吉美存

(江蘇省南京市雨花臺(tái)中學(xué)春江分校，江蘇 南京 210012)

筆者在一次公開(kāi)課中執(zhí)教了蘇科版“機(jī)械能與內(nèi)能的相互轉(zhuǎn)化”一課，基于科學(xué)素養(yǎng)培養(yǎng)目標(biāo)，從培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)意識(shí)、模型建構(gòu)能力、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度等方面進(jìn)行了教學(xué)設(shè)計(jì)。

1 培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)意識(shí)

教學(xué)片斷1：做功是改變物體內(nèi)能的另一種方式

師：請(qǐng)幫老師完成一項(xiàng)任務(wù)，使鐵絲、氣球等溫度升高、內(nèi)能增加。你有哪些方法？

生：將鐵絲彎折，將鐵絲放入熱水里，吹氣球，拉伸氣球……

學(xué)生匯報(bào)、展示實(shí)驗(yàn)方法。

師：你是如何得知鐵絲、氣球等的內(nèi)能增加了？這個(gè)過(guò)程中消耗了什么能？

生：他們溫度升高了，消耗了機(jī)械能。

師：這些方法是同一種方法嗎？如果不是，你可以給它們分類嗎？

生：可以分為兩類，其中一類為熱傳遞，另一類好像都需要力。

師：在此過(guò)程中物體獲得了什么能？有力對(duì)它們做功嗎？

生：獲得了內(nèi)能，有力做了功。

師：如果讓你給這種方式起個(gè)名字，你覺(jué)得什么合適？

生：做功。

師：對(duì)鐵絲、氣球等做功，可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，使鐵絲、氣球等的內(nèi)能增加。

師：你能利用類似的方法使礦泉水瓶中的水的內(nèi)能增加嗎？

學(xué)生快速搖晃瓶中水，用溫度計(jì)測(cè)量其溫度，發(fā)現(xiàn)水溫變化并不明顯。

教師演示實(shí)驗(yàn)1：出示一個(gè)電動(dòng)打蛋器和溫度傳感器，攪拌水后，觀察溫度傳感器的示數(shù)變化。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：在1分鐘內(nèi)傳感器的示數(shù)增大了2℃，效果明顯。

師：此實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象說(shuō)明了什么？

生：打蛋器對(duì)水做功，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為水的內(nèi)能，水的內(nèi)能增加。

師：那么如果對(duì)氣體做功，氣體的內(nèi)能是否也會(huì)增加呢？

教師出示如圖1所示的裝置，在飲料瓶上開(kāi)三個(gè)孔，分別插入溫度傳感器、橡皮軟管以及帶開(kāi)關(guān)的輸液管，使打氣筒與橡皮軟管連通，并用熱熔膠槍密封好。先關(guān)閉輸液管閥門(mén)，通過(guò)打氣筒向瓶中充氣，學(xué)生會(huì)觀察到溫度傳感器的示數(shù)增加。

圖1

師：此現(xiàn)象說(shuō)明了什么？

生：對(duì)氣體做功，氣體的溫度升高，內(nèi)能增大。

師：通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)：外界對(duì)固體、液體、氣體做功，均可以增加其內(nèi)能。

師生總結(jié)：外界對(duì)物體做功，物體的內(nèi)能增加，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。

師：你有哪些方法可以使物體的內(nèi)能減小？自然規(guī)律往往是對(duì)稱的，如果物體對(duì)外界做功的話，內(nèi)能能否轉(zhuǎn)化為機(jī)械能呢？

教師演示實(shí)驗(yàn)，在圖1所示裝置的閥門(mén)邊放上一個(gè)小風(fēng)扇，并打開(kāi)閥門(mén)。學(xué)生可以觀察到小扇葉快速轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，與此同時(shí)觀察到溫度傳感器的示數(shù)變小。

師：溫度傳感器示數(shù)變小，說(shuō)明氣體的內(nèi)能如何變化？

生：減小。

師：小扇葉的轉(zhuǎn)動(dòng)說(shuō)明扇葉的機(jī)械能如何變化？

生：增加。

師：此過(guò)程的能量又是如何轉(zhuǎn)化的？

生：內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。

師生總結(jié)：物體對(duì)外界做功，物體內(nèi)能減小，內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。做功是改變物體內(nèi)能的另一種方式。

評(píng)析：通常教學(xué)中的空氣壓縮引火儀實(shí)驗(yàn)雖然解決了“做功可以改變物體的內(nèi)能，機(jī)械能向內(nèi)能轉(zhuǎn)化”這一問(wèn)題，但這一實(shí)驗(yàn)卻很難直觀表明：“外界對(duì)物體做功，物體的內(nèi)能增加；物體對(duì)外界做功，物體的內(nèi)能減小”，且證據(jù)難以捕捉，筆者通過(guò)加裝溫度傳感器有效解決了實(shí)驗(yàn)的證據(jù)問(wèn)題，培養(yǎng)了學(xué)生的證據(jù)意識(shí)。

