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[!--downpath--]本文摘要：
以科學史為教學資源建立能量轉化與守恒定理的備考課，通過查閱科學史上能量基本概念變遷實驗是能量守恒定理的發覺，而對能量守恒定理的發覺貢獻最大的是邁爾、焦耳和亥姆霍茲。比較發覺她們的研究過程作為教學資源開發備考課課例，選擇邁爾和焦耳的研究作為典型教學資源建立能量守恒定理的課程內容。通過解釋與評價邁爾的發覺、推理與論證邁爾的結論、模型與建構焦耳的實驗、比較與剖析兩人的成果來逐漸再現科學史上能量守恒定理作為教學資源的課程內容，因而備考建構能量守恒定理。
關鍵詞：科學史教學資源能量守恒定理備考課
《義務教育中學科學課程標準（2011年版）》（以下簡稱“課標”）中“能與能源”主題包括“能的轉化與能量守恒”和“能源與社會”[1]，幫助中學生建構能量轉化與守恒定理是中學科學課程任務之一。為幫助中學生建立能量轉化與守恒定理，根據科學觀念、科學思維、探究實踐和心態責任四個維度素質要求，開發借助科學史教學資源。
一、查閱科學史上能量基本概念演進實例的教學資源
科學史上發覺能量守恒定理的時間大致集中在1842年到1847年之間，由邁爾、焦耳、亥姆霍茲等人完成。在發覺能量守恒定理之前科學有什么守恒定律，人類對能量的探求早已做了大量的工作：一是生產領域感知，以磨擦取火為代表；二是哲學領域闡述，從“死力”“活力”到能量和功；三是工程領域呈現，主要是瓦特生活時代的工程師們對蒸氣機的發明與改良；四是理論領域爭論，關于熱的本質；五是科學領域研究，主要是邁爾、焦耳和亥姆霍茲的工作。
二、分析科學史上能量守恒定理典型特點的教學資源
如上五個領域內容并非都適宜作為教學資源。成為教學資源的科學史審視三個特點：
1.適標性。指科學史作為教學資源能符合課程目標要求。要理解能量的概念，須要從大量的“做功”實例來實現。而做功的本質就是能量轉化的量度。課標要求能“通過實例認知能的轉化的普遍性，曉得能量守恒定理”[2]。
2.難易度。科學史作為教學資源的內容本身存在知識理解的難易程度問題。本課例講課對象為九年級中學生，科學史教學資源不能太簡單，如像“摩擦取火”不能滿足備考課要求“溫故知新”的需求。而像“不同時期蒸氣機設計原理的闡述和結構認知”和亥姆霍茲基于物理的推理等，已超出學生學力水平。
3.活動性。課堂教學以活動為載體，學習能夠真實發生。科學史作為教學資源必須能轉化為教學（學習）活動，能在特定的教學（學習）任務下完成信息的獲取、思維的加工和成果的抒發。
結合適標性、難易性和活動性的要求，在能量轉化的過程中建立能量守恒觀念，最終選擇邁爾和焦耳對能量轉化的研究作為本節課的主要內容。
三、選擇科學史上能量守恒定理發覺例證的教學資源
科學素質測評框架中的關鍵能力包括科學地解釋現象、設計和評價科學探究、科學地詮釋數據和證據等能力要素[3]。結合課程核心素質要素，以邁爾、焦耳對能量守恒原理為教學資源，可從表1所示做出選擇：
表1能量守恒定理發覺例證的能力與目標
序號
科學史素材轉化的資源
能力要素
對應備考目標
（邁爾）暴風雨將至時海水比較熱。
科學地解釋現象
2.通過探究邁爾、焦耳等科學家的理論推論與實驗過程，培養剖析、評價的高階思維能力，從客觀事實和實驗證據中構建能量守恒定理。
4.基于邁爾、焦耳和亥姆霍茲等人的科學研究史實，感受科學研究是不斷否定、質疑、修正、完善的過程。
（邁爾）在印度時海員的靜脈血是暗紅的。
科學地詮釋證據
（邁爾）對等容比熱容與等壓比熱容的對比研究＊
評價科學探究
（焦耳）熱功當量實驗
科學地解釋現象
科學地詮釋數據與證據
設計和評價科學探究
