科學(xué)史促進(jìn)概念理解的“教·學(xué)·評(píng)”設(shè)計(jì)

摘 要：概念教學(xué)是傳授知識(shí)和培養(yǎng)科學(xué)素養(yǎng)的過(guò)程，在設(shè)計(jì)“熱機(jī)”時(shí)遵循“教·學(xué)·評(píng)”一體的理念，以熱機(jī)的發(fā)展歷程為主線(xiàn)展開(kāi)教學(xué)，對(duì)汽油機(jī)的結(jié)構(gòu)較難理解，采用類(lèi)比為輔線(xiàn)，將源部件與類(lèi)比部件進(jìn)行展開(kāi)，適時(shí)融入科學(xué)史來(lái)顯示概念形成的歷史背景、思維軌跡、認(rèn)識(shí)路線(xiàn)以及科學(xué)探索的艱辛，通過(guò)有效理解核心概念，逐步建構(gòu)和完善學(xué)生的概念體系.

關(guān)鍵詞：科學(xué)史;概念理解;教學(xué)評(píng)價(jià);熱機(jī)

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1008-4134（2021）06-0056-04

作者簡(jiǎn)介：沈強(qiáng)（1979-），男，浙江紹興人，碩士，中學(xué)高級(jí)教師，研究方向：概念理解的實(shí)踐和研究.

概念是反映客觀事物共同特點(diǎn)與本質(zhì)屬性的思維形式，是高級(jí)認(rèn)知活動(dòng)的基本單元，往往體現(xiàn)事物具有共同的屬性或特性，包括內(nèi)涵和外延兩個(gè)方面.概念學(xué)習(xí)是科學(xué)教育研究的核心領(lǐng)域，概念教學(xué)是一個(gè)指導(dǎo)認(rèn)識(shí)事物的本質(zhì)、同類(lèi)事物的共性和事物內(nèi)部聯(lián)系的過(guò)程，是傳授知識(shí)和培養(yǎng)科學(xué)素養(yǎng)的有機(jī)結(jié)合的過(guò)程.初中科學(xué)的概念教學(xué)，從難度和深度的層面上，往往存在著一些抽象難懂的概念.學(xué)生往往沒(méi)有有效的方法對(duì)概念的內(nèi)涵和外延進(jìn)行深入理解，更缺乏運(yùn)用自我思維能力去探知的能力.課堂上學(xué)生看上去好像“掌握了”科學(xué)概念，其實(shí)更多的只是停留在淺層的識(shí)記層面，沒(méi)有真正地深度理解更不能靈活地應(yīng)用.

20世紀(jì)90年代，由斯賓塞基金資助的零點(diǎn)項(xiàng)目和哈佛大學(xué)教育研究生院提出的“為理解而教”，倡導(dǎo)理解的教學(xué)逐漸成為國(guó)際教育研究的趨勢(shì).正如美國(guó)著名科學(xué)史家薩頓給科學(xué)史下的定義：“如果把科學(xué)定義為系統(tǒng)化的實(shí)證知識(shí)，或者看作是在不同時(shí)期不同地點(diǎn)所系統(tǒng)化的這樣一種知識(shí)， 那么科學(xué)史就是對(duì)這種知識(shí)發(fā)展的描述和說(shuō)明.” 在科學(xué)教育領(lǐng)域，概念理解也應(yīng)具有整體性、層次性、精細(xì)化這三個(gè)特征.浙教版教材“熱機(jī)”是“物體的內(nèi)能”最后一課時(shí)，是繼內(nèi)能、內(nèi)能改變、比熱容、熱量計(jì)算之后的一個(gè)全新概念.熱機(jī)的應(yīng)用與我們的生活密切相關(guān)，但里面的構(gòu)造是全新的，學(xué)生對(duì)熱機(jī)的“原理—構(gòu)造—功能”的聯(lián)系和理解有一定難度.采用科學(xué)史融入的“教·學(xué)·評(píng)”一體化設(shè)計(jì)，能有效促進(jìn)概念的理解.正如科學(xué)教育專(zhuān)家杜克所說(shuō)：“應(yīng)用科學(xué)史于科學(xué)教學(xué)與評(píng)價(jià)之中是一個(gè)充滿(mǎn)選擇的過(guò)程，何種科學(xué)史、誰(shuí)的科學(xué)史、為了什么目的而利用科學(xué)史都決定著課程、教學(xué)與評(píng)價(jià)的模式.”

1 教學(xué)目標(biāo)定位

以汽油機(jī)為例，說(shuō)出熱機(jī)的工作原理，知道內(nèi)能的利用在人類(lèi)社會(huì)發(fā)展史上的重要意義.