2 培養(yǎng)學(xué)生的模型建構(gòu)能力

教學(xué)片斷2：熱機(jī)

師：通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)內(nèi)能可以轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，這為人類擺脫人力、畜力的束縛，跨入工業(yè)化時(shí)代提供了可能。利用這一原理，人們制造出了將內(nèi)能轉(zhuǎn)化機(jī)械能的機(jī)械——熱機(jī)。為了迅速獲得較大的內(nèi)能，在設(shè)計(jì)上采用燃料燃燒獲得內(nèi)能，然后再將內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。

教師展示點(diǎn)火爆炸裝置并演示。

師：在剛才的實(shí)驗(yàn)中，盒蓋獲得了機(jī)械能，但并不能持續(xù)地獲得機(jī)械能。在熱機(jī)的設(shè)計(jì)之初，這一問(wèn)題始終困擾著人們，如何才能持續(xù)地獲得機(jī)械能，帶動(dòng)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)？

師：在點(diǎn)火爆炸實(shí)驗(yàn)中，盒蓋若要持續(xù)獲得機(jī)械能，就需要一直點(diǎn)火推動(dòng)盒蓋做功，但這樣設(shè)計(jì)出的熱機(jī)體積將非常大。如果能夠設(shè)計(jì)出一種將盒蓋推出后可以自動(dòng)將盒蓋復(fù)位、再次點(diǎn)燃燃料推動(dòng)盒蓋的裝置，這一問(wèn)題就將迎刃而解。人們將“曲軸”應(yīng)用到熱機(jī)的設(shè)計(jì)上，巧妙地將直線運(yùn)動(dòng)變成了往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使這一問(wèn)題得到了解決。

教師展示斯特林熱機(jī)(圖2)，介紹其工作原理。在曲軸的帶動(dòng)下，獲得了持續(xù)的機(jī)械能。

圖2

師：人們發(fā)現(xiàn)斯特林熱機(jī)所用燃料在氣缸外，內(nèi)能的利用效率較低，如果將燃料的燃燒放到汽缸內(nèi)部進(jìn)行，內(nèi)能的利用效率將會(huì)大大提高。經(jīng)過(guò)整合，加裝了進(jìn)氣門(mén)、火花塞，解決了燃料的重復(fù)點(diǎn)燃問(wèn)題，加裝排氣門(mén)解決了廢氣的排出問(wèn)題，使燃料的利用效率大大提高，這也是現(xiàn)代熱機(jī)——內(nèi)燃機(jī)的設(shè)計(jì)原理。

評(píng)析：點(diǎn)火爆炸這個(gè)實(shí)驗(yàn)解決了“內(nèi)能可以轉(zhuǎn)化為機(jī)械能”這一問(wèn)題，但學(xué)生心存疑惑：熱機(jī)同樣是將燃料燃燒產(chǎn)生的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的裝置，為何熱機(jī)可以持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，而點(diǎn)火爆炸實(shí)驗(yàn)中的盒蓋卻不可以？在本節(jié)課中筆者引導(dǎo)學(xué)生深入分析熱機(jī)工作過(guò)程，通過(guò)構(gòu)建模型的方式逐步解決了這一問(wèn)題，培養(yǎng)了學(xué)生的模型建構(gòu)能力。

3 培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度

教學(xué)片斷3：對(duì)水做功，使其內(nèi)能增加

師：剛才有同學(xué)快速搖晃瓶中水，發(fā)現(xiàn)水溫變化并不明顯，實(shí)驗(yàn)失敗的原因是什么？有沒(méi)有更好的實(shí)驗(yàn)方案？

生：受到熱傳遞的影響，搖晃速度慢……

教師使用電動(dòng)打蛋器和溫度傳感器，戴手套攪拌水后，觀察溫度傳感器的示數(shù)變化。在1分鐘內(nèi)溫度傳感器的示數(shù)增大了2℃，效果明顯。

評(píng)析：筆者在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，很多情況下我們的課堂實(shí)驗(yàn)難以與教材實(shí)驗(yàn)的描述完美貼合。這時(shí)很多教師往往會(huì)以誤差一言以蔽之，究竟是誤差還是錯(cuò)誤則被我們忽略掉了。由此帶來(lái)了很多問(wèn)題，一旦面對(duì)新的實(shí)驗(yàn)題，學(xué)生往往不會(huì)分析和思考實(shí)驗(yàn)的問(wèn)題所在，統(tǒng)統(tǒng)以誤差作為原因。而實(shí)際實(shí)驗(yàn)中的問(wèn)題千變?nèi)f化，這就需要教師在平常教學(xué)中有意識(shí)地引導(dǎo)學(xué)生思考并討論實(shí)驗(yàn)失敗的原因，找出問(wèn)題所在，重新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，培養(yǎng)其嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。