序號3中邁爾對等容比熱容與等壓比熱容的對比研究可通過“畫模型圖”的形式進行具體形象化，開發為教學資源。這些實例已被內燃機汽缸的做功沖程給與實踐檢驗，相當于實踐工程技術的理論注釋。故將邁爾論文中的理論推論轉化為模型實例，正是能量轉化過程中能量守恒的最好例證。
但僅有表1的四例，還不能連結整節課的內在邏輯。甚或，在表1所列科學史資源的邏輯體系下，降低了如表2的內容。
表2能量守恒定理發覺關聯例證的能力與目標
序號
環節
科學史資源轉化的活動
能力要素
對應備考目標
引入
①分析鼓掌時能量轉化以及轉化的證據。
②19世紀初科學史上一系列能量轉化重要例子剖析。
科學地解釋現象
1.通過舉例來說明物體具有能量，會判定不同方式的能量，理解不同方式能量之間是可以轉化；曉得做功是改變能量的一種形式；能提供能量轉化可觀測的證據，培養舉證能力。
3.體會科學的發展與特定的社會政治、經濟、工業等發展不可分割；感受科學發展過程中從理論到定理的轉化過程。
比較
列表比較邁爾、焦耳以及亥姆霍茲關于能量轉化與守恒的研究。
評價科學探究
亥姆霍茲對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建的理論體系基礎上上升為科學定理。從科學本質的角度來看，它符合美國知名學者李德曼將科學本質內涵從六個方面構建的剖析框架中的第6個方面，即科學理論和定理的功能,以及她們之間的關系[4]。而比較邁爾、焦耳和亥姆霍茲對能量守恒的研究，就是理解“理論”與“定律”間關系的最好載體。
四、開發科學史上能量守恒定理為教學資源的課例
要使課堂上發生有效的學習，最有效的手段就是形成問題，迸發思維，產生矛盾沖突。借助科學史作為教學資源，最忌諱的就是把科學史素材作為閱讀材料。故將選取的資源轉化為一個個活動和問題，引導中學生去體驗和思索。
1.剖析現實資源，引入課題內容
筆者在一次送教下鄉活動中上了此課例。因為有許多校外班主任來聽課，上課開始時建議中學生用熱烈的掌聲抒發對來自各個校區老師的歡迎。在中學生鼓掌后，引入課題通感：
鼓掌過程中有能量轉化嗎？你的證據是哪些？
通過剖析當下中學生正在體驗的活動作為教學資源，體驗能量的轉化。同時要求中學生對自己的判定結果找尋證據，說明能量發生轉化的根據。中學生能從鼓掌后“手的覺得”“手掌變紅”等現實證據來說明“機械能轉化為熱能”。再進一步推論：手的機械能是如何轉化而至的，因而再推斷是“由物理能轉化而至的”。
2.對比史實資源，體驗能量轉化
選擇19世紀初發覺的圍繞電磁轉化的史實資源進行剖析，以體驗能量轉化的特點。
1.1800年，荷蘭化學學家伏特發明伏打電堆。（能→能）
其后，好多科學家做了物質電解實驗。（能→能）
2.1820年，法國化學學家奧斯特做了電壓的磁效應實驗。（能→能）
3.1821年，荷蘭化學學家塞貝克將兩條不同金屬線首尾相連產生兩個結點，加熱其中的一個結，再使另一個結保持高溫，電路形成電壓。（能→能）
4.1831年，法拉第發覺電磁感應現象。（能→能）
5.1834年，加拿大科學家帕爾帖將兩種不同金屬構成回路，并通直流電，則兩個接頭間存在溫差。
（能→能）
在中學生對5個實例進行判定后，引導中學生建構如圖1所示的判定能量轉化的模型。
科學史資源本身常常能彰顯科學本質，是理解科學本質的顯性路徑。組織中學生討論：
上述5條科學史涉及的能量變化為何都集中在19世紀初？這對研究能量守恒定理有哪些影響？
盡管這樣的問題比較“虛”，離科學知識與技能比較遙遠，但正是它的“虛”，對中學生理解科學本質、形成科學精神有很大的作用。每一項科學風波自有其特定的歷史文化背景和特定底泥，科學不是人類歷史上的孤立風波，她是人類歷史文化的一部份。
3.呈現邁爾資源，解釋評價現象
材料一：1840年7月，邁爾抵達菲律賓尼西亞的東蘇拉威西省省會城市定陶。在航行期間,邁爾與船員們聊天時得知,海水在暴風雨時比較熱。