2 教學(xué)思路與框架

正如美國(guó)著名科學(xué)史家喬治·薩頓所言：“一部科學(xué)史，在很大程度上就是一部工具史.這些工具，無(wú)論有形或無(wú)形，由一系列人物創(chuàng)造出來(lái)，以解決他們遇到的某些問(wèn)題.每種工具和方法都是人類(lèi)智慧的結(jié)晶.”本節(jié)設(shè)計(jì)有兩大特點(diǎn).

一是以科學(xué)史促進(jìn)概念理解為主體思路，以熱機(jī)的發(fā)展歷程為主線(xiàn)（見(jiàn)表1），通過(guò)工具的列舉缺點(diǎn)法展開(kāi)，因?yàn)闊釞C(jī)的發(fā)明和發(fā)展本質(zhì)上就是技術(shù)創(chuàng)造和革新的過(guò)程，通過(guò)列舉原物體所存在的缺點(diǎn)，并逐一改進(jìn)，從而促進(jìn)新技術(shù)產(chǎn)品的誕生[1].

二是汽油機(jī)的結(jié)構(gòu)難理解采用類(lèi)比為輔線(xiàn)（見(jiàn)表2），將源部件與類(lèi)比部件進(jìn)行比對(duì)，通過(guò)熟悉的事物作為類(lèi)比模型，來(lái)比對(duì)需要理解的抽象構(gòu)造，促進(jìn)學(xué)生對(duì)熱機(jī)“原理—構(gòu)造—功能”的深層次理解.

3 教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施

3.1 媒體呈現(xiàn)1：出示瓦特發(fā)明的蒸汽機(jī)的結(jié)構(gòu)圖

師：在水蒸氣的推動(dòng)下，活塞向哪個(gè)方向運(yùn)動(dòng)？

生：向下.

提問(wèn)：活塞如何帶動(dòng)飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)，兩者之間要連接一個(gè)怎樣的裝置.

生：連一根桿子.

追問(wèn)：安裝在哪個(gè)部位？

生：……

3.2 媒體呈現(xiàn)2：觀看蒸汽機(jī)工作時(shí)的Flash動(dòng)畫(huà)

思考1：水蒸氣只能推動(dòng)活塞向下運(yùn)動(dòng)，是單向的，是什么使活塞又向上運(yùn)動(dòng)的呢？

生：飛輪的慣性.

師：活塞從汽缸的一端運(yùn)動(dòng)到另一端的過(guò)程為一個(gè)沖程，活塞不斷地往復(fù)交替，蒸汽機(jī)運(yùn)作起來(lái).瓦特蒸汽機(jī)的出現(xiàn)，給當(dāng)時(shí)社會(huì)帶來(lái)了第一次工業(yè)革命，很多地方都應(yīng)用到了蒸汽機(jī).

3.3 概念理解：曲軸和連桿

設(shè)計(jì)意圖：內(nèi)能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能，通過(guò)類(lèi)比模型來(lái)猜想構(gòu)造，使上下的往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)檠h(huán)的轉(zhuǎn)動(dòng)，這是技術(shù)上的一大飛躍，使動(dòng)力能持續(xù)輸出.

3.4 科學(xué)史補(bǔ)充

（1）古希臘時(shí)代，希羅發(fā)明過(guò)一種演示用的蒸汽輪球，當(dāng)加熱后蒸氣從噴嘴噴出時(shí)，輪球就會(huì)沿相反方向旋轉(zhuǎn).

（2）德國(guó)的巴本、英國(guó)的薩弗里和紐可門(mén)可以說(shuō)實(shí)際上是蒸汽機(jī)的發(fā)明者.薩弗里的蒸汽機(jī)，如此周而復(fù)始，達(dá)到連續(xù)抽水的目的.蒸汽機(jī)提水的高度據(jù)說(shuō)只有7米，每小時(shí)可提水十幾噸.但它需有人每隔十幾秒關(guān)一次閥門(mén).如果忘記啟閉閥門(mén)，就有可能引起鍋爐爆炸.

（3）紐可門(mén)蒸汽機(jī)的氣缸每次推動(dòng)活塞后都要噴進(jìn)冷水，使蒸氣凝結(jié)，所以氣缸要反復(fù)加熱，白白消耗掉許多熱能.

