以科學(xué)史為教學(xué)資源重構(gòu)科學(xué)規(guī)律復(fù)習(xí)課
——以“能量守恒定律”的復(fù)習(xí)為例

蔡呈騰

(浙江省溫州市第二外國語學(xué)校，浙江 溫州 325000)

《義務(wù)教育初中科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2011年版)》(以下簡稱“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]為幫助學(xué)生復(fù)習(xí)能量轉(zhuǎn)化與守恒定律，依據(jù)科學(xué)觀念、科學(xué)思維、探究實(shí)踐和態(tài)度責(zé)任四個(gè)方面的培養(yǎng)要求，有必要充分開發(fā)、利用科學(xué)史教學(xué)資源。

1 科學(xué)史教學(xué)資源分析

科學(xué)史上發(fā)現(xiàn)能量守恒定律的時(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。此前人類對能量守恒的探索已經(jīng)做了大量的工作：一是在生產(chǎn)領(lǐng)域的感知，以摩擦取火為代表；二是在哲學(xué)領(lǐng)域探討，從“死力”“活力”到能量和功；三是在工程領(lǐng)域呈現(xiàn)，主要是瓦特生活時(shí)代的工程師們對蒸汽機(jī)的發(fā)明與改良；四是在理論領(lǐng)域的辯論；五是在科學(xué)領(lǐng)域的研究，主要是邁爾、焦耳和亥姆霍茲的工作。

上述五個(gè)領(lǐng)域內(nèi)容并非都適合作為教學(xué)資源，成為教學(xué)資源的科學(xué)史應(yīng)具備以下特征：

(1) 適標(biāo)性。指科學(xué)史作為教學(xué)資源能符合課程標(biāo)準(zhǔn)要求。要理解能量守恒，需要應(yīng)用大量的“做功”實(shí)例，而功是能量轉(zhuǎn)化的量度，課標(biāo)要求能“通過實(shí)例認(rèn)知能的轉(zhuǎn)化的普遍性，知道能量守恒定律”。[1]

(2) 難易度?？茖W(xué)史作為教學(xué)資源，其內(nèi)容本身存在知識(shí)理解的難易程度問題。本課例授課對象為九年級學(xué)生，科學(xué)史教學(xué)資源不能太簡單，如像“摩擦取火”不能滿足復(fù)習(xí)課“溫故知新”的需求，而像“不同時(shí)期蒸汽機(jī)設(shè)計(jì)原理的探討和結(jié)構(gòu)認(rèn)知”、亥姆霍茲基于數(shù)學(xué)的推理等，又超出了學(xué)生認(rèn)知水平。

(3) 活動(dòng)性。課堂教學(xué)以活動(dòng)為載體，學(xué)習(xí)才能真實(shí)發(fā)生?？茖W(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)下完成信息獲取、思維加工和成果表達(dá)。

結(jié)合適標(biāo)性、難易度和活動(dòng)性的要求，筆者選擇邁爾和焦耳對能量轉(zhuǎn)化的研究作為本節(jié)課的主要內(nèi)容。

2 選擇科學(xué)史上能量守恒定律發(fā)現(xiàn)例證的教學(xué)資源

PISA2015科學(xué)素養(yǎng)測評框架中的關(guān)鍵能力包括科學(xué)地解釋現(xiàn)象、設(shè)計(jì)和評價(jià)科學(xué)探究、科學(xué)地闡釋數(shù)據(jù)和證據(jù)等能力要素。[2]結(jié)合物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)要求，以邁爾、焦耳對能量守恒的研究為教學(xué)資源，可從表1中作出選擇。

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”的方式進(jìn)行形象化處理，開發(fā)為教學(xué)資源。這個(gè)實(shí)例已在內(nèi)燃機(jī)氣缸的做功沖程中得到實(shí)踐檢驗(yàn)，相當(dāng)于工程技術(shù)的理論解釋。故將邁爾論文中的理論推導(dǎo)轉(zhuǎn)化為模型實(shí)例，這是能量轉(zhuǎn)化過程中能量守恒的較好例證。

但僅有表1中的四個(gè)案例，還不能聯(lián)結(jié)整節(jié)課的內(nèi)容。故此，在表1所列科學(xué)史資源的基礎(chǔ)上，增加了表2的內(nèi)容。

表1

表2

亥姆霍茲對能量守恒的研究主要是基于數(shù)學(xué)推理，在邁爾和焦耳的研究基礎(chǔ)上使其上升為科學(xué)定律，從科學(xué)本質(zhì)的角度來看，它符合美國著名學(xué)者李德曼將科學(xué)本質(zhì)內(nèi)涵從六個(gè)方面建立的分析框架中的第6個(gè)方面，即科學(xué)理論和定律的功能,以及他們之間的關(guān)系。[3]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(guān)系的最好載體。

