对科学课向分科教学过渡的思考

■袁中和

对科学课向分科教学过渡的思考

■袁中和

经历了四年的科学课教学后现在重新进行分学科教学，存在一个过渡期。经历了时间和空间的跨度再来一个华丽转身绝非易事。

人类社会与自然界是共通的，正所谓“天人合一”。当任何生物面对自然界的变化时，往往有多种方式去适应这种变化。这里重要的是“变”，改变旧环境、创造新环境；改变旧的发展方式、创造新的发展方式是必由之路。

重新进行分科教学绝不是简单的复制、回归传统的教学方式，只有从根本上解决教学发展模式，才能从根本上解决问题。众所周知，由于科学课的教学目标设置与分科教学完全不同，因此在教学理念、知识与能力、结构与体系、过程与方法、情感态度价值观等方面要求不同，处理同一问题的思想与方法、设计理念、操作过程、分析讨论的主题和角度会有很大差异。更为严竣的是有了这四年的时空跨度，武汉与其它分科教学地区的差异是明显存在的。这就要求实现教学发展增长方式的转变。

实现由科学课向分科教学的顺利过渡必须依靠教学理念的进步和效率提高的增长方式，这是核心。一说到先进的教学理念、教学创新，往往引起误解，以为先进、创新的意思就是了不得的高新科学、技术、手段、方法。我理解的所谓先进、创新，是含有很大服务激厉成分的，或者称之为先进服务创新。对于中学教学这样的理解应该是合乎实际的。

各个学科的教学呈现的是多种面孔，如果以前的面孔很单调，多为侧重对生活是否有用，对升学考试是否有用，现在如果加以适当变化，学科中很多内容其实还是很有趣的，给人以启发，做成一种很in（即符合潮流）的学科教学，成为时尚教学。这就是核心竞争力。一旦日积月累，能通过我们的教学服务，激发出学生对学科学习的兴趣，将产生极大的爆发力。教学效率的增长将是显而易见的，以下以08年几道中考试题为例说明如何寻找新的教学增长点。

第36题（7分）

武汉等地生产的混合动力汽车将服务北京奥运。混合动力汽车启动时，内燃机并不工作，蓄电池通过某种方式向车轮输送能量；当需要高速行驶或蓄电池储存电能过低时，内燃机启动，既可以向车轮输送能量，也可以同时给蓄电池充电；当车辆需要全力加速时，内燃机和蓄电池还可以同时向车轮输送能量。

（1）根据以上描述，请你说出一种混合动力汽车不同于普通汽车的优点。

（2）下表是某台混合动力汽车所用的镍氢蓄电池组的部分参数（其中容量即为电荷量），试求该蓄电池组最多可储存多少电能。

（3）测试人员驾驶该车在平直公路上匀速行驶0.5h，观察仪表盘，发现这段时间内汽车内燃机消耗燃油4.475kg，车速为50km/h，蓄电池组储存的电能由最大值的60%增加到80%。从汽车使用技术手册中，测试人员发现该车使用的燃油的热值为4.0×107J/kg，汽车行驶时所受阻力f和车速v的关系如下图所示。试计算该汽车内燃机的效率（不计内燃机外机械传动及充电过程中的能量损失）。

评析：本题意欲从混合动力汽车的运行过程中计算该车内燃机的效率。

对于能量转换过程中的效率问题，首先要明确“谁在做功”，在上述问题中开始（启动时）是电流做功（电运动）随之而来的是柴油机做功（一般高速行驶或蓄电池储能过低时），此时既有化学运动、机械运动、电磁运动又有电运动（充电）、热运动，然后是柴油机和蓄电池同时做功（车轮全力加速时），此时也既有化学运动、机械运动又有电运动（放电）、热运动；其次要明确“谁在转换”，这里开始（启动时）是电能与机械能的转换，伴随着电流做功，同时有内燃机外的传动过程中机械能损失和热损失，随之是（一般高速行驶或蓄电池储能过低时）燃料化学能与机械能、电能的转换，伴随着分子力做功、电流做功、电磁力做功、动力克服阻力做功，同时有内燃机外传动过程中机械能损失和热损失、电磁损失；然后是（车轮全力加速时）燃料化学能与机械能的转换以及蓄电池化学能与电能的转换，伴随着分子力做功、电流做功、动力克服阻力做功，同时有内燃机外传动过程中机械能损失和热损失；最后要明确“谁的效率”，在这个复杂的转换和做功过程中，必然伴随着各种能量损失，因此效率是多元化的，如上述问题中就有η柴、η电、η蓄等，这就要看所研究的是哪个转换过程中的效率，在这里不能忽视能量转化及做功的整体过程而任意设置“效率”。

依题设模型设燃料燃烧释放的化学能为E；经柴油机转化的机械能为W；其一转化为对车轮做功FVt；其中在内燃机外机械传动中损失的为W机损；其二转化为对蓄电池充电成为蓄电池的化学能W充电；其中在充电过程中损失的为W充电损。故有

而题中设W机损=0、W充电损=0，则W=FVt+W充电因此可得柴油机效率

η=W/E=（FVt+W充电）/mq=40%

实际上，经柴油机转化的机械能W，除供车轮做功外，另一部分要转化为电能才可能对蓄电池充电，设其为W电，在这个机械能转化为电能过程中损失的能量为W电损，当然，这个转化成的电能对蓄电池充电则有W电=W充电+ W充电损；因此

