摘? ?要： 通過對教材和學(xué)情的分析，基于物理核心素養(yǎng)導(dǎo)向，從學(xué)情視角出發(fā)，探討在探究學(xué)習(xí)過程中，如何開展高壓輸電模型建構(gòu)，培育學(xué)生核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：認(rèn)知基礎(chǔ)；科學(xué)建模；電能的輸送

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2023）11-0025-4

“電能的輸送”是人教版新教材選擇性必修二第三章《交變電流》的最后一節(jié)，是電磁感應(yīng)和交變電流知識在生產(chǎn)生活中的實(shí)際應(yīng)用。由于學(xué)生已經(jīng)習(xí)慣了直流電路的分析，當(dāng)他們第一次綜合運(yùn)用電磁學(xué)知識分析交流電路的問題時(shí)，感到難以適應(yīng)，對遠(yuǎn)距離輸電模型的建構(gòu)理解困難，對其中各物理量之間的關(guān)系認(rèn)識不清，導(dǎo)致在學(xué)習(xí)本節(jié)課時(shí)產(chǎn)生了許多疑惑。

本文通過對教材和學(xué)情進(jìn)行分析，基于物理核心素養(yǎng)導(dǎo)向，從學(xué)情視角出發(fā)，探討如何開展探究學(xué)習(xí)，如何開展高壓輸電模型建構(gòu)，如何培養(yǎng)學(xué)生知識的應(yīng)用與實(shí)踐能力。

１? ? 教材分析

教材通過生活中實(shí)際問題引出對遠(yuǎn)距離輸電的思考，提出了電能輸送要遵循“可靠、保質(zhì)、經(jīng)濟(jì)”三個(gè)基本要求，重點(diǎn)討論了遠(yuǎn)距離輸電過程中能量損耗的問題，并提出了降低電能損耗的兩個(gè)途徑。據(jù)此，運(yùn)用“思考與討論”的形式，分析得出降低電能損耗最有效的途徑——減小輸電電流，進(jìn)而提出高壓輸電、電網(wǎng)供電的技術(shù)。教材的這種安排，表明其重視知識呈現(xiàn)的邏輯性及學(xué)生運(yùn)用物理知識分析、解決實(shí)際問題能力的培養(yǎng)，體現(xiàn)了學(xué)以致用的教學(xué)思想。

雖然新教材中沒有遠(yuǎn)距離輸電的設(shè)計(jì)思路和相關(guān)內(nèi)容呈現(xiàn)，但在新教材教師用書中的教學(xué)目標(biāo)內(nèi)容，卻突出強(qiáng)調(diào)要求學(xué)生“經(jīng)歷建立遠(yuǎn)距離輸電模型的過程，體會(huì)建立理想模型的思維方法”，這表明新教材注意到了給學(xué)生自主探究保留一定的空間，讓學(xué)生在科學(xué)探究中實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離輸電模型的建構(gòu)。體現(xiàn)了新教材重視科學(xué)探究和科學(xué)思維方法的培養(yǎng)。

電能的輸送是一個(gè)兼具理論性和技術(shù)性的綜合應(yīng)用問題，教材通篇理論推導(dǎo)、論證，沒有設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究，由于輸電結(jié)構(gòu)復(fù)雜，涉及物理量多，計(jì)算繁雜，學(xué)生沒有實(shí)驗(yàn)探究體驗(yàn)，缺少直觀形象的感知，導(dǎo)致學(xué)生對輸電過程的理解不透徹，對各個(gè)物理量之間關(guān)系認(rèn)識模糊，反映了教材在培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究能力方面的缺失。

２? ? 學(xué)情分析

２．１? ? 學(xué)生的認(rèn)知基礎(chǔ)

學(xué)生在學(xué)習(xí)本節(jié)課之前，已經(jīng)掌握了歐姆定律、電阻定律、電磁感應(yīng)定律、變壓器等相關(guān)知識，對電路中的電壓、電流及功率的關(guān)系有了基本認(rèn)識，能夠理解這些規(guī)律的適用條件，并運(yùn)用它們進(jìn)行簡單的計(jì)算，能夠理解變壓器中電壓、電流與匝數(shù)、功率間的物理規(guī)律的確切含義，知道在變壓器中升高電壓可以減小電流，降低電壓可以增大電流，能運(yùn)用相關(guān)的規(guī)律分析計(jì)算一些簡單的電路問題。