（4）1769年瓦特發(fā)明冷凝器，解決了制造精密氣缸和活塞的工藝，創(chuàng)造了單動(dòng)作蒸汽機(jī).經(jīng)過(guò)不斷試驗(yàn)，他又發(fā)明了雙動(dòng)作蒸汽機(jī)，從氣缸兩邊推動(dòng)活塞動(dòng)作.他利用曲柄結(jié)構(gòu)，使往復(fù)的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng).他還設(shè)計(jì)了離心式節(jié)速器控制蒸汽機(jī)的轉(zhuǎn)速.

3.5 媒體呈現(xiàn)3：出示關(guān)于當(dāng)時(shí)蒸汽機(jī)工作時(shí)的圖片和背景資料

思考2：它存在哪些方面的缺點(diǎn)？

生1：有污染.

生2：燃料在外部燃燒，造成熱量的浪費(fèi).

生3：要不斷添煤加水，消耗很大的勞動(dòng)力.

思考3：你覺(jué)得可以怎樣改進(jìn)？

生：用污染少的能源，將外部燃燒改成內(nèi)部燃燒，原料用機(jī)器輸送.

師：你們的想法和科學(xué)家一樣，科學(xué)家在蒸汽機(jī)的基礎(chǔ)上，就這些方面做了改進(jìn)，發(fā)明了內(nèi)燃機(jī)，接下來(lái)，我們就以?xún)?nèi)燃機(jī)中最常見(jiàn)的汽油機(jī)為例，來(lái)了解它的工作過(guò)程.

思考4：觀察比較蒸汽機(jī)和汽油機(jī)的結(jié)構(gòu)，說(shuō)說(shuō)它在結(jié)構(gòu)上做了哪些改進(jìn)？

生：增加了火花塞、進(jìn)氣門(mén)、排氣門(mén).

師：火花塞主要是能夠放電，點(diǎn)燃?xì)飧變?nèi)的氣體.

觀看汽油機(jī)的工作過(guò)程的相關(guān)視頻，完成表格填寫(xiě).

思考5：每一個(gè)沖程各個(gè)結(jié)構(gòu)是怎樣運(yùn)動(dòng)的，在簡(jiǎn)圖上分別用箭頭表示，并寫(xiě)出哪些沖程伴隨能量轉(zhuǎn)化，如何轉(zhuǎn)化.

提問(wèn)：（1）吸入的氣體是什么氣體？

（2）壓縮氣體有什么作用？

（3）點(diǎn)火應(yīng)該在什么時(shí)候進(jìn)行？

（4）整個(gè)過(guò)程中，只有哪一個(gè)沖程氣體在對(duì)外做功？

（5）汽油機(jī)剛開(kāi)始啟動(dòng)時(shí)，前兩個(gè)沖程中，活塞是靠什么來(lái)運(yùn)動(dòng)的？

生：……

一個(gè)汽缸的一個(gè)工作循環(huán)中，只有四分之一的時(shí)間在做功，效率比較低，所以普通私家車(chē)一般有4個(gè)汽缸，每個(gè)汽缸中的各個(gè)沖程交替進(jìn)行，能夠不斷地將內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，能夠讓汽車(chē)持續(xù)運(yùn)動(dòng)，獲得足夠的動(dòng)力，有些跑車(chē)有6個(gè)或8個(gè)汽缸，F(xiàn)1賽車(chē)有12個(gè)汽缸，來(lái)獲得更大的動(dòng)力.

3.6 概念理解：內(nèi)燃機(jī)的四個(gè)沖程

設(shè)計(jì)意圖：從蒸汽機(jī)的外燃向內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)變，是技術(shù)上的另一次飛躍.這是在發(fā)現(xiàn)外燃和冷卻需要損耗大量的熱能，并且在發(fā)現(xiàn)適合的易汽化、可燃性液體的基礎(chǔ)上，從根本上解決了原有的弊端.

3.7 媒體呈現(xiàn)4：蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)的工作視頻

師：飛機(jī)的出現(xiàn)，使我們的交通更加便捷.但飛機(jī)的運(yùn)行需要更大的持續(xù)動(dòng)力，和汽油機(jī)相比，飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)做了怎樣的改進(jìn)？

生：直接將燃?xì)馔瞥鋈?，利用作用力和反作用力，推?dòng)飛機(jī)前進(jìn)，與汽油機(jī)相比，減少了內(nèi)能的損失.

師：能否利用飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)推動(dòng)火箭進(jìn)入太空？

生：不能.

師：為什么，要做怎樣的改進(jìn)？

生：太空中沒(méi)有氧氣，沒(méi)有助燃劑，不能燃燒，需要增加儲(chǔ)存液氧的裝置.

