對科學(xué)課向分科教學(xué)過渡的思考

■袁中和

對科學(xué)課向分科教學(xué)過渡的思考

■袁中和

經(jīng)歷了四年的科學(xué)課教學(xué)后現(xiàn)在重新進(jìn)行分學(xué)科教學(xué)，存在一個(gè)過渡期。經(jīng)歷了時(shí)間和空間的跨度再來一個(gè)華麗轉(zhuǎn)身絕非易事。

人類社會(huì)與自然界是共通的，正所謂“天人合一”。當(dāng)任何生物面對自然界的變化時(shí)，往往有多種方式去適應(yīng)這種變化。這里重要的是“變”，改變舊環(huán)境、創(chuàng)造新環(huán)境；改變舊的發(fā)展方式、創(chuàng)造新的發(fā)展方式是必由之路。

重新進(jìn)行分科教學(xué)絕不是簡單的復(fù)制、回歸傳統(tǒng)的教學(xué)方式，只有從根本上解決教學(xué)發(fā)展模式，才能從根本上解決問題。眾所周知，由于科學(xué)課的教學(xué)目標(biāo)設(shè)置與分科教學(xué)完全不同，因此在教學(xué)理念、知識與能力、結(jié)構(gòu)與體系、過程與方法、情感態(tài)度價(jià)值觀等方面要求不同，處理同一問題的思想與方法、設(shè)計(jì)理念、操作過程、分析討論的主題和角度會(huì)有很大差異。更為嚴(yán)竣的是有了這四年的時(shí)空跨度，武漢與其它分科教學(xué)地區(qū)的差異是明顯存在的。這就要求實(shí)現(xiàn)教學(xué)發(fā)展增長方式的轉(zhuǎn)變。

實(shí)現(xiàn)由科學(xué)課向分科教學(xué)的順利過渡必須依靠教學(xué)理念的進(jìn)步和效率提高的增長方式，這是核心。一說到先進(jìn)的教學(xué)理念、教學(xué)創(chuàng)新，往往引起誤解，以為先進(jìn)、創(chuàng)新的意思就是了不得的高新科學(xué)、技術(shù)、手段、方法。我理解的所謂先進(jìn)、創(chuàng)新，是含有很大服務(wù)激厲成分的，或者稱之為先進(jìn)服務(wù)創(chuàng)新。對于中學(xué)教學(xué)這樣的理解應(yīng)該是合乎實(shí)際的。

各個(gè)學(xué)科的教學(xué)呈現(xiàn)的是多種面孔，如果以前的面孔很單調(diào)，多為側(cè)重對生活是否有用，對升學(xué)考試是否有用，現(xiàn)在如果加以適當(dāng)變化，學(xué)科中很多內(nèi)容其實(shí)還是很有趣的，給人以啟發(fā)，做成一種很in（即符合潮流）的學(xué)科教學(xué)，成為時(shí)尚教學(xué)。這就是核心競爭力。一旦日積月累，能通過我們的教學(xué)服務(wù)，激發(fā)出學(xué)生對學(xué)科學(xué)習(xí)的興趣，將產(chǎn)生極大的爆發(fā)力。教學(xué)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(xué)增長點(diǎn)。

第36題（7分）

武漢等地生產(chǎn)的混合動(dòng)力汽車將服務(wù)北京奧運(yùn)?；旌蟿?dòng)力汽車啟動(dòng)時(shí)，內(nèi)燃機(jī)并不工作，蓄電池通過某種方式向車輪輸送能量；當(dāng)需要高速行駛或蓄電池儲(chǔ)存電能過低時(shí)，內(nèi)燃機(jī)啟動(dòng)，既可以向車輪輸送能量，也可以同時(shí)給蓄電池充電；當(dāng)車輛需要全力加速時(shí)，內(nèi)燃機(jī)和蓄電池還可以同時(shí)向車輪輸送能量。