２．２? ? 學(xué)生的認(rèn)知障礙

２．２．１? ? 認(rèn)知能力形成的障礙

雖然學(xué)生在前面學(xué)習(xí)了電路、電磁感應(yīng)和變壓器的相關(guān)知識，具備了對電路進(jìn)行簡單分析的能力，但他們對這些知識的認(rèn)知呈現(xiàn)出來的是碎片化與分散化的，僅僅在頭腦中對這些知識進(jìn)行簡單的堆砌，未能形成系統(tǒng)化的知識網(wǎng)絡(luò)，綜合運(yùn)用這些知識分析實(shí)際問題的能力還比較弱，無法自主建立高壓輸電的具體模型，面對高壓輸電模型中的多個(gè)回路，他們難以理清其中的電壓、電流和功率關(guān)系。

２．２．２? ? 技術(shù)細(xì)節(jié)形成的認(rèn)知障礙

電能輸送是一個(gè)理論性和技術(shù)性很強(qiáng)的復(fù)雜系統(tǒng)工程，在高中階段僅僅是初步了解。雖然教材僅從“可靠”“保質(zhì)”“經(jīng)濟(jì)”三個(gè)基本要求呈現(xiàn)，但在學(xué)習(xí)過程中，仍會(huì)涉及到一些技術(shù)細(xì)節(jié)，讓學(xué)生產(chǎn)生疑問。例如，如何既經(jīng)濟(jì)又保質(zhì)地輸送電能？對教材和題目中常常出現(xiàn)的假設(shè)性條件“輸送功率一定”不理解，有的學(xué)生錯(cuò)誤地認(rèn)為輸送功率真的可以是由發(fā)電廠決定；有的學(xué)生知道前面的理解不對，但又不知道輸送功率到底由誰決定，影響了學(xué)習(xí)。

２．２．３? ? 思維定式形成的認(rèn)知障礙

在學(xué)習(xí)本節(jié)課前，學(xué)生已經(jīng)學(xué)過了相關(guān)電路知識，他們對電能的輸送僅限于直流純電阻電路，在不了解遠(yuǎn)距離輸電模型的情況下，習(xí)慣于從直流純電阻電路角度來分析問題，在構(gòu)建遠(yuǎn)距離輸電模型過程中，難以想到用增大輸電電壓的方法來減小輸送電流，并且會(huì)產(chǎn)生疑惑：“為什么電壓升高后，電流就不增加呢？為什么不從Ｉ＝Ｕ／Ｒ來分析電流變化呢？”“電壓升高了，輸電電流隨之減小，用戶端的電流也減小了嗎？用戶端的功率是不是也減小了呢？”

３? ? 教學(xué)建議

基于以上分析，從學(xué)情視角出發(fā)，基于物理核心素養(yǎng)導(dǎo)向，筆者對本節(jié)課提出了以下三個(gè)方面的建議。

３．１? ? 實(shí)驗(yàn)探究與理論推導(dǎo)并重，提升科學(xué)探究素養(yǎng)

從科學(xué)探究角度來說，理論探究和實(shí)驗(yàn)探究協(xié)同演進(jìn)才是科學(xué)的探究路徑。筆者認(rèn)為，在本節(jié)課教學(xué)中，采用實(shí)驗(yàn)探究和理論推導(dǎo)相結(jié)合的方法，探究電能輸送過程中存在的問題和遠(yuǎn)距離輸電模型的建構(gòu)，可以彌補(bǔ)單純理論推導(dǎo)方法的局限性，讓學(xué)生在獲得直觀形象感知的基礎(chǔ)上，理解降低能量損耗的方法和遠(yuǎn)距離輸電模型中各物理量之間的關(guān)系，同時(shí)經(jīng)歷并體驗(yàn)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)探究過程，感悟其中的過程與方法，從而提升科學(xué)探究素養(yǎng)。