小結(jié)：從蒸汽機(jī)、汽油機(jī)，到噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)都是利用內(nèi)能來(lái)做功，這一類(lèi)發(fā)動(dòng)機(jī)都稱(chēng)為熱機(jī).

熱機(jī)在工作時(shí)，都會(huì)向大氣排放污染氣體，從環(huán)保的角度，你覺(jué)得可以如何改進(jìn)？

生：……

師：對(duì)新型熱機(jī)的研究，人們正朝著、的方向前進(jìn).

生：高效率、無(wú)污染的方向.

3.8 概念理解：噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)、熱機(jī)

設(shè)計(jì)意圖：飛行需要連續(xù)輸出動(dòng)力，在改進(jìn)過(guò)程中需要去掉不做功的沖程，讓燃料無(wú)間斷地轉(zhuǎn)化能量.并且在太空中還需要攜帶助燃劑.幾次技術(shù)上的飛躍，都是在前面有弊端的基礎(chǔ)上，隨著科技發(fā)展逐步改善，滿(mǎn)足現(xiàn)有的要求.歸納出熱機(jī)的本質(zhì)特征是內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，也指明了熱機(jī)發(fā)展的前進(jìn)方向.

4 課后作業(yè)評(píng)價(jià)

筆者有幸參與2020年的初中畢業(yè)生學(xué)業(yè)考試的命題工作，因?yàn)樵O(shè)計(jì)過(guò)“熱機(jī)”這節(jié)課很有感受，所以在命制實(shí)驗(yàn)探究的過(guò)程中，就采用了以此為背景展開(kāi)對(duì)實(shí)驗(yàn)和探究要素的考查.

（2020年紹興卷 24題）熱機(jī)發(fā)明后，一直在持續(xù)的改進(jìn)和發(fā)展中.

材料一：1769年，法國(guó)人居紐制造出蒸汽機(jī)推動(dòng)的三輪汽車(chē)（如圖1甲所示），傳統(tǒng)蒸汽機(jī)的燃料在氣缸外部燃燒（如圖1乙所示），熱效率為5%-8%之間.

材料二：1862年，法國(guó)人德羅夏提出內(nèi)燃機(jī)（內(nèi)燃指燃料在氣缸內(nèi)燃燒）的四沖程循環(huán)理論：（1）氣缸向外運(yùn)動(dòng)造成的真空將混合氣體燃料吸入氣缸;（2）通過(guò)氣缸的向內(nèi)運(yùn)動(dòng)對(duì)進(jìn)入氣缸里的燃料進(jìn)行壓縮;（3）高壓燃燒氣體產(chǎn)生巨大爆發(fā)力;（4）將已經(jīng)燃燒的廢氣從氣缸中排出.

材料三：1876年，德國(guó)人奧托制造出以四沖程為依據(jù)的煤氣內(nèi)燃機(jī)，利用飛輪的慣性使四沖程自動(dòng)實(shí)現(xiàn)循環(huán)往復(fù)，內(nèi)燃機(jī)的效率達(dá)到14%.

（1）四沖程循環(huán)理論提及的“巨大爆發(fā)力”由下圖中的沖程實(shí)現(xiàn).

（2）德羅夏提到的內(nèi)燃方式是基于的猜想.

（3）老師在重復(fù)演示“做功改變內(nèi)能”實(shí)驗(yàn)（如圖2丙）之間，需在拔出活塞后將厚玻璃筒甩幾下，其目的與內(nèi)燃機(jī)的（選填“吸氣”“壓縮”“做功”或“排氣”）沖程的原理相似.

答案：（1）C;（2）燃料在氣缸內(nèi)燃燒，熱量散失少，熱效率高;（3）排氣.

評(píng)價(jià)：本題以“熱機(jī)”的改進(jìn)和發(fā)展的科學(xué)史為素材，以熱機(jī)的“外燃”到“內(nèi)燃”，從“理論”到“實(shí)踐”為材料主線(xiàn).熱機(jī)的背景是教材改版之后增加的內(nèi)容，與生活聯(lián)系緊密.引導(dǎo)學(xué)生理解科學(xué)的事實(shí)、概念和原理，領(lǐng)悟科學(xué)的思想和方法，培育科學(xué)精神.本題的設(shè)問(wèn)從理解四沖程循環(huán)理論來(lái)辨識(shí)“外燃”到“內(nèi)燃”飛躍的科學(xué)探究，猜想和聯(lián)系“做功改變內(nèi)能”實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)，并有效遷移這三個(gè)維度，學(xué)生通過(guò)解題的過(guò)程，就是瀏覽科學(xué)史的發(fā)展過(guò)程，也是深層理解人類(lèi)科技的歷史是科技發(fā)展的歷史、是工具發(fā)展的歷史.