3 開發(fā)科學(xué)史素材為教學(xué)資源的課例

要使課堂上發(fā)生有效的學(xué)習(xí)，最有效的手段就是生成問題，激活思維，形成矛盾沖突。利用科學(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，需要將選定的資源轉(zhuǎn)化為一個(gè)個(gè)活動(dòng)和問題，引導(dǎo)學(xué)生去體驗(yàn)和思考。

3.1 分析現(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“能量守恒定律”的復(fù)習(xí)課，由于有許多校外教師來聽課，上課開始時(shí)建議學(xué)生用熱烈的掌聲表達(dá)對聽課老師的歡迎。

引入課題并設(shè)問：鼓掌過程中有能量轉(zhuǎn)化嗎？你的證據(jù)是什么？

通過分析當(dāng)下學(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)要求學(xué)生為自己的判斷尋找證據(jù)，說明能量發(fā)生轉(zhuǎn)化的依據(jù)。學(xué)生能從鼓掌后“手的感覺”“手掌變紅”等證據(jù)來說明“機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能”，會(huì)思考：手的機(jī)械能是怎么轉(zhuǎn)化而來的？從而推測是“由化學(xué)能轉(zhuǎn)化而來的”。

3.2 對比史料資源，體驗(yàn)?zāi)芰哭D(zhuǎn)化

選擇19世紀(jì)初發(fā)現(xiàn)的圍繞電磁轉(zhuǎn)化的科學(xué)史料進(jìn)行分析，以體驗(yàn)?zāi)芰哭D(zhuǎn)化的特征。

(1) 1800年意大利物理學(xué)家伏特發(fā)明伏打電堆,其后很多科學(xué)家做了電解實(shí)驗(yàn)。

(2) 1820年丹麥物理學(xué)家奧斯特發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)。

(3) 1821年德國物理學(xué)家塞貝克將兩條不同材料的金屬線首尾相連形成兩個(gè)結(jié)點(diǎn)，加熱其中的一個(gè)結(jié)，再使一個(gè)結(jié)保持低溫，在電路中會(huì)產(chǎn)生電流。

(4) 1831年法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象。

(5) 1834年法國科學(xué)家帕爾帖將兩種不同金屬構(gòu)成回路，并通以直流電，則兩個(gè)接頭間存在溫差。

在學(xué)生對5個(gè)實(shí)例進(jìn)行分析后，引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)如圖1所示的判斷能量轉(zhuǎn)化的模型。

圖1

科學(xué)史資源本身往往能體現(xiàn)科學(xué)本質(zhì)，將其引入教學(xué)是理解科學(xué)本質(zhì)的顯性路徑。

組織學(xué)生討論：上述科學(xué)史上涉及能量轉(zhuǎn)化的研究為什么都集中在19世紀(jì)初？這對發(fā)現(xiàn)能量守恒定律有什么影響？

雖然這樣的問題比較“虛”，離科學(xué)知識(shí)與技能比較遙遠(yuǎn)，但正是它的“虛”，對學(xué)生理解科學(xué)本質(zhì)、養(yǎng)成科學(xué)精神具有很大的作用。每一科學(xué)事件都有其特定的歷史文化背景，科學(xué)不是人類歷史上的孤立事件，是人類歷史文化的一部分。

3.3 呈現(xiàn)邁爾的研究過程，解釋、評價(jià)現(xiàn)象

材料一：1840年7月，在海上航行期間,邁爾在與海員們聊天時(shí)獲知,海水在下暴雨時(shí)會(huì)比較熱。

引導(dǎo)學(xué)生科學(xué)地解釋現(xiàn)象，構(gòu)建科學(xué)模型。解釋遵循“以終為始，逆向推理”的原則，按照圖2所示的思維過程展開。

圖2

材料二：1840年7月，邁爾為一些生病的海員放血，他發(fā)現(xiàn)熱帶地區(qū)人的靜脈血比他預(yù)期的更為鮮紅。請解釋熱帶地區(qū)海員靜脈血鮮紅的原因。

材料二給定的信息較少，為劣構(gòu)問題，解釋難度大。材料并未告知德國與印尼地理位置不同對人體的不同影響，也未告知環(huán)境氣溫對人體呼吸作用強(qiáng)度的影響。為此，若要減少難度，可提供如圖3所示信息。

