基于物理核心素養(yǎng)導(dǎo)向的課堂教學(xué)設(shè)計(jì)
——以“電能的輸送”教學(xué)為例

鐘 勇

(紹興市高級(jí)中學(xué) 浙江 紹興 312000)

1 學(xué)習(xí)目標(biāo)

“電能的輸送”一節(jié)的學(xué)習(xí)目標(biāo)如表1所示.

表1 “電能的輸送”學(xué)習(xí)目標(biāo)

2 教材分析

本節(jié)教材要求學(xué)生會(huì)運(yùn)用所學(xué)過的電磁學(xué)方面的知識(shí)解決一個(gè)實(shí)際問題——電能的輸送．通過本節(jié)學(xué)習(xí)，要注意培養(yǎng)和提高學(xué)生運(yùn)用物理知識(shí)分析、解決實(shí)際問題的能力．教材寫得比較詳細(xì)、通俗，可讓學(xué)生課前自學(xué)課本，然后提出一些問題引導(dǎo)學(xué)生思考、討論．但課本中沒有出現(xiàn)遠(yuǎn)距離輸電的設(shè)計(jì)思路，只是灌輸式地介紹了減小電能輸送過程中應(yīng)該注意的問題，所以學(xué)生不能自覺地去設(shè)計(jì)電路，不利于學(xué)生思維能力的提高和物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng)．本節(jié)課教學(xué)過程可以按照創(chuàng)設(shè)情境-猜想-實(shí)驗(yàn)的順序進(jìn)行知識(shí)建構(gòu)，重點(diǎn)是讓學(xué)生自主設(shè)計(jì)出遠(yuǎn)距離輸電的示意圖，并真正搞清遠(yuǎn)距離輸電的原理．因此，教師在教材提供的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上補(bǔ)充、完善和改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置，提升實(shí)驗(yàn)效果，引導(dǎo)學(xué)生通過理論探究和實(shí)驗(yàn)探究，逐步培養(yǎng)和提升學(xué)生的物理核心素養(yǎng)：物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任．

3 教學(xué)思路

教學(xué)思路如圖1所示.

圖1 教學(xué)思路

4 教學(xué)過程

任務(wù)1：知道“便于遠(yuǎn)距離輸送”是電能的優(yōu)點(diǎn)之一．知道輸電的過程．

情景1：請(qǐng)學(xué)生欣賞一組發(fā)電站的圖片和觀看一段有關(guān)“西電東輸”的新聞視頻后思考下列問題．

問題1：發(fā)電站一般建在哪些地方？

問題2：哪些地方最需要用電？

問題3：如何輸送電能？

教學(xué)建議：

(1)請(qǐng)學(xué)生欣賞一組發(fā)電站的圖片后，教師通過積極引導(dǎo)，盡量讓學(xué)生自己思考得出發(fā)電站的一般選址，教師不要替代學(xué)生回答問題．

(2)在播放新聞視頻前，教師要積極引導(dǎo)，使學(xué)生充分體會(huì)到“便于遠(yuǎn)距離輸送”是電能的優(yōu)點(diǎn)之一，鼓勵(lì)學(xué)生學(xué)以致用，多關(guān)注生產(chǎn)和生活實(shí)際．旨在滲透“從生活走進(jìn)物理，從物理走向社會(huì)”的新課程理念．

(3)通過觀看新聞視頻讓學(xué)生對(duì)輸電的過程有一個(gè)大致的了解，為遠(yuǎn)距離高壓輸電的教學(xué)做好鋪墊．

任務(wù)2：知道電能輸送過程中有功率損失和電壓損失，理解降低這兩種損失的途徑．

情景2：用兩個(gè)相同的小燈泡(6 V,0.5 A)接在同一交流電源上，一個(gè)小燈泡用導(dǎo)線與電源相連，另一個(gè)小燈泡接兩根100 m的長(zhǎng)導(dǎo)線與電源相連，請(qǐng)學(xué)生上來檢查實(shí)驗(yàn)器材和電路連接，并打開電源開關(guān)，其他學(xué)生仔細(xì)觀察思考．

問題4：兩個(gè)相同的小燈泡接在同一交流電源上為什么亮度不同？

問題5：導(dǎo)線的電阻真的是零嗎？

問題6：遠(yuǎn)距離輸電時(shí)，輸電線上的電阻能忽略嗎？

教學(xué)建議：請(qǐng)1～2位學(xué)生上來檢查圖2的實(shí)驗(yàn)器材和電路連接，讓學(xué)生體驗(yàn)到實(shí)驗(yàn)的真實(shí)性，激發(fā)學(xué)生繼續(xù)探究的欲望．通過創(chuàng)設(shè)真實(shí)的實(shí)驗(yàn)情境，讓學(xué)生形成導(dǎo)線有電阻的認(rèn)知沖突，不僅培養(yǎng)學(xué)生自主發(fā)現(xiàn)問題的能力，而且讓學(xué)生深切地體會(huì)到遠(yuǎn)距離輸電時(shí)，輸電線上的電阻不能忽略的事實(shí)．

圖2 小燈泡亮度對(duì)比實(shí)驗(yàn)

情景3：用6 V交流電源(學(xué)生電源)作為電廠，用兩根電阻絲來代替長(zhǎng)導(dǎo)線，把小燈泡(6 V,0.5 A)作為用戶來模擬輸電過程，探究怎樣才能更加合理地輸送電能．請(qǐng)學(xué)生們根據(jù)實(shí)驗(yàn)提供的器材連接電路，完成遠(yuǎn)距離輸電．同時(shí)，請(qǐng)學(xué)生觀察并思考實(shí)驗(yàn)中可能出現(xiàn)的各種現(xiàn)象的原因．待部分學(xué)生連接出正確的電路(圖3)后，提出下列問題.

