(shí)資源，引入課題內(nèi)容
筆者在一次送教下鄉(xiāng)活動(dòng)中上了此課例。因?yàn)橛性S多校外班主任來(lái)聽(tīng)課，上課開(kāi)始時(shí)建議中學(xué)生用熱烈的掌聲抒發(fā)對(duì)來(lái)自各個(gè)校區(qū)老師的歡迎。在中學(xué)生鼓掌后，引入課題通感：
鼓掌過(guò)程中有能量轉(zhuǎn)化嗎？你的證據(jù)是哪些？
通過(guò)剖析當(dāng)下中學(xué)生正在體驗(yàn)的活動(dòng)作為教學(xué)資源，體驗(yàn)?zāi)芰康霓D(zhuǎn)化。同時(shí)要求中學(xué)生對(duì)自己的判定結(jié)果找尋證據(jù)，說(shuō)明能量發(fā)生轉(zhuǎn)化的根據(jù)。中學(xué)生能從鼓掌后“手的覺(jué)得”“手掌變紅”等現(xiàn)實(shí)證據(jù)來(lái)說(shuō)明“機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能”。再進(jìn)一步推論：手的機(jī)械能是如何轉(zhuǎn)化而至的，因而再推斷是“由物理能轉(zhuǎn)化而至的”。
2.對(duì)比史實(shí)資源，體驗(yàn)?zāi)芰哭D(zhuǎn)化
選擇19世紀(jì)初發(fā)覺(jué)的圍繞電磁轉(zhuǎn)化的史實(shí)資源進(jìn)行剖析，以體驗(yàn)?zāi)芰哭D(zhuǎn)化的特點(diǎn)。
1.1800年，荷蘭化學(xué)學(xué)家伏特發(fā)明伏打電堆。（能→能）
其后，好多科學(xué)家做了物質(zhì)電解實(shí)驗(yàn)。（能→能）
2.1820年，法國(guó)化學(xué)學(xué)家?jiàn)W斯特做了電壓的磁效應(yīng)實(shí)驗(yàn)。（能→能）
3.1821年，荷蘭化學(xué)學(xué)家塞貝克將兩條不同金屬線(xiàn)首尾相連產(chǎn)生兩個(gè)結(jié)點(diǎn)，加熱其中的一個(gè)結(jié)，再使另一個(gè)結(jié)保持高溫，電路形成電壓。（能→能）
4.1831年，法拉第發(fā)覺(jué)電磁感應(yīng)現(xiàn)象。（能→能）
5.1834年，加拿大科學(xué)家帕爾帖將兩種不同金屬構(gòu)成回路，并通直流電，則兩個(gè)接頭間存在溫差。
（能→能）
在中學(xué)生對(duì)5個(gè)實(shí)例進(jìn)行判定后，引導(dǎo)中學(xué)生建構(gòu)如圖1所示的判定能量轉(zhuǎn)化的模型。
科學(xué)史資源本身常常能彰顯科學(xué)本質(zhì)，是理解科學(xué)本質(zhì)的顯性路徑。組織中學(xué)生討論：
上述5條科學(xué)史涉及的能量變化為何都集中在19世紀(jì)初？這對(duì)研究能量守恒定理有哪些影響？
盡管這樣的問(wèn)題比較“虛”，離科學(xué)知識(shí)與技能比較遙遠(yuǎn)，但正是它的“虛”，對(duì)中學(xué)生理解科學(xué)本質(zhì)、形成科學(xué)精神有很大的作用。每一項(xiàng)科學(xué)風(fēng)波自有其特定的歷史文化背景和特定底泥，科學(xué)不是人類(lèi)歷史上的孤立風(fēng)波，她是人類(lèi)歷史文化的一部份。
3.呈現(xiàn)邁爾資源，解釋評(píng)價(jià)現(xiàn)象
材料一：1840年7月，邁爾抵達(dá)菲律賓尼西亞的東蘇拉威西省省會(huì)城市定陶。在航行期間,邁爾與船員們聊天時(shí)得知,海水在暴風(fēng)雨時(shí)比較熱。
引導(dǎo)中學(xué)生科學(xué)地解釋現(xiàn)象，建立科學(xué)解釋模型。解釋遵守“以終為始，逆向推理”的原則，根據(jù)如圖2的思維過(guò)程：
材料二：1840年7月，邁爾抵達(dá)美國(guó)尼西亞的東蘇拉威西省省會(huì)城市高唐，邁爾為一些得病的船員放血。他發(fā)覺(jué)靜脈血比他預(yù)期的更為暗紅。請(qǐng)解釋船員靜脈血暗紅的誘因。
材料二給定的信息少，問(wèn)題劣構(gòu)，解釋難度大。材料并未告知美國(guó)與墨西哥地理位置不同導(dǎo)致對(duì)人體的不同影響，也未告知環(huán)境溫度對(duì)人體細(xì)胞呼吸作用硬度的影響。因此，若要降低難度，可提供如圖3所示信息。
同樣，“以終為始，逆向推理”的過(guò)程如圖4所示：
盡管邁爾對(duì)上述兩個(gè)現(xiàn)象的思維與推理過(guò)程是定性的，但他把能量轉(zhuǎn)化的領(lǐng)域拓展到生理學(xué)、自然界，并覺(jué)得它們是統(tǒng)一的。邁爾提早假設(shè)能量“既不會(huì)陡然創(chuàng)生，也不會(huì)陡然消失”，這才有這么符合邏輯的解釋。定性的思索與推理其實(shí)不能帶來(lái)讓人信服的證據(jù)，但為后繼嚴(yán)密的推理出“熱功當(dāng)量值”奠定基礎(chǔ)。