（1）根據(jù)以上描述，請你說出一種混合動(dòng)力汽車不同于普通汽車的優(yōu)點(diǎn)。

（2）下表是某臺(tái)混合動(dòng)力汽車所用的鎳氫蓄電池組的部分參數(shù)（其中容量即為電荷量），試求該蓄電池組最多可儲(chǔ)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(fā)現(xiàn)這段時(shí)間內(nèi)汽車內(nèi)燃機(jī)消耗燃油4.475kg，車速為50km/h，蓄電池組儲(chǔ)存的電能由最大值的60%增加到80%。從汽車使用技術(shù)手冊中，測試人員發(fā)現(xiàn)該車使用的燃油的熱值為4.0×107J/kg，汽車行駛時(shí)所受阻力f和車速v的關(guān)系如下圖所示。試計(jì)算該汽車內(nèi)燃機(jī)的效率（不計(jì)內(nèi)燃機(jī)外機(jī)械傳動(dòng)及充電過程中的能量損失）。

評析：本題意欲從混合動(dòng)力汽車的運(yùn)行過程中計(jì)算該車內(nèi)燃機(jī)的效率。

對于能量轉(zhuǎn)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(dòng)時(shí)）是電流做功（電運(yùn)動(dòng)）隨之而來的是柴油機(jī)做功（一般高速行駛或蓄電池儲(chǔ)能過低時(shí)），此時(shí)既有化學(xué)運(yùn)動(dòng)、機(jī)械運(yùn)動(dòng)、電磁運(yùn)動(dòng)又有電運(yùn)動(dòng)（充電）、熱運(yùn)動(dòng)，然后是柴油機(jī)和蓄電池同時(shí)做功（車輪全力加速時(shí)），此時(shí)也既有化學(xué)運(yùn)動(dòng)、機(jī)械運(yùn)動(dòng)又有電運(yùn)動(dòng)（放電）、熱運(yùn)動(dòng)；其次要明確“誰在轉(zhuǎn)換”，這里開始（啟動(dòng)時(shí)）是電能與機(jī)械能的轉(zhuǎn)換，伴隨著電流做功，同時(shí)有內(nèi)燃機(jī)外的傳動(dòng)過程中機(jī)械能損失和熱損失，隨之是（一般高速行駛或蓄電池儲(chǔ)能過低時(shí)）燃料化學(xué)能與機(jī)械能、電能的轉(zhuǎn)換，伴隨著分子力做功、電流做功、電磁力做功、動(dòng)力克服阻力做功，同時(shí)有內(nèi)燃機(jī)外傳動(dòng)過程中機(jī)械能損失和熱損失、電磁損失；然后是（車輪全力加速時(shí)）燃料化學(xué)能與機(jī)械能的轉(zhuǎn)換以及蓄電池化學(xué)能與電能的轉(zhuǎn)換，伴隨著分子力做功、電流做功、動(dòng)力克服阻力做功，同時(shí)有內(nèi)燃機(jī)外傳動(dòng)過程中機(jī)械能損失和熱損失；最后要明確“誰的效率”，在這個(gè)復(fù)雜的轉(zhuǎn)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(gè)轉(zhuǎn)換過程中的效率，在這里不能忽視能量轉(zhuǎn)化及做功的整體過程而任意設(shè)置“效率”。

依題設(shè)模型設(shè)燃料燃燒釋放的化學(xué)能為E；經(jīng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)化的機(jī)械能為W；其一轉(zhuǎn)化為對車輪做功FVt；其中在內(nèi)燃機(jī)外機(jī)械傳動(dòng)中損失的為W機(jī)損；其二轉(zhuǎn)化為對蓄電池充電成為蓄電池的化學(xué)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(shè)W機(jī)損=0、W充電損=0，則W=FVt+W充電因此可得柴油機(jī)效率

