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[!--downpath--]本文摘要：
以科学史为教学资源建立能量转化与守恒定理的备考课，通过查阅科学史上能量基本概念变迁实验是能量守恒定理的发觉，而对能量守恒定理的发觉贡献最大的是迈尔、焦耳和亥姆霍兹。比较发觉她们的研究过程作为教学资源开发备考课课例，选择迈尔和焦耳的研究作为典型教学资源建立能量守恒定理的课程内容。通过解释与评价迈尔的发觉、推理与论证迈尔的结论、模型与建构焦耳的实验、比较与剖析两人的成果来逐渐再现科学史上能量守恒定理作为教学资源的课程内容，因而备考建构能量守恒定理。
关键词：科学史教学资源能量守恒定理备考课
《义务教育中学科学课程标准（2011年版）》（以下简称“课标”）中“能与能源”主题包括“能的转化与能量守恒”和“能源与社会”[1]，帮助中学生建构能量转化与守恒定理是中学科学课程任务之一。为帮助中学生建立能量转化与守恒定理，根据科学观念、科学思维、探究实践和心态责任四个维度素质要求，开发借助科学史教学资源。
一、查阅科学史上能量基本概念演进实例的教学资源
科学史上发觉能量守恒定理的时间大致集中在1842年到1847年之间，由迈尔、焦耳、亥姆霍兹等人完成。在发觉能量守恒定理之前科学有什么守恒定律，人类对能量的探求早已做了大量的工作：一是生产领域感知，以磨擦取火为代表；二是哲学领域阐述，从“死力”“活力”到能量和功；三是工程领域呈现，主要是瓦特生活时代的工程师们对蒸气机的发明与改良；四是理论领域争论，关于热的本质；五是科学领域研究，主要是迈尔、焦耳和亥姆霍兹的工作。
二、分析科学史上能量守恒定理典型特点的教学资源
如上五个领域内容并非都适宜作为教学资源。成为教学资源的科学史审视三个特点：
1.适标性。指科学史作为教学资源能符合课程目标要求。要理解能量的概念，须要从大量的“做功”实例来实现。而做功的本质就是能量转化的量度。课标要求能“通过实例认知能的转化的普遍性，晓得能量守恒定理”[2]。
2.难易度。科学史作为教学资源的内容本身存在知识理解的难易程度问题。本课例讲课对象为九年级中学生，科学史教学资源不能太简单，如像“摩擦取火”不能满足备考课要求“温故知新”的需求。而像“不同时期蒸气机设计原理的阐述和结构认知”和亥姆霍兹基于物理的推理等，已超出学生学力水平。
3.活动性。课堂教学以活动为载体，学习能够真实发生。科学史作为教学资源必须能转化为教学（学习）活动，能在特定的教学（学习）任务下完成信息的获取、思维的加工和成果的抒发。
结合适标性、难易性和活动性的要求，在能量转化的过程中建立能量守恒观念，最终选择迈尔和焦耳对能量转化的研究作为本节课的主要内容。
三、选择科学史上能量守恒定理发觉例证的教学资源
科学素质测评框架中的关键能力包括科学地解释现象、设计和评价科学探究、科学地诠释数据和证据等能力要素[3]。结合课程核心素质要素，以迈尔、焦耳对能量守恒原理为教学资源，可从表1所示做出选择：
表1能量守恒定理发觉例证的能力与目标
序号
科学史素材转化的资源
能力要素
对应备考目标
（迈尔）暴风雨将至时海水比较热。
科学地解释现象
2.通过探究迈尔、焦耳等科学家的理论推论与实验过程，培养剖析、评价的高阶思维能力，从客观事实和实验证据中构建能量守恒定理。
4.基于迈尔、焦耳和亥姆霍兹等人的科学研究史实，感受科学研究是不断否定、质疑、修正、完善的过程。
（迈尔）在印度时海员的静脉血是暗红的。
科学地诠释证据
（迈尔）对等容比热容与等压比热容的对比研究＊
评价科学探究
（焦耳）热功当量实验
科学地解释现象
科学地诠释数据与证据
设计和评价科学探究