在由 “潛”到 “顯” 的變化規(guī)律中，剖析學(xué)生的迷失概念，逐步建立有效的概念，讓學(xué)生的思維得以很好的外顯和建構(gòu).科學(xué)史的融入是選擇與教學(xué)相關(guān)的科學(xué)史內(nèi)容，將科學(xué)的運(yùn)作方式傳遞給學(xué)生，即將知識(shí)產(chǎn)生的真實(shí)背景和歷史過(guò)程，或者將科學(xué)思維和科學(xué)方法的發(fā)展過(guò)程，根據(jù)學(xué)生當(dāng)前的認(rèn)知水平有選擇地再現(xiàn)在學(xué)生面前，讓學(xué)生充分感受到前人的智慧能力、思維軌跡、認(rèn)識(shí)路線(xiàn)、科學(xué)方法以及科學(xué)探索的艱辛.通過(guò)這種能力立意的實(shí)驗(yàn)探究題，將主干核心知識(shí)點(diǎn)和科學(xué)方法很好串聯(lián)，重視考查學(xué)生的高階思維，具有很好的示范引領(lǐng)作用.

5 教學(xué)評(píng)效果和反思

本節(jié)教學(xué)設(shè)計(jì)圍繞熱機(jī)的概念，使學(xué)生深切體會(huì)到熱機(jī)是通過(guò)做功將內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的裝置.而構(gòu)造改進(jìn)經(jīng)歷了：采用連桿、曲軸和飛輪使平動(dòng)變轉(zhuǎn)動(dòng)—外燃變內(nèi)燃減少熱損失、增大轉(zhuǎn)化效率—四沖程只有一個(gè)是做功輸出，輸出不穩(wěn)定—?dú)飧鬃兌鄽飧?，尋找氣缸質(zhì)量和輸出功率的契合點(diǎn)—飛行需要持續(xù)動(dòng)力，噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)讓燃料不間斷燃燒，去掉了不做功的過(guò)程.整個(gè)發(fā)展歷程體現(xiàn)了“理論基礎(chǔ)—原理—結(jié)構(gòu)—功能”的原則，指引了熱機(jī)的發(fā)展是沿著獲得持續(xù)動(dòng)力、提高能量轉(zhuǎn)化效率、污染低的方向進(jìn)行.以熱機(jī)科學(xué)史為探究背景，整合實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)和探究元素，有很好的指向作用.

英國(guó)國(guó)家課程署在介紹科學(xué)史融入教學(xué)時(shí)這樣說(shuō)：“學(xué)生應(yīng)該理解科學(xué)概念隨時(shí)間而變化、發(fā)展的方式，理解這些概念及其應(yīng)用是如何受到社會(huì)、倫理、精神和文化背景的影響的.” [2- 3]要求中小學(xué)學(xué)生能夠思考特定的科學(xué)概念或理論是如何與其歷史、文化背景相關(guān)聯(lián)的[4].

在科學(xué)教育領(lǐng)域，“理解概念”通常與 “記憶事實(shí)”對(duì)立.事實(shí)是零散的，概念是系統(tǒng)的，概念理解體現(xiàn)在概念之間的相互聯(lián)系中.科學(xué)史學(xué)習(xí)應(yīng)該是：注重史料，獨(dú)立思考;注重分析，自由爭(zhēng)論;內(nèi)外結(jié)合，開(kāi)闊思路.從科學(xué)史的發(fā)展中吸取精華：找觀點(diǎn)，學(xué)方法，樹(shù)榜樣[5].通過(guò)科學(xué)史來(lái)促進(jìn)概念理解，通過(guò)“教·學(xué)·評(píng)”一體的教學(xué)設(shè)計(jì)促進(jìn)學(xué)習(xí).概念理解是有層次的，這種層次通過(guò)概念的表征和概念的結(jié)構(gòu)來(lái)衡量.這種精細(xì)化體現(xiàn)在將概念遷移到不同情境中，學(xué)生的概念理解更加豐富、具體，能與自己的經(jīng)驗(yàn)建立起緊密的聯(lián)系.科學(xué)史融入初中科學(xué)課堂教學(xué)，不但提供了豐富的科學(xué)知識(shí)，對(duì)科學(xué)概念、假說(shuō)和理論的來(lái)龍去脈提供了依據(jù)，特別是抽象概念，從來(lái)源上知道發(fā)展變化，有利于概念的有效轉(zhuǎn)變和理解應(yīng)用.

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（收稿日期：2020-11-26）