η=W/E=（FVt+W充電）/mq=40%

實(shí)際上，經(jīng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)化的機(jī)械能W，除供車輪做功外，另一部分要轉(zhuǎn)化為電能才可能對蓄電池充電，設(shè)其為W電，在這個(gè)機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能過程中損失的能量為W電損，當(dāng)然，這個(gè)轉(zhuǎn)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(jī)械能轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)中沒有考慮柴油機(jī)輸出的機(jī)械能中的一部分首先要轉(zhuǎn)化為電能，然后才可能對蓄電池充電。而在這個(gè)轉(zhuǎn)化過程中損失的能量W電損，是不能完全包括在內(nèi)燃機(jī)外傳動(dòng)及充電過程中的，在原題解答中實(shí)際上已認(rèn)為W電損=0，即認(rèn)為機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的效率η電=1，這在實(shí)際上是不可能的。

另外，就混合動(dòng)力汽車而言，它是變?chǔ)窍到y(tǒng)。由于蓄電池的儲(chǔ)能作用，會(huì)使得在一定條件下，汽車的效率會(huì)高于柴油機(jī)的效率，不僅如此，有人認(rèn)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(huán)保。但也有人認(rèn)為，蓄電池本身就是一個(gè)污染源，因此對混合動(dòng)力汽車的應(yīng)用推廣還有爭議，尚在研究改進(jìn)之中。

為了節(jié)油節(jié)能，現(xiàn)代汽車的設(shè)計(jì)中已增設(shè)了EntetgySeanbdySysterm（ESS）即能源后備系統(tǒng)，利用它采集行駛中的能量和節(jié)省能量損耗。其采集行駛中的能量包括收集剎車系統(tǒng)在剎車過程中的能量（將被制動(dòng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能）、汽車滑行行駛過程中的能量（慣性滑行中的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能）等等；其節(jié)能能量損耗包括鎖住省力狀態(tài)（如下坡）行駛時(shí)的電能、控制電機(jī)和電池的使用放電過程，根據(jù)路面情況自動(dòng)調(diào)節(jié)電能的輸出等等。上述能源收集和節(jié)省完成再通過ESS系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為可用電能，再儲(chǔ)備為備用電能。即使油用完了、電池用完了，車還能跑。因此現(xiàn)代汽車一般都在深化研討節(jié)能減排提高效率的問題。

第35題（7分）新農(nóng)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(jié)構(gòu)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(guān)是一種特殊的“拉線開關(guān)”，其作用是：當(dāng)它受到豎直向下的拉力等于25N時(shí)閉合，電動(dòng)水泵就開始通過進(jìn)水口向水箱中注水；當(dāng)拉力等于15N時(shí)斷開，電動(dòng)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(jì)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(biāo)出。（壓力傳感開關(guān)下的細(xì)繩和A、B間的細(xì)繩質(zhì)量與體積均忽略不計(jì)，g取10N/kg）

評析：由原解答可知，當(dāng)開關(guān)關(guān)閉，電動(dòng)水泵停止向水箱供水時(shí)A、B剛好全浸，此時(shí)浮力最大；反過來當(dāng)開關(guān)開啟，電動(dòng)水泵開始向水箱供水時(shí)拉力F=25N，則此時(shí)

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(guān)”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(shè)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(shè)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(gè)幾何含義。事實(shí)上，考生通過計(jì)算只要知道兩物全浸時(shí)浮力達(dá)最大，此時(shí)拉力最小，電動(dòng)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(shù)個(gè)，僅在題設(shè)的置放方式畫出最高水位并不能完整體現(xiàn)其對此物理過程內(nèi)涵的理解。

如果從現(xiàn)實(shí)的價(jià)值取向看，兩物的置放就有講究，應(yīng)該具有節(jié)能環(huán)保的現(xiàn)實(shí)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(yīng)盡量減少頻繁起動(dòng)、減少剩余水量。在一般情況下，應(yīng)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(yīng)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(dòng)供水量越多，起動(dòng)次數(shù)越少。

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

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

（作者單位：武漢市教育科學(xué)研究院）

責(zé)任編輯 張 泉