摘 要:概念教學(xué)是傳授知識和培養(yǎng)科學(xué)素養(yǎng)的過程,在設(shè)計“熱機”時遵循“教·學(xué)·評”一體的理念,以熱機的發(fā)展歷程為主線展開教學(xué),對汽油機的結(jié)構(gòu)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(xué)史來顯示概念形成的歷史背景、思維軌跡、認(rèn)識路線以及科學(xué)探索的艱辛,通過有效理解核心概念,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)評價;熱機
中圖分類號:G633.7 文獻標(biāo)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(xué)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(zhì)屬性的思維形式,是高級認(rèn)知活動的基本單元,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)是一個指導(dǎo)認(rèn)識事物的本質(zhì)、同類事物的共性和事物內(nèi)部聯(lián)系的過程,是傳授知識和培養(yǎng)科學(xué)素養(yǎng)的有機結(jié)合的過程.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)生往往沒有有效的方法對概念的內(nèi)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(xué)生看上去好像“掌握了”科學(xué)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(yīng)用.
20世紀(jì)90年代,由斯賓塞基金資助的零點項目和哈佛大學(xué)教育研究生院提出的“為理解而教”,倡導(dǎo)理解的教學(xué)逐漸成為國際教育研究的趨勢.正如美國著名科學(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)化的實證知識,或者看作是在不同時期不同地點所系統(tǒng)化的這樣一種知識, 那么科學(xué)史就是對這種知識發(fā)展的描述和說明.” 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)化這三個特征.浙教版教材“熱機”是“物體的內(nèi)能”最后一課時,是繼內(nèi)能、內(nèi)能改變、比熱容、熱量計算之后的一個全新概念.熱機的應(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)生對熱機的“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”一體化設(shè)計,能有效促進概念的理解.正如科學(xué)教育專家杜克所說:“應(yīng)用科學(xué)史于科學(xué)教學(xué)與評價之中是一個充滿選擇的過程,何種科學(xué)史、誰的科學(xué)史、為了什么目的而利用科學(xué)史都決定著課程、教學(xué)與評價的模式.”
1 教學(xué)目標(biāo)定位
以汽油機為例,說出熱機的工作原理,知道內(nèi)能的利用在人類社會發(fā)展史上的重要意義.
2 教學(xué)思路與框架
正如美國著名科學(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,無論有形或無形,由一系列人物創(chuàng)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(jié)晶.”本節(jié)設(shè)計有兩大特點.
一是以科學(xué)史促進概念理解為主體思路,以熱機的發(fā)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(fā)明和發(fā)展本質(zhì)上就是技術(shù)創(chuàng)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(shù)產(chǎn)品的誕生[1].
二是汽油機的結(jié)構(gòu)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(gòu)造,促進學(xué)生對熱機“原理—構(gòu)造—功能”的深層次理解.
3 教學(xué)設(shè)計與實施
3.1 媒體呈現(xiàn)1:出示瓦特發(fā)明的蒸汽機的結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(xiàn)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(fù)交替,蒸汽機運作起來.瓦特蒸汽機的出現(xiàn),給當(dāng)時社會帶來了第一次工業(yè)革命,很多地方都應(yīng)用到了蒸汽機.
3.3 概念理解:曲軸和連桿
設(shè)計意圖:內(nèi)能轉(zhuǎn)變成機械能,通過類比模型來猜想構(gòu)造,使上下的往復(fù)運動轉(zhuǎn)變?yōu)檠h(huán)的轉(zhuǎn)動,這是技術(shù)上的一大飛躍,使動力能持續(xù)輸出.
3.4 科學(xué)史補充
(1)古希臘時代,希羅發(fā)明過一種演示用的蒸汽輪球,當(dāng)加熱后蒸氣從噴嘴噴出時,輪球就會沿相反方向旋轉(zhuǎn).
(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(fā)明者.薩弗里的蒸汽機,如此周而復(fù)始,達到連續(xù)抽水的目的.蒸汽機提水的高度據(jù)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(guān)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(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)造了單動作蒸汽機.經(jīng)過不斷試驗,他又發(fā)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(jié)構(gòu),使往復(fù)的直線運動轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運動.他還設(shè)計了離心式節(jié)速器控制蒸汽機的轉(zhuǎn)速.
3.5 媒體呈現(xiàn)3:出示關(guān)于當(dāng)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(nèi)部燃燒,原料用機器輸送.