圖3

同樣，“以終為始，逆向推理”的過程如圖4所示。

圖4

雖然邁爾對上述兩個(gè)現(xiàn)象的思維與推理過程是定性的，但他把能量轉(zhuǎn)化拓展到生理學(xué)、自然界，并認(rèn)為它們是統(tǒng)一的。邁爾假定：能量“既不會(huì)憑空創(chuàng)生，也不會(huì)憑空消失”，這才有符合邏輯的解釋。定性思考與推理雖然不能帶來讓人信服的證據(jù)，但為后續(xù)嚴(yán)密地研究“熱功當(dāng)量值”奠定了基礎(chǔ)。

3.4 構(gòu)建具象模型，重演歷史事實(shí)

如果僅僅只有前兩則材料的思考，邁爾絕不可能成為發(fā)現(xiàn)能量守恒定律的重要科學(xué)家。他的重要貢獻(xiàn)在于對多領(lǐng)域的思考與論述，其中既有哲學(xué)的思辨，又有科學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)。邁爾對“一定質(zhì)量氣體作等壓吸熱與等容吸熱”進(jìn)行了對比，我們可將其過程轉(zhuǎn)化成初中學(xué)生能理解的類似于內(nèi)燃機(jī)的做功沖程的模型，從而就有了如下問題的設(shè)置。

案例一：在甲和乙兩個(gè)體積相同的絕熱容器內(nèi)分別封閉1 g相同種類的氣體。其中甲容器是密閉的，乙容器中的擋板AB可以在水平方向上無摩擦運(yùn)動(dòng)(圖5)。分別對甲、乙容器內(nèi)的氣體加熱使其吸收Q1、Q2的熱量，使它們的溫度都升高1 ℃。

圖5

(1)Q1和Q2相等嗎？

(2) 已知大氣壓為p0,擋板AB的面積為S，AB移動(dòng)的距離為L。請列出Q2與Q1的關(guān)系式。

需要指出的是：(1) 案例一中情境設(shè)置正是邁爾等容吸熱與等壓吸熱的物理模型，是真實(shí)科學(xué)史資源的轉(zhuǎn)化；(2) 邁爾選擇常壓下的氣體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，是因?yàn)槌合碌臍怏w可近似為理想氣體，不需要考慮其分子勢能的變化，即內(nèi)能的增加可通過溫度(分子平均動(dòng)能)的升高來反映；(3) 案例一并不是沿用邁爾的推理邏輯來求熱功當(dāng)量，而是利用能量守恒闡釋功和能的關(guān)系；(4) 案例一中設(shè)置第(1)問，是為了減小第(2)問中過大的思維跨度；(5)Q2與Q1的關(guān)系為：Q2-Q1=W=FL=p0SL；(6) 基于案例一引導(dǎo)學(xué)生列舉現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用實(shí)例，學(xué)生能舉出“內(nèi)燃機(jī)的做功沖程”和“給密閉的錐形瓶充氣時(shí)瓶塞被沖出”兩個(gè)例子。

3.5 展示焦耳的實(shí)驗(yàn)研究過程，分析裝置內(nèi)涵

因?qū)W生已學(xué)過焦耳定律，故以焦耳的熱功當(dāng)量實(shí)驗(yàn)作為復(fù)習(xí)課教學(xué)資源。

案例二：焦耳通過嚴(yán)密的實(shí)驗(yàn)，說明力對物體做功時(shí)機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，認(rèn)為能量是守恒的，并測出它們的當(dāng)量關(guān)系，實(shí)驗(yàn)裝置如圖6所示。

圖6

(1) 說明實(shí)驗(yàn)原理。

(2) 該實(shí)驗(yàn)?zāi)苷f明什么問題？

(3) 影響實(shí)驗(yàn)誤差的可能因素有哪些？

在課堂上只定性分析焦耳實(shí)驗(yàn)原理、意義和實(shí)驗(yàn)裝置的本質(zhì)特征，而不作定量探索。

3.6 比較物理學(xué)家的研究成果，理解科學(xué)本質(zhì)

比較邁爾、焦耳和亥姆霍茲對能量守恒定律的貢獻(xiàn)，能讓學(xué)生理解科學(xué)本質(zhì)，筆者在課堂總結(jié)時(shí)呈現(xiàn)了表3。

表3

利用能量守恒定律的科學(xué)史資源理解科學(xué)本質(zhì)，關(guān)鍵在于從定性到定量體驗(yàn)不同形式能量之間的相互轉(zhuǎn)化，筆者利用圖7進(jìn)行小結(jié)。

圖7