此处的W电损是指机械能转化成电能过程中的电磁损失、热损失等。这样得出

显然，在原题的模型设计中没有考虑柴油机输出的机械能中的一部分首先要转化为电能，然后才可能对蓄电池充电。而在这个转化过程中损失的能量W电损，是不能完全包括在内燃机外传动及充电过程中的，在原题解答中实际上已认为W电损=0，即认为机械能转化为电能的效率η电=1，这在实际上是不可能的。

另外，就混合动力汽车而言，它是变η系统。由于蓄电池的储能作用，会使得在一定条件下，汽车的效率会高于柴油机的效率，不仅如此，有人认为总体来看，它较一般汽车减少了温室气体和其它有害气体的排放有利环保。但也有人认为，蓄电池本身就是一个污染源，因此对混合动力汽车的应用推广还有争议，尚在研究改进之中。

为了节油节能，现代汽车的设计中已增设了EntetgySeanbdySysterm（ESS）即能源后备系统，利用它采集行驶中的能量和节省能量损耗。其采集行驶中的能量包括收集刹车系统在刹车过程中的能量（将被制动的动能转换为电能）、汽车滑行行驶过程中的能量（惯性滑行中的动能转换为电能）等等；其节能能量损耗包括锁住省力状态（如下坡）行驶时的电能、控制电机和电池的使用放电过程，根据路面情况自动调节电能的输出等等。上述能源收集和节省完成再通过ESS系统转化为可用电能，再储备为备用电能。即使油用完了、电池用完了，车还能跑。因此现代汽车一般都在深化研讨节能减排提高效率的问题。

第35题（7分）新农村中很多楼房顶上装有如图1所示的水箱，图2是这种水箱的结构示意图。其中A、B是由密度为2.5×103kg/m3的材料制成的圆柱体，位于水箱顶部的压力传感开关是一种特殊的“拉线开关”，其作用是：当它受到竖直向下的拉力等于25N时闭合，电动水泵就开始通过进水口向水箱中注水；当拉力等于15N时断开，电动水泵就停止向水箱中注水。

（1）如果A、B的体积均为500cm3，则A、B的总重力是多少？（g取10N/kg）

（2）通过计算说明正常情况下水箱中的最高水位在什么位置，并在图2中用水平虚线标出。（压力传感开关下的细绳和A、B间的细绳质量与体积均忽略不计，g取10N/kg）

评析：由原解答可知，当开关关闭，电动水泵停止向水箱供水时A、B刚好全浸，此时浮力最大；反过来当开关开启，电动水泵开始向水箱供水时拉力F=25N，则此时

F滔=G-F=25N-25N=0，即A、B刚好离开水面。

水箱在充水过程中“拉线开关”所受拉力为变力，这是由于在此过程中浮力的变化（0-10N）引起的。依题意，设圆柱体的体积为V，截面积为S，高为h，两圆柱体间的距离为AB，在假设两圆柱体完全相同的情况下，可得出充水过程中浮力的变化图线如下图所示。

由以上分析可见，在原题图中画出正常情况下水箱中最高水位在什么位置，画位置是个几何含义。事实上，考生通过计算只要知道两物全浸时浮力达最大，此时拉力最小，电动水泵停止向水箱注水则水箱中水位最高，就具有物理意义。由于最高水位是由两物所在位置决定的，而两物有各种置放方式，因此最高水位的具体位置有无数个，仅在题设的置放方式画出最高水位并不能完整体现其对此物理过程内涵的理解。

如果从现实的价值取向看，两物的置放就有讲究，应该具有节能环保的现实意义。由于题中对两圆柱体的s、h，及两者间距hAB均未定，则在保证用水量供给的条件下，应尽量减少频繁起动、减少剩余水量。在一般情况下，应有2h+hAB=（Q+1000cm2）/S0，其中Q为足够的供水量，So为水箱截面积。而且B物应尽量靠近水箱底部。若h一定，在保证供水的情况下，hAB越大则一次启动供水量越多，起动次数越少。

对于这种供水方式，存在着严重的污染问题，时间一长，尽管看上去仍然在“正常工作”实际上水箱内部已污浊不堪，存在严重的卫生隐患。观察原题图中水箱左侧有一溢水孔，经过较长时间后，物B（或其一部分）陷入堆积的污物中，甚至被“粘死”，结果浮力的最大值达不到所要求的值，“拉线开关”始终在接通状态，水泵不停机，最大水位早已超过图中要求考生标注的位置，直至到达溢水孔位置。除此而外，当物A、B在水箱中被浸后会越来越“胖”体积越来越大（或越来越“瘦“），因此时常最大水位所在位置恰低于（或高于）标答所要求的位置。

武汉市为解决此类水箱带来的环境卫生等民生安全的隐患，每年都在拨出数百万元指定专业人员进行定期清洗，耗费大量人力物力。命题者有引导考生对于改革中的新课程关注情感态度价值观的明确取向，此题更重要的是在对问题的探究性和价值取向的方向性等对学生和今后的教学有启发。

（作者单位：武汉市教育科学研究院）

责任编辑 张 泉