体现科学本质的原始物理问题教学设计
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为了解决现实中与物理有关的问题，首先要抽象出物理问题，然后再运用物理知识和数学工具推导出结论. 应试教育模式下培养的学生擅长于其中的第二个环节，也就是说，他们习惯于解答剥离了现实情境的纯粹的物理问题，遇到原汁原味的现实问题往往感到无从下手. 为此，首都师范大学邢红军教授倡导实施原始物理问题教学以扭转这一倾向. 原始物理问题最基本的特征是来源于特定情境的现实世界，对学生来说是首次遇到的问题，或者是悬而未决的问题. 它通常是开放式问题，或者是结构不良问题，有时是跨学科问题. 原始物理问题有两种基本类型：纯粹出于对自然现象的好奇而提出的问题，如伽利略观察吊灯摆动而产生的疑问；为了解决生活、生产中的疑难而提出的问题，如阿基米德遇到的王冠鉴别问题.
可以运用原始物理问题促进学生认识物理与生活、社会的关系，理解科学本质，提高解决实际问题的能力. 下面以水银体温计为例，阐述原始物理问题的具体运用.
虽然红外线电子体温计已经非常普遍，但是目前中小学实验室还使用传统的水银体温计，课本依然主要讲水银和煤油两种液体温度计. 水银对人体有毒，为什么体温计里是水银而不是煤油或酒精？对学生来说这是一个原始物理问题. 为了发挥其教育价值，不宜直接告诉学生答案. 根据科学教育中论证教学研究的启示设计教学活动，突出科学活动中的论证特征. 论证教学的基本策略之一是“竞争理论”，把论证融合到课堂中，一个核心的策略是要求考虑对现象的几个平行的解释，不只是单一的解释. [1]具体地说，是针对一个现象或问题的不同解释，所提的问题或现象能引起学生的好奇. 所做的解释包含错误的科学概念，但看起来又是合理的，几个解释的同时出现又使学生感到迷惑. 这就是所谓的“竞争理论”. 然后通过各种活动收集证据，做出推断，以支持、反驳或者修改原有的解释，形成新观点，这就是论证教学中竞争理论策略. 根据这一策略设计“水银体温计”原始物理问题的教学，主要过程如下. 由于涉及的知识比较多，适宜用于复习课.
一、介绍背景材料，引出问题
水银是一种有毒的金属，购买水银要经过公安部门批准. 常温下液态水银很容易蒸发，通过呼吸道进入人体，造成中毒. 液态水银进入人体也会造成中毒. 而且，水银蒸气易被墙壁和衣物等吸附，或者液态水银进入下水道，都会污染环境. 但是体温计里的液体却是水银而不是酒精或煤油，不小心打碎，水银对人体和环境危害比酒精和煤油大得多. 为什么还要使用水银呢？对于这个问题有人提出三种不同的解释.
1.因为水银比热远小于酒精，根据Q=CmΔt得出结论：相同质量的水银、煤油和酒精吸收或放出相同的热量，水银温度变化量最大，热涨冷缩明显，因此水银温度计的灵敏度最高，能更准确地测量体温.
2.液态温度计是根据液体热涨冷缩原理制成，相同的温度变化，水银比煤油、酒精热涨冷缩显著.
3.水银的体积随温度发生均匀的变化，煤油、酒精的体积随温度变化不均匀.
二、反驳错误的解释
运用m=ρv，Q=CmΔt，ΔV=ΔtγV进行计算.其中V表示液体原来体积，ΔV表示体积变化量，Δt是温度变化量.计算时只要求吸收或放出相同热量条件下温度变化量的比值、体积变化量的比值，而且是相同体积下的比较，不是相同质量下的比较.
表1 汞、酒精、煤油的物理性质
计算结果如下：Δt1/Δt2=120/119≈1，Δt1/Δt3=
15/17
ΔV1/ΔV2=γ1ρ2c2/γ2ρ1c1≈0.17，ΔV1/ΔV3=γ1ρ3c3/γ3ρ1c1≈0.16，ΔV1、γ1、ρ1、c1分别是水银的体积变化量、体膨胀系数、密度和比热. ΔV2、γ2、ρ2、c2分别是酒精的体积变化量、体膨胀系数、密度和比热. ΔV3、γ3、ρ3、c3分别是煤油的体积变化量、体膨胀系数、密度和比热.
结果表明，相同体积的水银、酒精、煤油，吸收相同的热量，水银温度增加量和酒精相差不大，比煤油略小，水银体积膨胀比酒精、煤油小得多. 可见前面两个解释不合理. 第三个解释有道理，但不是主要原因. 考虑到中学阶段没有涉及体膨胀的计算，可以不计算体积变化之比，比较表1中体膨胀系数即可.
三、提出新的解释
演示水银和酒精或煤油在相同规格细玻璃管或分液漏斗中的流动，观察流动快慢以及管内壁是否有液体残留，再运用分子间作用力解释. 也可以引入浸润与不浸润概念加以解释. 可见，使用水银的主要原因是水银不容易黏在玻璃壁上（不浸润），能够在玻璃管内“自如”伸缩. 虽然在相同条件下，水银热胀冷缩比煤油、酒精小，但是它和玻璃之间不浸润，灵敏度反而更高.
上述过程体现了科学探究的本质. 科学结论的产生是一个论证的过程，是一个修改与完善原有观点，并不断逼近真理的过程；是运用理论和经验两方面的证据否定不正确的观点、验证正确观点的过程. 证据不是来自权威，也不是来自猜测，而是来自正确的科学理论和实验. 可设计一个框架来指导学生学习科学本质，如表2所示.
表2 原始物理问题中科学本质学习
四、拓展讨论
这一环节主要进行科学与技术、生活、环境关系的教育. 首先比较水银体温计和红外线电子体温计，红外线电子体温计虽然有水银体温计所不具备的优点，但是对生活和环境等也可能具有潜在负面影响. 其次，测量工具的制作要考虑测量准确性、操作方便、安全、成本等，但是这些因素往往相互冲突. 一种测量工具如果没有足够的准确性，即使十分安全也没有应用价值. 但是水银体温计的安全问题可以采取一些方法加以避免.
水银被密封在玻璃管中，正确使用不会对人体造成伤害. 万一打碎体温计，要保持房间空气流通，尽量使气态水银散发出去；将掉落出来的水银收集起来，然后再加一些硫粉或铝粉. 硫和水银反应生成稳定的硫化汞（Hg + S = HgS），汞能溶解铝粉形成铝汞齐，避免液体汞蒸发进入人体或污染环境.
五、练习
练习包括物理知识和科学本质两种类型. 其中第1题考查学生对新科学技术的认识，以及对权威的态度. 另外两题主要考查运用物理知识解决实际问题的能力.
1.假如你是一位医生，一直使用水银血压计给病人测量血压. 现在有一位你熟悉的专家给你推荐电子血压计，介绍了电子血压计的许多优点. 你会接受专家的推荐吗？
2.水银血压计里的液体是水银而不是另外液体，其选择的理由和水银体温计一样吗？
3.有人认为：在气温低于-39℃时，水银体温计就不能使用. 试对这一观点进行评价.
参考文献：
[1] OSBORNE J， ERDURAN S， & Simon S. Enhancing the quality of argumentation in school science[J]. Journal of Research in Science Teaching， 2004，41（10）：994-1020.