例如，在輸電過程存在問題教學(xué)中，可先引導(dǎo)學(xué)生開展以下兩組實(shí)驗(yàn)探究：

（1）用學(xué)生電源對講臺上的燈泡Ａ和后排遠(yuǎn)距離的相同規(guī)格燈泡Ｂ的供電情況（圖１）；

（２）如圖２所示，用與用戶端相同規(guī)格的兩個(gè)燈泡替代導(dǎo)線電阻，增加用戶端的燈泡數(shù)量，探究線路損失情況。

學(xué)生通過這兩組模擬實(shí)驗(yàn)得出：由于輸電線有電阻，導(dǎo)致有功率損失和電壓損失，用戶越多，損耗的電能越多和損失電壓就越大。

這種將實(shí)驗(yàn)探究和理論推導(dǎo)相結(jié)合的教學(xué)方法，有利于學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)探究過程，學(xué)生能夠深刻地體會(huì)到遠(yuǎn)距離輸電過程中輸電線電阻不能忽略的事實(shí)，發(fā)現(xiàn)電能輸送過程中存在的問題，進(jìn)而激發(fā)出繼續(xù)探究的欲望，既培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力、動(dòng)手能力以及自主發(fā)現(xiàn)問題和理論分析能力，也為后面“探究減小輸電功率的損失”的學(xué)習(xí)做好鋪墊。

在理論探究構(gòu)建出遠(yuǎn)距離輸電模型后，引導(dǎo)學(xué)生用圖４所示的實(shí)驗(yàn)，論證在高壓輸電的模式下，用戶端的功率情況（燈泡亮度情況）。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象論證了理論探究的正確性，體現(xiàn)了科學(xué)探究的嚴(yán)謹(jǐn)性，通過和前面實(shí)驗(yàn)的對比，展示了遠(yuǎn)距離高壓輸電的優(yōu)越性，學(xué)生不僅能體驗(yàn)到取得科學(xué)探究成果的喜悅，感悟?qū)嶒?yàn)論證的重要意義，也強(qiáng)化了遠(yuǎn)距離高壓輸電的原理和過程的理解，也有利于學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中形成科學(xué)的態(tài)度和科學(xué)精神，掌握科學(xué)方法。

３．２? ? 立足學(xué)生“最近發(fā)展區(qū)”，科學(xué)構(gòu)建高壓輸電模型

最近發(fā)展區(qū)理論告訴我們，教學(xué)不能無視學(xué)生已有的知識和經(jīng)驗(yàn)，簡單強(qiáng)硬地實(shí)施知識的“灌輸”，而是應(yīng)當(dāng)以學(xué)生原有的知識和經(jīng)驗(yàn)作為新知識的生長點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生知識和能力向更高層次發(fā)展。高壓輸電模型的建構(gòu)對學(xué)生思維能力要求較高。在本節(jié)課教學(xué)中，不少教師為了提高課堂“效率”，無視學(xué)生的知識和能力水平，采用直接呈現(xiàn)高壓輸電模型的教學(xué)方法，由于沒有模型建構(gòu)的過程體驗(yàn)，導(dǎo)致學(xué)生對高壓輸電模型的理解不夠深入，知識的掌握僅僅停留在“機(jī)械式”的套用層面，探究意識和探究思維能力等素養(yǎng)沒有得到很好的發(fā)展。筆者認(rèn)為，本節(jié)課教學(xué)中要重視學(xué)情分析，了解學(xué)生的“現(xiàn)有水平”，分析學(xué)生的“潛在能力”，研究學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的問題和疑惑，采用問題教學(xué)模式，并將問題設(shè)計(jì)在學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)內(nèi)，讓學(xué)生通過解決一個(gè)個(gè)循序漸進(jìn)的問題，最終構(gòu)建出遠(yuǎn)距離輸電模型。

例如，在教學(xué)中筆者設(shè)置以下問題情境：

（1）采用減小輸電線路電流的方法，能滿足用戶需求嗎？（輸電電流小，用戶得到的電流也小，好像也不行）

（2）能否做到輸電線上的電流小，用戶端卻能獲得較大的電流？

（3）輸電電流小，用戶端的電流大，意味著輸電線與用戶端要“隔離”，什么儀器具有這一功能呢？（變壓器既可變壓又可變流）

（4）變壓器應(yīng)放置在何處？它的作用是什么？匝數(shù)比應(yīng)該怎樣設(shè)計(jì)？

（5）升流的同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了降壓，會(huì)導(dǎo)致用戶端的電壓過低，用電器不能正常工作，如何解決這個(gè)問題呢？（利用變壓器，將電壓升高）

