對科學課向分科教學過渡的思考

■袁中和

對科學課向分科教學過渡的思考

■袁中和

經歷了四年的科學課教學后現在重新進行分學科教學，存在一個過渡期。經歷了時間和空間的跨度再來一個華麗轉身絕非易事。

人類社會與自然界是共通的，正所謂“天人合一”。當任何生物面對自然界的變化時，往往有多種方式去適應這種變化。這里重要的是“變”，改變舊環境、創造新環境；改變舊的發展方式、創造新的發展方式是必由之路。

重新進行分科教學絕不是簡單的復制、回歸傳統的教學方式，只有從根本上解決教學發展模式，才能從根本上解決問題。眾所周知，由于科學課的教學目標設置與分科教學完全不同，因此在教學理念、知識與能力、結構與體系、過程與方法、情感態度價值觀等方面要求不同，處理同一問題的思想與方法、設計理念、操作過程、分析討論的主題和角度會有很大差異。更為嚴竣的是有了這四年的時空跨度，武漢與其它分科教學地區的差異是明顯存在的。這就要求實現教學發展增長方式的轉變。

實現由科學課向分科教學的順利過渡必須依靠教學理念的進步和效率提高的增長方式，這是核心。一說到先進的教學理念、教學創新，往往引起誤解，以為先進、創新的意思就是了不得的高新科學、技術、手段、方法。我理解的所謂先進、創新，是含有很大服務激厲成分的，或者稱之為先進服務創新。對于中學教學這樣的理解應該是合乎實際的。

各個學科的教學呈現的是多種面孔，如果以前的面孔很單調，多為側重對生活是否有用，對升學考試是否有用，現在如果加以適當變化，學科中很多內容其實還是很有趣的，給人以啟發，做成一種很in（即符合潮流）的學科教學，成為時尚教學。這就是核心競爭力。一旦日積月累，能通過我們的教學服務，激發出學生對學科學習的興趣，將產生極大的爆發力。教學效率的增長將是顯而易見的，以下以08年幾道中考試題為例說明如何尋找新的教學增長點。

第36題（7分）

武漢等地生產的混合動力汽車將服務北京奧運。混合動力汽車啟動時，內燃機并不工作，蓄電池通過某種方式向車輪輸送能量；當需要高速行駛或蓄電池儲存電能過低時，內燃機啟動，既可以向車輪輸送能量，也可以同時給蓄電池充電；當車輛需要全力加速時，內燃機和蓄電池還可以同時向車輪輸送能量。

（1）根據以上描述，請你說出一種混合動力汽車不同于普通汽車的優點。

（2）下表是某臺混合動力汽車所用的鎳氫蓄電池組的部分參數（其中容量即為電荷量），試求該蓄電池組最多可儲存多少電能。

（3）測試人員駕駛該車在平直公路上勻速行駛0.5h，觀察儀表盤，發現這段時間內汽車內燃機消耗燃油4.475kg，車速為50km/h，蓄電池組儲存的電能由最大值的60%增加到80%。從汽車使用技術手冊中，測試人員發現該車使用的燃油的熱值為4.0×107J/kg，汽車行駛時所受阻力f和車速v的關系如下圖所示。試計算該汽車內燃機的效率（不計內燃機外機械傳動及充電過程中的能量損失）。

評析：本題意欲從混合動力汽車的運行過程中計算該車內燃機的效率。

對于能量轉換過程中的效率問題，首先要明確“誰在做功”，在上述問題中開始（啟動時）是電流做功（電運動）隨之而來的是柴油機做功（一般高速行駛或蓄電池儲能過低時），此時既有化學運動、機械運動、電磁運動又有電運動（充電）、熱運動，然后是柴油機和蓄電池同時做功（車輪全力加速時），此時也既有化學運動、機械運動又有電運動（放電）、熱運動；其次要明確“誰在轉換”，這里開始（啟動時）是電能與機械能的轉換，伴隨著電流做功，同時有內燃機外的傳動過程中機械能損失和熱損失，隨之是（一般高速行駛或蓄電池儲能過低時）燃料化學能與機械能、電能的轉換，伴隨著分子力做功、電流做功、電磁力做功、動力克服阻力做功，同時有內燃機外傳動過程中機械能損失和熱損失、電磁損失；然后是（車輪全力加速時）燃料化學能與機械能的轉換以及蓄電池化學能與電能的轉換，伴隨著分子力做功、電流做功、動力克服阻力做功，同時有內燃機外傳動過程中機械能損失和熱損失；最后要明確“誰的效率”，在這個復雜的轉換和做功過程中，必然伴隨著各種能量損失，因此效率是多元化的，如上述問題中就有η柴、η電、η蓄等，這就要看所研究的是哪個轉換過程中的效率，在這里不能忽視能量轉化及做功的整體過程而任意設置“效率”。

依題設模型設燃料燃燒釋放的化學能為E；經柴油機轉化的機械能為W；其一轉化為對車輪做功FVt；其中在內燃機外機械傳動中損失的為W機損；其二轉化為對蓄電池充電成為蓄電池的化學能W充電；其中在充電過程中損失的為W充電損。故有

而題中設W機損=0、W充電損=0，則W=FVt+W充電因此可得柴油機效率

η=W/E=（FVt+W充電）/mq=40%

實際上，經柴油機轉化的機械能W，除供車輪做功外，另一部分要轉化為電能才可能對蓄電池充電，設其為W電，在這個機械能轉化為電能過程中損失的能量為W電損，當然，這個轉化成的電能對蓄電池充電則有W電=W充電+ W充電損；因此