引導中學生科學地解釋現象，建立科學解釋模型。解釋遵守“以終為始，逆向推理”的原則，根據如圖2的思維過程：
材料二：1840年7月，邁爾抵達美國尼西亞的東蘇拉威西省省會城市高唐，邁爾為一些得病的船員放血。他發覺靜脈血比他預期的更為暗紅。請解釋船員靜脈血暗紅的誘因。
材料二給定的信息少，問題劣構，解釋難度大。材料并未告知美國與墨西哥地理位置不同導致對人體的不同影響，也未告知環境溫度對人體細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”的過程如圖4所示：
盡管邁爾對上述兩個現象的思維與推理過程是定性的，但他把能量轉化的領域拓展到生理學、自然界，并覺得它們是統一的。邁爾提早假設能量“既不會陡然創生，也不會陡然消失”，這才有這么符合邏輯的解釋。定性的思索與推理其實不能帶來讓人信服的證據，但為后繼嚴密的推理出“熱功當量值”奠定基礎。
4.建立抽象模型，重演歷史事實
假如僅僅只有前兩則材料的思索科學有什么守恒定律，邁爾絕不可能成為建立能量守恒定理的重要科學家。他的重要貢獻在于對能量多領域的思索與闡述，其中既有哲學的思辨，又有科學的嚴謹。將邁爾對“一定質量二氧化碳作等壓放熱與等容放熱”進行對比，并將其過程轉化成中學中學生能理解的類似于內燃機的做功沖程的模型，進而就有了如下問題的設置：
須要強調的是：①案例1里的情景設置正是邁爾等壓放熱與等容放熱的形象化模型，是真實科學史資源的轉化；②邁爾選擇常壓下的二氧化碳進行實驗，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能的變化，即內能的降低可通過體溫（分子平均動能）的下降來反映；③案例1并不是承襲邁爾的推理邏輯來求熱功當量，而是借助能量守恒的前提來統一功和能的關系；④案例1中設置的問題（1）純粹是為了減少問題（2）過大的思維跨徑；⑤Q2與Q1的關系為：Q2-Q1=W=FL=p0SL；⑥基于案例1引導中學生列出現實生活中的應用實例。中學生對⑥能列舉“內燃機的做功沖程”和“給密閉的錐形瓶充氣時瓶蓋被沖出”兩個反例。
5.展示焦耳資源，剖析裝置內涵
因焦耳定律己在新課學過，故以焦耳的熱功當量實驗作為備考課教學資源。
案例2：焦耳通過嚴密的實驗檢測出物體受力做功時機械能與轉化的熱能，覺得能量是守恒的。實驗裝置如圖6所示。
（1）寫出實驗工作原理。
（2）該實驗能說明哪些問題？
（3）影響實驗偏差的可能誘因是哪些？
課堂只定性剖析焦耳實驗原理、意義和彰顯實驗裝置原理的本質特點，而不作定量的估算探求。
6.比較成果資源，理解科學本質
比較邁爾、焦耳和亥姆霍茲對能量守恒定理的貢獻，能讓中學生真正理解“理論”與“定律”的科學本質。故課在總結時呈現如表3所示的表格。
表3邁爾、焦耳和亥姆霍茲兩人對能量守恒定理研究的比較
比較項目
邁爾
焦耳
亥姆霍茲
研究領域
動物體熱（生理學）
熱學、熱學、力學（機械）
所有領域
獨立研究
是
是
是
成就特點
理智推理
實驗探求
用純粹數學（物理）語言全面論證
理論或定理
理論
理論
定理
通過能量守恒定理的科學史實資源理解科學本質，關鍵在于體驗不同方式能量之間從定性到定量的變化。課堂圍繞如圖7所示的板書進行小結。
參考文獻：
[1][2]中華人民共和國教育部擬定.義務教育中學科學課程標準（2011年版）[S].上海：上海師范學院出版社，2011：8，37.
[3]蔡呈騰,黃京河.基于科學素質測評框架的數學備考課設計——以“電與磁”為例[J].化學之友,2021,37(01):1-4+8.
[4]王晶瑩.科學本質觀與科學探究的意義及實踐——美國李德曼院士采訪錄[J].全球教育展望,2008(02):3-6.