師:你們的想法和科學(xué)家一樣,科學(xué)家在蒸汽機的基礎(chǔ)上,就這些方面做了改進,發(fā)明了內(nèi)燃機,接下來,我們就以內(nèi)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(jié)構(gòu),說說它在結(jié)構(gòu)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?xì)飧變?nèi)的氣體.
觀看汽油機的工作過程的相關(guān)視頻,完成表格填寫.
思考5:每一個沖程各個結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)化,如何轉(zhuǎn)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(yīng)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(huán)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(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能,能夠讓汽車持續(xù)運動,獲得足夠的動力,有些跑車有6個或8個汽缸,F(xiàn)1賽車有12個汽缸,來獲得更大的動力.
3.6 概念理解:內(nèi)燃機的四個沖程
設(shè)計意圖:從蒸汽機的外燃向內(nèi)燃機的轉(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)動機的工作視頻
師:飛機的出現(xiàn),使我們的交通更加便捷.但飛機的運行需要更大的持續(xù)動力,和汽油機相比,飛機的發(fā)動機做了怎樣的改進?
生:直接將燃?xì)馔瞥鋈?,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(nèi)能的損失.
師:能否利用飛機的發(fā)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(jié):從蒸汽機、汽油機,到噴氣式發(fā)動機都是利用內(nèi)能來做功,這一類發(fā)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(huán)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(fā)動機、熱機
設(shè)計意圖:飛行需要連續(xù)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(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,滿足現(xiàn)有的要求.歸納出熱機的本質(zhì)特征是內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能,也指明了熱機發(fā)展的前進方向.
4 課后作業(yè)評價
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,因為設(shè)計過“熱機”這節(jié)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(fā)明后,一直在持續(xù)的改進和發(fā)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(tǒng)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(nèi)燃機(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(nèi)運動對進入氣缸里的燃料進行壓縮;(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,德國人奧托制造出以四沖程為依據(jù)的煤氣內(nèi)燃機,利用飛輪的慣性使四沖程自動實現(xiàn)循環(huán)往復(fù),內(nèi)燃機的效率達到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(nèi)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(nèi)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(fā)展的科學(xué)史為素材,以熱機的“外燃”到“內(nèi)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(nèi)容,與生活聯(lián)系緊密.引導(dǎo)學(xué)生理解科學(xué)的事實、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)問從理解四沖程循環(huán)理論來辨識“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”實驗細(xì)節(jié),并有效遷移這三個維度,學(xué)生通過解題的過程,就是瀏覽科學(xué)史的發(fā)展過程,也是深層理解人類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)的運作方式傳遞給學(xué)生,即將知識產(chǎn)生的真實背景和歷史過程,或者將科學(xué)思維和科學(xué)方法的發(fā)展過程,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)識路線、科學(xué)方法以及科學(xué)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(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)評效果和反思
本節(jié)教學(xué)設(shè)計圍繞熱機的概念,使學(xué)生深切體會到熱機是通過做功將內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能的裝置.而構(gòu)造改進經(jīng)歷了:采用連桿、曲軸和飛輪使平動變轉(zhuǎn)動—外燃變內(nèi)燃減少熱損失、增大轉(zhuǎn)化效率—四沖程只有一個是做功輸出,輸出不穩(wěn)定—氣缸變多氣缸,尋找氣缸質(zhì)量和輸出功率的契合點—飛行需要持續(xù)動力,噴氣發(fā)動機讓燃料不間斷燃燒,去掉了不做功的過程.整個發(fā)展歷程體現(xiàn)了“理論基礎(chǔ)—原理—結(jié)構(gòu)—功能”的原則,指引了熱機的發(fā)展是沿著獲得持續(xù)動力、提高能量轉(zhuǎn)化效率、污染低的方向進行.以熱機科學(xué)史為探究背景,整合實驗細(xì)節(jié)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(xué)史融入教學(xué)時這樣說:“學(xué)生應(yīng)該理解科學(xué)概念隨時間而變化、發(fā)展的方式,理解這些概念及其應(yīng)用是如何受到社會、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”對立.事實是零散的,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,獨立思考;注重分析,自由爭論;內(nèi)外結(jié)合,開闊思路.從科學(xué)史的發(fā)展中吸取精華:找觀點,學(xué)方法,樹榜樣[5].通過科學(xué)史來促進概念理解,通過“教·學(xué)·評”一體的教學(xué)設(shè)計促進學(xué)習(xí).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(jié)構(gòu)來衡量.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,對科學(xué)概念、假說和理論的來龍去脈提供了依據(jù),特別是抽象概念,從來源上知道發(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)