此處的W電損是指機械能轉化成電能過程中的電磁損失、熱損失等。這樣得出

顯然，在原題的模型設計中沒有考慮柴油機輸出的機械能中的一部分首先要轉化為電能，然后才可能對蓄電池充電。而在這個轉化過程中損失的能量W電損，是不能完全包括在內燃機外傳動及充電過程中的，在原題解答中實際上已認為W電損=0，即認為機械能轉化為電能的效率η電=1，這在實際上是不可能的。

另外，就混合動力汽車而言，它是變η系統。由于蓄電池的儲能作用，會使得在一定條件下，汽車的效率會高于柴油機的效率，不僅如此，有人認為總體來看，它較一般汽車減少了溫室氣體和其它有害氣體的排放有利環保。但也有人認為，蓄電池本身就是一個污染源，因此對混合動力汽車的應用推廣還有爭議，尚在研究改進之中。

為了節油節能，現代汽車的設計中已增設了EntetgySeanbdySysterm（ESS）即能源后備系統，利用它采集行駛中的能量和節省能量損耗。其采集行駛中的能量包括收集剎車系統在剎車過程中的能量（將被制動的動能轉換為電能）、汽車滑行行駛過程中的能量（慣性滑行中的動能轉換為電能）等等；其節能能量損耗包括鎖住省力狀態（如下坡）行駛時的電能、控制電機和電池的使用放電過程，根據路面情況自動調節電能的輸出等等。上述能源收集和節省完成再通過ESS系統轉化為可用電能，再儲備為備用電能。即使油用完了、電池用完了，車還能跑。因此現代汽車一般都在深化研討節能減排提高效率的問題。

第35題（7分）新農村中很多樓房頂上裝有如圖1所示的水箱，圖2是這種水箱的結構示意圖。其中A、B是由密度為2.5×103kg/m3的材料制成的圓柱體，位于水箱頂部的壓力傳感開關是一種特殊的“拉線開關”，其作用是：當它受到豎直向下的拉力等于25N時閉合，電動水泵就開始通過進水口向水箱中注水；當拉力等于15N時斷開，電動水泵就停止向水箱中注水。

（1）如果A、B的體積均為500cm3，則A、B的總重力是多少？（g取10N/kg）

（2）通過計算說明正常情況下水箱中的最高水位在什么位置，并在圖2中用水平虛線標出。（壓力傳感開關下的細繩和A、B間的細繩質量與體積均忽略不計，g取10N/kg）

評析：由原解答可知，當開關關閉，電動水泵停止向水箱供水時A、B剛好全浸，此時浮力最大；反過來當開關開啟，電動水泵開始向水箱供水時拉力F=25N，則此時

F滔=G-F=25N-25N=0，即A、B剛好離開水面。

水箱在充水過程中“拉線開關”所受拉力為變力，這是由于在此過程中浮力的變化（0-10N）引起的。依題意，設圓柱體的體積為V，截面積為S，高為h，兩圓柱體間的距離為AB，在假設兩圓柱體完全相同的情況下，可得出充水過程中浮力的變化圖線如下圖所示。

由以上分析可見，在原題圖中畫出正常情況下水箱中最高水位在什么位置，畫位置是個幾何含義。事實上，考生通過計算只要知道兩物全浸時浮力達最大，此時拉力最小，電動水泵停止向水箱注水則水箱中水位最高，就具有物理意義。由于最高水位是由兩物所在位置決定的，而兩物有各種置放方式，因此最高水位的具體位置有無數個，僅在題設的置放方式畫出最高水位并不能完整體現其對此物理過程內涵的理解。

如果從現實的價值取向看，兩物的置放就有講究，應該具有節能環保的現實意義。由于題中對兩圓柱體的s、h，及兩者間距hAB均未定，則在保證用水量供給的條件下，應盡量減少頻繁起動、減少剩余水量。在一般情況下，應有2h+hAB=（Q+1000cm2）/S0，其中Q為足夠的供水量，So為水箱截面積。而且B物應盡量靠近水箱底部。若h一定，在保證供水的情況下，hAB越大則一次啟動供水量越多，起動次數越少。

對于這種供水方式，存在著嚴重的污染問題，時間一長，盡管看上去仍然在“正常工作”實際上水箱內部已污濁不堪，存在嚴重的衛生隱患。觀察原題圖中水箱左側有一溢水孔，經過較長時間后，物B（或其一部分）陷入堆積的污物中，甚至被“粘死”，結果浮力的最大值達不到所要求的值，“拉線開關”始終在接通狀態，水泵不停機，最大水位早已超過圖中要求考生標注的位置，直至到達溢水孔位置。除此而外，當物A、B在水箱中被浸后會越來越“胖”體積越來越大（或越來越“瘦“），因此時常最大水位所在位置恰低于（或高于）標答所要求的位置。

武漢市為解決此類水箱帶來的環境衛生等民生安全的隱患，每年都在撥出數百萬元指定專業人員進行定期清洗，耗費大量人力物力。命題者有引導考生對于改革中的新課程關注情感態度價值觀的明確取向，此題更重要的是在對問題的探究性和價值取向的方向性等對學生和今后的教學有啟發。

（作者單位：武漢市教育科學研究院）

責任編輯 張 泉