科學史促進概念理解的“教·學·評”設計

摘 要：概念教學是傳授知識和培養科學素養的過程，在設計“熱機”時遵循“教·學·評”一體的理念，以熱機的發展歷程為主線展開教學，對汽油機的結構較難理解，采用類比為輔線，將源部件與類比部件進行展開，適時融入科學史來顯示概念形成的歷史背景、思維軌跡、認識路線以及科學探索的艱辛，通過有效理解核心概念，逐步建構和完善學生的概念體系.

關鍵詞：科學史;概念理解;教學評價;熱機

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：B 文章編號：1008-4134（2021）06-0056-04

作者簡介：沈強（1979-），男，浙江紹興人，碩士，中學高級教師，研究方向：概念理解的實踐和研究.

概念是反映客觀事物共同特點與本質屬性的思維形式，是高級認知活動的基本單元，往往體現事物具有共同的屬性或特性，包括內涵和外延兩個方面.概念學習是科學教育研究的核心領域，概念教學是一個指導認識事物的本質、同類事物的共性和事物內部聯系的過程，是傳授知識和培養科學素養的有機結合的過程.初中科學的概念教學，從難度和深度的層面上，往往存在著一些抽象難懂的概念.學生往往沒有有效的方法對概念的內涵和外延進行深入理解，更缺乏運用自我思維能力去探知的能力.課堂上學生看上去好像“掌握了”科學概念，其實更多的只是停留在淺層的識記層面，沒有真正地深度理解更不能靈活地應用.

20世紀90年代，由斯賓塞基金資助的零點項目和哈佛大學教育研究生院提出的“為理解而教”，倡導理解的教學逐漸成為國際教育研究的趨勢.正如美國著名科學史家薩頓給科學史下的定義：“如果把科學定義為系統化的實證知識，或者看作是在不同時期不同地點所系統化的這樣一種知識， 那么科學史就是對這種知識發展的描述和說明.” 在科學教育領域，概念理解也應具有整體性、層次性、精細化這三個特征.浙教版教材“熱機”是“物體的內能”最后一課時，是繼內能、內能改變、比熱容、熱量計算之后的一個全新概念.熱機的應用與我們的生活密切相關，但里面的構造是全新的，學生對熱機的“原理—構造—功能”的聯系和理解有一定難度.采用科學史融入的“教·學·評”一體化設計，能有效促進概念的理解.正如科學教育專家杜克所說：“應用科學史于科學教學與評價之中是一個充滿選擇的過程，何種科學史、誰的科學史、為了什么目的而利用科學史都決定著課程、教學與評價的模式.”

1 教學目標定位

以汽油機為例，說出熱機的工作原理，知道內能的利用在人類社會發展史上的重要意義.

2 教學思路與框架

正如美國著名科學史家喬治·薩頓所言：“一部科學史，在很大程度上就是一部工具史.這些工具，無論有形或無形，由一系列人物創造出來，以解決他們遇到的某些問題.每種工具和方法都是人類智慧的結晶.”本節設計有兩大特點.

一是以科學史促進概念理解為主體思路，以熱機的發展歷程為主線（見表1），通過工具的列舉缺點法展開，因為熱機的發明和發展本質上就是技術創造和革新的過程，通過列舉原物體所存在的缺點，并逐一改進，從而促進新技術產品的誕生[1].

二是汽油機的結構難理解采用類比為輔線（見表2），將源部件與類比部件進行比對，通過熟悉的事物作為類比模型，來比對需要理解的抽象構造，促進學生對熱機“原理—構造—功能”的深層次理解.

3 教學設計與實施

3.1 媒體呈現1：出示瓦特發明的蒸汽機的結構圖

師：在水蒸氣的推動下，活塞向哪個方向運動？

生：向下.

提問：活塞如何帶動飛輪轉動，兩者之間要連接一個怎樣的裝置.

生：連一根桿子.

追問：安裝在哪個部位？

生：……

3.2 媒體呈現2：觀看蒸汽機工作時的Flash動畫

思考1：水蒸氣只能推動活塞向下運動，是單向的，是什么使活塞又向上運動的呢？

生：飛輪的慣性.

師：活塞從汽缸的一端運動到另一端的過程為一個沖程，活塞不斷地往復交替，蒸汽機運作起來.瓦特蒸汽機的出現，給當時社會帶來了第一次工業革命，很多地方都應用到了蒸汽機.

3.3 概念理解：曲軸和連桿

設計意圖：內能轉變成機械能，通過類比模型來猜想構造，使上下的往復運動轉變為循環的轉動，這是技術上的一大飛躍，使動力能持續輸出.

3.4 科學史補充

（1）古希臘時代，希羅發明過一種演示用的蒸汽輪球，當加熱后蒸氣從噴嘴噴出時，輪球就會沿相反方向旋轉.