序号3中迈尔对等容比热容与等压比热容的对比研究可通过“画模型图”的形式进行具体形象化，开发为教学资源。这些实例已被内燃机汽缸的做功冲程给与实践检验，相当于实践工程技术的理论注释。故将迈尔论文中的理论推论转化为模型实例，正是能量转化过程中能量守恒的最好例证。
但仅有表1的四例，还不能连结整节课的内在逻辑。甚或，在表1所列科学史资源的逻辑体系下，降低了如表2的内容。
表2能量守恒定理发觉关联例证的能力与目标
序号
环节
科学史资源转化的活动
能力要素
对应备考目标
引入
①分析鼓掌时能量转化以及转化的证据。
②19世纪初科学史上一系列能量转化重要例子剖析。
科学地解释现象
1.通过举例来说明物体具有能量，会判定不同方式的能量，理解不同方式能量之间是可以转化；晓得做功是改变能量的一种形式；能提供能量转化可观测的证据，培养举证能力。
3.体会科学的发展与特定的社会政治、经济、工业等发展不可分割；感受科学发展过程中从理论到定理的转化过程。
比较
列表比较迈尔、焦耳以及亥姆霍兹关于能量转化与守恒的研究。
评价科学探究
亥姆霍兹对能量守恒的研究主要是基于物理推理，将能量守恒定理在迈尔和焦耳的努力所构建的理论体系基础上上升为科学定理。从科学本质的角度来看，它符合美国知名学者李德曼将科学本质内涵从六个方面构建的剖析框架中的第6个方面，即科学理论和定理的功能,以及她们之间的关系[4]。而比较迈尔、焦耳和亥姆霍兹对能量守恒的研究，就是理解“理论”与“定律”间关系的最好载体。
四、开发科学史上能量守恒定理为教学资源的课例
要使课堂上发生有效的学习，最有效的手段就是形成问题，迸发思维，产生矛盾冲突。借助科学史作为教学资源，最忌讳的就是把科学史素材作为阅读材料。故将选取的资源转化为一个个活动和问题，引导中学生去体验和思索。
1.剖析现实资源，引入课题内容
笔者在一次送教下乡活动中上了此课例。因为有许多校外班主任来听课，上课开始时建议中学生用热烈的掌声抒发对来自各个校区老师的欢迎。在中学生鼓掌后，引入课题通感：
鼓掌过程中有能量转化吗？你的证据是哪些？
通过剖析当下中学生正在体验的活动作为教学资源，体验能量的转化。同时要求中学生对自己的判定结果找寻证据，说明能量发生转化的根据。中学生能从鼓掌后“手的觉得”“手掌变红”等现实证据来说明“机械能转化为热能”。再进一步推论：手的机械能是如何转化而至的，因而再推断是“由物理能转化而至的”。
2.对比史实资源，体验能量转化
选择19世纪初发觉的围绕电磁转化的史实资源进行剖析，以体验能量转化的特点。
1.1800年，荷兰化学学家伏特发明伏打电堆。（能→能）
其后，好多科学家做了物质电解实验。（能→能）
2.1820年，法国化学学家奥斯特做了电压的磁效应实验。（能→能）
3.1821年，荷兰化学学家塞贝克将两条不同金属线首尾相连产生两个结点，加热其中的一个结，再使另一个结保持高温，电路形成电压。（能→能）
4.1831年，法拉第发觉电磁感应现象。（能→能）
5.1834年，加拿大科学家帕尔帖将两种不同金属构成回路，并通直流电，则两个接头间存在温差。
（能→能）
在中学生对5个实例进行判定后，引导中学生建构如图1所示的判定能量转化的模型。
科学史资源本身常常能彰显科学本质，是理解科学本质的显性路径。组织中学生讨论：
上述5条科学史涉及的能量变化为何都集中在19世纪初？这对研究能量守恒定理有哪些影响？
尽管这样的问题比较“虚”，离科学知识与技能比较遥远，但正是它的“虚”，对中学生理解科学本质、形成科学精神有很大的作用。每一项科学风波自有其特定的历史文化背景和特定底泥，科学不是人类历史上的孤立风波，她是人类历史文化的一部份。
3.呈现迈尔资源，解释评价现象