（6）這個(gè)變壓器應(yīng)放置在何處？它的作用是什么？匝數(shù)比應(yīng)該怎樣設(shè)計(jì)？

（7）變壓器的兩次運(yùn)用，構(gòu)建了遠(yuǎn)距離高壓輸電的結(jié)構(gòu)，在這個(gè)結(jié)構(gòu)中有幾個(gè)回路？每個(gè)回路電壓、電流、功率的關(guān)系如何？

這種在學(xué)生最近發(fā)展區(qū)設(shè)置問題的方法，可以有效激活學(xué)生思維，消除學(xué)習(xí)過程中產(chǎn)生的疑惑，既深刻理解了高壓輸電模型，也提高了知識的遷移應(yīng)用能力。

３．３? ? 注重理論聯(lián)系實(shí)際，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)以致用的意識

學(xué)習(xí)的終極目標(biāo)在于應(yīng)用與實(shí)踐，實(shí)踐是檢驗(yàn)學(xué)生是否真正學(xué)懂及靈活應(yīng)用高中物理知識的重要途徑，是物理教學(xué)不可或缺的重要環(huán)節(jié)，既可以激活高中物理課堂，又能引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)分析、思考，深化其物理知識的認(rèn)識與理解，增進(jìn)理論與實(shí)踐之間的聯(lián)系。作為一節(jié)知識應(yīng)用課，本節(jié)課的主要任務(wù)是應(yīng)用電磁學(xué)相關(guān)知識探究遠(yuǎn)距離輸電的電路結(jié)構(gòu)，在知識上實(shí)現(xiàn)對電路和變壓器原理的更深層次的理解和內(nèi)化，在應(yīng)用能力上可以有效發(fā)展科學(xué)思維和理論聯(lián)系實(shí)際的能力，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)以致用的意識。教學(xué)中要引導(dǎo)學(xué)生將物理知識遷移到實(shí)際問題的解決中，分析、思考并處理所遇到的各種現(xiàn)實(shí)問題，讓他們在問題解決中領(lǐng)悟?qū)W習(xí)物理的意義所在，從而達(dá)到激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)和學(xué)習(xí)積極性的目的。

例如，在探究降低輸電能耗的方法時(shí)，先引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用Ｐ＝Ｉ２ｒ和△Ｕ＝Ｉｒ，分析如何減少輸電線的功率損失和電壓損失，再引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合生活和生產(chǎn)實(shí)際分析“采用減小輸電線電阻能否有效降低電壓和電能損失”，最后引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)Ｐ＝Ｉ２ｒ展開對比分析，“相比于減小輸電線電阻，采用減小輸電電流Ｉ，效果會(huì)如何”。學(xué)生在此過程中，從理論走向?qū)嶋H，真切地體會(huì)到減小電能損耗還要考慮實(shí)際的距離、成本、施工、環(huán)境等實(shí)際問題，既學(xué)會(huì)了科學(xué)、全面、辯證地分析問題，又感受到了物理知識應(yīng)用價(jià)值及物理與ＳＴＳＥ的關(guān)系。

在構(gòu)建出高壓輸電模型后，引導(dǎo)學(xué)生開展思考討論：“是不是輸電電壓越高越好？為什么？”“電能的輸送是電廠輸送多少，用戶就接收多少，還是用戶需要多少，電廠就提供多少？”“常用的輸電模式有幾種？各是什么？”通過對這些問題的分析與討論，引導(dǎo)學(xué)生從理論回歸實(shí)際應(yīng)用，明確電能輸送要綜合考慮功率、距離及電感電容等各種因素，根據(jù)不同的情況選擇合適的輸電電壓，由此幫助學(xué)生認(rèn)識到事物的多面性，培養(yǎng)學(xué)生全面分析問題的能力。

參考文獻(xiàn)：

［１］陳敏．“電能的輸送”教學(xué)設(shè)計(jì)［Ｊ］．物理通報(bào)，２０１３（１０）：62-65，68．

［２］田誠，涂運(yùn)芳． 《電能的輸送》之“模擬遠(yuǎn)距離輸電”實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)［Ｊ］．物理教學(xué)探討，２０１７，35（８）：25-27.

（欄目編輯? ? 劉? ?榮）

收稿日期：２０２３－０６－１２

作者簡介：王治國（１９６７－），男，中學(xué)高級教師，主要從事中學(xué)物理教學(xué)工作。