（2）德國的巴本、英國的薩弗里和紐可門可以說實際上是蒸汽機的發明者.薩弗里的蒸汽機，如此周而復始，達到連續抽水的目的.蒸汽機提水的高度據說只有7米，每小時可提水十幾噸.但它需有人每隔十幾秒關一次閥門.如果忘記啟閉閥門，就有可能引起鍋爐爆炸.

（3）紐可門蒸汽機的氣缸每次推動活塞后都要噴進冷水，使蒸氣凝結，所以氣缸要反復加熱，白白消耗掉許多熱能.

（4）1769年瓦特發明冷凝器，解決了制造精密氣缸和活塞的工藝，創造了單動作蒸汽機.經過不斷試驗，他又發明了雙動作蒸汽機，從氣缸兩邊推動活塞動作.他利用曲柄結構，使往復的直線運動轉變為旋轉運動.他還設計了離心式節速器控制蒸汽機的轉速.

3.5 媒體呈現3：出示關于當時蒸汽機工作時的圖片和背景資料

思考2：它存在哪些方面的缺點？

生1：有污染.

生2：燃料在外部燃燒，造成熱量的浪費.

生3：要不斷添煤加水，消耗很大的勞動力.

思考3：你覺得可以怎樣改進？

生：用污染少的能源，將外部燃燒改成內部燃燒，原料用機器輸送.

師：你們的想法和科學家一樣，科學家在蒸汽機的基礎上，就這些方面做了改進，發明了內燃機，接下來，我們就以內燃機中最常見的汽油機為例，來了解它的工作過程.

思考4：觀察比較蒸汽機和汽油機的結構，說說它在結構上做了哪些改進？

生：增加了火花塞、進氣門、排氣門.

師：火花塞主要是能夠放電，點燃氣缸內的氣體.

觀看汽油機的工作過程的相關視頻，完成表格填寫.

思考5：每一個沖程各個結構是怎樣運動的，在簡圖上分別用箭頭表示，并寫出哪些沖程伴隨能量轉化，如何轉化.

提問：（1）吸入的氣體是什么氣體？

（2）壓縮氣體有什么作用？

（3）點火應該在什么時候進行？

（4）整個過程中，只有哪一個沖程氣體在對外做功？

（5）汽油機剛開始啟動時，前兩個沖程中，活塞是靠什么來運動的？

生：……

一個汽缸的一個工作循環中，只有四分之一的時間在做功，效率比較低，所以普通私家車一般有4個汽缸，每個汽缸中的各個沖程交替進行，能夠不斷地將內能轉化為機械能，能夠讓汽車持續運動，獲得足夠的動力，有些跑車有6個或8個汽缸，F1賽車有12個汽缸，來獲得更大的動力.

3.6 概念理解：內燃機的四個沖程

設計意圖：從蒸汽機的外燃向內燃機的轉變，是技術上的另一次飛躍.這是在發現外燃和冷卻需要損耗大量的熱能，并且在發現適合的易汽化、可燃性液體的基礎上，從根本上解決了原有的弊端.

3.7 媒體呈現4：蒸汽發動機的工作視頻

師：飛機的出現，使我們的交通更加便捷.但飛機的運行需要更大的持續動力，和汽油機相比，飛機的發動機做了怎樣的改進？

生：直接將燃氣推出去，利用作用力和反作用力，推動飛機前進，與汽油機相比，減少了內能的損失.

師：能否利用飛機的發動機來推動火箭進入太空？

生：不能.

師：為什么，要做怎樣的改進？

生：太空中沒有氧氣，沒有助燃劑，不能燃燒，需要增加儲存液氧的裝置.

小結：從蒸汽機、汽油機，到噴氣式發動機都是利用內能來做功，這一類發動機都稱為熱機.

熱機在工作時，都會向大氣排放污染氣體，從環保的角度，你覺得可以如何改進？

生：……

師：對新型熱機的研究，人們正朝著、的方向前進.

生：高效率、無污染的方向.

3.8 概念理解：噴氣式發動機、熱機

設計意圖：飛行需要連續輸出動力，在改進過程中需要去掉不做功的沖程，讓燃料無間斷地轉化能量.并且在太空中還需要攜帶助燃劑.幾次技術上的飛躍，都是在前面有弊端的基礎上，隨著科技發展逐步改善，滿足現有的要求.歸納出熱機的本質特征是內能轉化為機械能，也指明了熱機發展的前進方向.

4 課后作業評價

筆者有幸參與2020年的初中畢業生學業考試的命題工作，因為設計過“熱機”這節課很有感受，所以在命制實驗探究的過程中，就采用了以此為背景展開對實驗和探究要素的考查.

（2020年紹興卷 24題）熱機發明后，一直在持續的改進和發展中.

材料一：1769年，法國人居紐制造出蒸汽機推動的三輪汽車（如圖1甲所示），傳統蒸汽機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，法國人德羅夏提出內燃機（內燃指燃料在氣缸內燃燒）的四沖程循環理論：（1）氣缸向外運動造成的真空將混合氣體燃料吸入氣缸;（2）通過氣缸的向內運動對進入氣缸里的燃料進行壓縮;（3）高壓燃燒氣體產生巨大爆發力;（4）將已經燃燒的廢氣從氣缸中排出.