材料一：1840年7月，迈尔抵达菲律宾尼西亚的东苏拉威西省省会城市定陶。在航行期间,迈尔与船员们聊天时得知,海水在暴风雨时比较热。
引导中学生科学地解释现象，建立科学解释模型。解释遵守“以终为始，逆向推理”的原则，根据如图2的思维过程：
材料二：1840年7月，迈尔抵达美国尼西亚的东苏拉威西省省会城市高唐，迈尔为一些得病的船员放血。他发觉静脉血比他预期的更为暗红。请解释船员静脉血暗红的诱因。
材料二给定的信息少，问题劣构，解释难度大。材料并未告知美国与墨西哥地理位置不同导致对人体的不同影响，也未告知环境温度对人体细胞呼吸作用硬度的影响。因此，若要降低难度，可提供如图3所示信息。
同样，“以终为始，逆向推理”的过程如图4所示：
尽管迈尔对上述两个现象的思维与推理过程是定性的，但他把能量转化的领域拓展到生理学、自然界，并觉得它们是统一的。迈尔提早假设能量“既不会陡然创生，也不会陡然消失”，这才有这么符合逻辑的解释。定性的思索与推理其实不能带来让人信服的证据，但为后继严密的推理出“热功当量值”奠定基础。
4.建立抽象模型，重演历史事实
假如仅仅只有前两则材料的思索科学有什么守恒定律，迈尔绝不可能成为建立能量守恒定理的重要科学家。他的重要贡献在于对能量多领域的思索与阐述，其中既有哲学的思辨，又有科学的严谨。将迈尔对“一定质量二氧化碳作等压放热与等容放热”进行对比，并将其过程转化成中学中学生能理解的类似于内燃机的做功冲程的模型，进而就有了如下问题的设置：
须要强调的是：①案例1里的情景设置正是迈尔等压放热与等容放热的形象化模型，是真实科学史资源的转化；②迈尔选择常压下的二氧化碳进行实验，是由于常压下的二氧化碳可近似为理想二氧化碳，不须要考虑其分子势能的变化，即内能的降低可通过体温（分子平均动能）的下降来反映；③案例1并不是承袭迈尔的推理逻辑来求热功当量，而是借助能量守恒的前提来统一功和能的关系；④案例1中设置的问题（1）纯粹是为了减少问题（2）过大的思维跨径；⑤Q2与Q1的关系为：Q2-Q1=W=FL=p0SL；⑥基于案例1引导中学生列出现实生活中的应用实例。中学生对⑥能列举“内燃机的做功冲程”和“给密闭的锥形瓶充气时瓶盖被冲出”两个反例。
5.展示焦耳资源，剖析装置内涵
因焦耳定律己在新课学过，故以焦耳的热功当量实验作为备考课教学资源。
案例2：焦耳通过严密的实验检测出物体受力做功时机械能与转化的热能，觉得能量是守恒的。实验装置如图6所示。
（1）写出实验工作原理。
（2）该实验能说明哪些问题？
（3）影响实验偏差的可能诱因是哪些？
课堂只定性剖析焦耳实验原理、意义和彰显实验装置原理的本质特点，而不作定量的估算探求。
6.比较成果资源，理解科学本质
比较迈尔、焦耳和亥姆霍兹对能量守恒定理的贡献，能让中学生真正理解“理论”与“定律”的科学本质。故课在总结时呈现如表3所示的表格。
表3迈尔、焦耳和亥姆霍兹两人对能量守恒定理研究的比较
比较项目
迈尔
焦耳
亥姆霍兹
研究领域
动物体热（生理学）
热学、热学、力学（机械）
所有领域
独立研究
是
是
是
成就特点
理智推理
实验探求
用纯粹数学（物理）语言全面论证
理论或定理
理论
理论
定理
通过能量守恒定理的科学史实资源理解科学本质，关键在于体验不同方式能量之间从定性到定量的变化。课堂围绕如图7所示的板书进行小结。
参考文献：
[1][2]中华人民共和国教育部拟定.义务教育中学科学课程标准（2011年版）[S].上海：上海师范学院出版社，2011：8，37.
[3]蔡呈腾,黄京河.基于科学素质测评框架的数学备考课设计——以“电与磁”为例[J].化学之友,2021,37(01):1-4+8.
[4]王晶莹.科学本质观与科学探究的意义及实践——美国李德曼院士采访录[J].全球教育展望,2008(02):3-6.