4.建立抽象模型，重演歷史事實(shí)
假如僅僅只有前兩則材料的思索科學(xué)有什么守恒定律，邁爾絕不可能成為建立能量守恒定理的重要科學(xué)家。他的重要貢獻(xiàn)在于對(duì)能量多領(lǐng)域的思索與闡述，其中既有哲學(xué)的思辨，又有科學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)。將邁爾對(duì)“一定質(zhì)量二氧化碳作等壓放熱與等容放熱”進(jìn)行對(duì)比，并將其過(guò)程轉(zhuǎn)化成中學(xué)中學(xué)生能理解的類(lèi)似于內(nèi)燃機(jī)的做功沖程的模型，進(jìn)而就有了如下問(wèn)題的設(shè)置：
須要強(qiáng)調(diào)的是：①案例1里的情景設(shè)置正是邁爾等壓放熱與等容放熱的形象化模型，是真實(shí)科學(xué)史資源的轉(zhuǎn)化；②邁爾選擇常壓下的二氧化碳進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，是由于常壓下的二氧化碳可近似為理想二氧化碳，不須要考慮其分子勢(shì)能的變化，即內(nèi)能的降低可通過(guò)體溫（分子平均動(dòng)能）的下降來(lái)反映；③案例1并不是承襲邁爾的推理邏輯來(lái)求熱功當(dāng)量，而是借助能量守恒的前提來(lái)統(tǒng)一功和能的關(guān)系；④案例1中設(shè)置的問(wèn)題（1）純粹是為了減少問(wèn)題（2）過(guò)大的思維跨徑；⑤Q2與Q1的關(guān)系為：Q2-Q1=W=FL=p0SL；⑥基于案例1引導(dǎo)中學(xué)生列出現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用實(shí)例。中學(xué)生對(duì)⑥能列舉“內(nèi)燃機(jī)的做功沖程”和“給密閉的錐形瓶充氣時(shí)瓶蓋被沖出”兩個(gè)反例。
5.展示焦耳資源，剖析裝置內(nèi)涵
因焦耳定律己在新課學(xué)過(guò)，故以焦耳的熱功當(dāng)量實(shí)驗(yàn)作為備考課教學(xué)資源。
案例2：焦耳通過(guò)嚴(yán)密的實(shí)驗(yàn)檢測(cè)出物體受力做功時(shí)機(jī)械能與轉(zhuǎn)化的熱能，覺(jué)得能量是守恒的。實(shí)驗(yàn)裝置如圖6所示。
（1）寫(xiě)出實(shí)驗(yàn)工作原理。
（2）該實(shí)驗(yàn)?zāi)苷f(shuō)明哪些問(wèn)題？
（3）影響實(shí)驗(yàn)偏差的可能誘因是哪些？
課堂只定性剖析焦耳實(shí)驗(yàn)原理、意義和彰顯實(shí)驗(yàn)裝置原理的本質(zhì)特點(diǎn)，而不作定量的估算探求。
6.比較成果資源，理解科學(xué)本質(zhì)
比較邁爾、焦耳和亥姆霍茲對(duì)能量守恒定理的貢獻(xiàn)，能讓中學(xué)生真正理解“理論”與“定律”的科學(xué)本質(zhì)。故課在總結(jié)時(shí)呈現(xiàn)如表3所示的表格。
表3邁爾、焦耳和亥姆霍茲兩人對(duì)能量守恒定理研究的比較
比較項(xiàng)目
邁爾
焦耳
亥姆霍茲
研究領(lǐng)域
動(dòng)物體熱（生理學(xué)）
熱學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)（機(jī)械）
所有領(lǐng)域
獨(dú)立研究
是
是
是
成就特點(diǎn)
理智推理
實(shí)驗(yàn)探求
用純粹數(shù)學(xué)（物理）語(yǔ)言全面論證
理論或定理
理論
理論
定理
通過(guò)能量守恒定理的科學(xué)史實(shí)資源理解科學(xué)本質(zhì)，關(guān)鍵在于體驗(yàn)不同方式能量之間從定性到定量的變化。課堂圍繞如圖7所示的板書(shū)進(jìn)行小結(jié)。
參考文獻(xiàn)：
[1][2]中華人民共和國(guó)教育部擬定.義務(wù)教育中學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）[S].上海：上海師范學(xué)院出版社，2011：8，37.
[3]蔡呈騰,黃京河.基于科學(xué)素質(zhì)測(cè)評(píng)框架的數(shù)學(xué)備考課設(shè)計(jì)——以“電與磁”為例[J].化學(xué)之友,2021,37(01):1-4+8.
[4]王晶瑩.科學(xué)本質(zhì)觀與科學(xué)探究的意義及實(shí)踐——美國(guó)李德曼院士采訪(fǎng)錄[J].全球教育展望,2008(02):3-6.