材料三：1876年，德國人奧托制造出以四沖程為依據的煤氣內燃機，利用飛輪的慣性使四沖程自動實現循環往復，內燃機的效率達到14%.

（1）四沖程循環理論提及的“巨大爆發力”由下圖中的沖程實現.

（2）德羅夏提到的內燃方式是基于的猜想.

（3）老師在重復演示“做功改變內能”實驗（如圖2丙）之間，需在拔出活塞后將厚玻璃筒甩幾下，其目的與內燃機的（選填“吸氣”“壓縮”“做功”或“排氣”）沖程的原理相似.

答案：（1）C;（2）燃料在氣缸內燃燒，熱量散失少，熱效率高;（3）排氣.

評價：本題以“熱機”的改進和發展的科學史為素材，以熱機的“外燃”到“內燃”，從“理論”到“實踐”為材料主線.熱機的背景是教材改版之后增加的內容，與生活聯系緊密.引導學生理解科學的事實、概念和原理，領悟科學的思想和方法，培育科學精神.本題的設問從理解四沖程循環理論來辨識“外燃”到“內燃”飛躍的科學探究，猜想和聯系“做功改變內能”實驗細節，并有效遷移這三個維度，學生通過解題的過程，就是瀏覽科學史的發展過程，也是深層理解人類科技的歷史是科技發展的歷史、是工具發展的歷史.

在由 “潛”到 “顯” 的變化規律中，剖析學生的迷失概念，逐步建立有效的概念，讓學生的思維得以很好的外顯和建構.科學史的融入是選擇與教學相關的科學史內容，將科學的運作方式傳遞給學生，即將知識產生的真實背景和歷史過程，或者將科學思維和科學方法的發展過程，根據學生當前的認知水平有選擇地再現在學生面前，讓學生充分感受到前人的智慧能力、思維軌跡、認識路線、科學方法以及科學探索的艱辛.通過這種能力立意的實驗探究題，將主干核心知識點和科學方法很好串聯，重視考查學生的高階思維，具有很好的示范引領作用.

5 教學評效果和反思

本節教學設計圍繞熱機的概念，使學生深切體會到熱機是通過做功將內能轉化為機械能的裝置.而構造改進經歷了：采用連桿、曲軸和飛輪使平動變轉動—外燃變內燃減少熱損失、增大轉化效率—四沖程只有一個是做功輸出，輸出不穩定—氣缸變多氣缸，尋找氣缸質量和輸出功率的契合點—飛行需要持續動力，噴氣發動機讓燃料不間斷燃燒，去掉了不做功的過程.整個發展歷程體現了“理論基礎—原理—結構—功能”的原則，指引了熱機的發展是沿著獲得持續動力、提高能量轉化效率、污染低的方向進行.以熱機科學史為探究背景，整合實驗細節和探究元素，有很好的指向作用.

英國國家課程署在介紹科學史融入教學時這樣說：“學生應該理解科學概念隨時間而變化、發展的方式，理解這些概念及其應用是如何受到社會、倫理、精神和文化背景的影響的.” [2- 3]要求中小學學生能夠思考特定的科學概念或理論是如何與其歷史、文化背景相關聯的[4].

在科學教育領域，“理解概念”通常與 “記憶事實”對立.事實是零散的，概念是系統的，概念理解體現在概念之間的相互聯系中.科學史學習應該是：注重史料，獨立思考;注重分析，自由爭論;內外結合，開闊思路.從科學史的發展中吸取精華：找觀點，學方法，樹榜樣[5].通過科學史來促進概念理解，通過“教·學·評”一體的教學設計促進學習.概念理解是有層次的，這種層次通過概念的表征和概念的結構來衡量.這種精細化體現在將概念遷移到不同情境中，學生的概念理解更加豐富、具體，能與自己的經驗建立起緊密的聯系.科學史融入初中科學課堂教學，不但提供了豐富的科學知識，對科學概念、假說和理論的來龍去脈提供了依據，特別是抽象概念，從來源上知道發展變化，有利于概念的有效轉變和理解應用.

參考文獻：

[1]鄭青岳.技術教育在科學教育中的意義[J].教學月刊：中學版，2009（01）：14-17.

[2]劉學山.基于深度學習的初中物理教學實踐與思考[J].中學物理，2020，38（14）：23-25.

[3]盧長津.初中物理教學中培養物理思想“四化”策略[J].中學物理，2020，38（12）：5-8.

[4]曹繼綱.初中物理教學中“教”的策略例談[J].中學物理，2020，38（04）：2-4.

[5]郭奕玲，沈慧君.物理學史（第2版）[M].北京：清華大學出版社，2005.

（收稿日期：2020-11-26）