圖3 遠(yuǎn)距離輸電模擬實(shí)驗(yàn)

問題7：你能根據(jù)圖3畫出一個(gè)等效電路圖嗎？

問題8：如何計(jì)算輸電線上的功率損失和電壓損失？

問題9：如何減少輸電線上的功率損失和電壓損失？

教學(xué)建議：

(1)做模擬遠(yuǎn)距離輸電實(shí)驗(yàn)時(shí)，條件好的學(xué)校最好能讓學(xué)生做分組實(shí)驗(yàn)．盡管有情景2演示實(shí)驗(yàn)作為鋪墊，但學(xué)生在實(shí)際連接電路時(shí)仍有可能會(huì)出現(xiàn)兩種情況：

1)燈泡和電源通過電阻絲連接(大部分正確連接)；

2)燈泡和電源通過導(dǎo)線直接連接(小部分學(xué)生連接)．

若兩種情況同時(shí)出現(xiàn)，教師可以引導(dǎo)學(xué)生通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)：第2種連接燈泡較亮，第1種連接燈泡較暗．即近處的燈泡較亮，遠(yuǎn)處的燈泡較暗．經(jīng)過一起探討后，學(xué)生會(huì)基本認(rèn)同，遠(yuǎn)距離輸電應(yīng)該如圖3所示的連接，接著可以讓學(xué)生獨(dú)立思考、親自動(dòng)手按圖3畫一個(gè)等效電路圖(圖4)．并請(qǐng)1～2兩位學(xué)生進(jìn)行板演，其他學(xué)生紙上畫等效電路圖，旨在培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和建模能力．

圖4 等效電路圖

(2)通過引導(dǎo)，學(xué)生自己回憶：功率損失P損=I2R線和電壓損失ΔU=IR線，再和學(xué)生一起進(jìn)行理論探究，使學(xué)生明白減少輸電線上的功率損失和電壓損失一般有兩條途徑：

1)減小輸電線上的電流I；

2)減小輸電線的電阻R線.

并對(duì)損失原因作適當(dāng)分析．旨在讓學(xué)生形成正確物理觀念的同時(shí)，培養(yǎng)和提高學(xué)生的科學(xué)思維能力．

任務(wù)3：理解遠(yuǎn)距離輸電采用高壓輸電的原因,認(rèn)識(shí)高壓輸電的局限性．

情景4：展示選修3-2《教師用書》P94～95的3個(gè)案例體驗(yàn)，讓學(xué)生談做題體會(huì)或感受．

案例體驗(yàn)1：把功率為200 kW的電能輸送到40 km以外的地方，輸電線上的總電阻為0.1 Ω，用200 V的電壓輸電，損失的功率占總功率的百分之幾？

案例體驗(yàn)2：把功率為200 kW的電能用鋁線輸送到40 km以外的地方，用200 V的電壓輸電，要使功率損耗降為輸電功率的25%，導(dǎo)線的橫截面積需提高為0.1 Ω時(shí)的幾倍？

案例體驗(yàn)3：把功率為200 kW的電能輸送到40 km以外的地方，輸電線上的總電阻為0.1 Ω，用2 kV的電壓輸電，損失的功率占總功率的百分之幾？

問題10：減少輸電線上的功率損失和電壓損失有幾條途徑？

問題11：結(jié)合已做過的3個(gè)預(yù)習(xí)題，簡(jiǎn)單談一下，哪條途徑對(duì)減少輸電線上的功率損失和電壓損失更為有效？(說明理由或原理)

教學(xué)建議：

(1)《教師用書》中的3個(gè)案例體驗(yàn)題，在上新課的前一天，以預(yù)習(xí)題的形式印發(fā)給每位學(xué)生，讓學(xué)生提前預(yù)習(xí)新課內(nèi)容，完成好預(yù)習(xí)題作業(yè)．同時(shí)告知學(xué)生，上新課時(shí)會(huì)讓大家談做題體會(huì)或感受，旨在讓學(xué)生引起足夠的重視，盡可能在課前做好充分的準(zhǔn)備．

(2)學(xué)生通過課前自學(xué)以及對(duì)3個(gè)案例體驗(yàn)題的分析和運(yùn)算，能很自然地得出減小輸電電流對(duì)減小輸電線上的損耗更為有效，以及怎樣才能減小輸電電流的方法．旨在讓學(xué)生進(jìn)一步形成正確的物理觀念，培養(yǎng)和提高學(xué)生的科學(xué)思維能力和科學(xué)探究能力，從而有效提升學(xué)生的物理核心素養(yǎng)．

(3)通過再次讓學(xué)生回憶減少輸電線上功率損失和電壓損失的兩條途徑，并要求學(xué)生結(jié)合3個(gè)預(yù)習(xí)題，談一下哪條途徑對(duì)減少輸電線上的功率損失和電壓損失更為有效．旨在培養(yǎng)學(xué)生學(xué)以致用的意識(shí)和理論聯(lián)系實(shí)際的能力，同時(shí)為下一步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證做好充分的準(zhǔn)備．

情景5：在原先提供的實(shí)驗(yàn)器材的基礎(chǔ)上，教師再給每組學(xué)生提供一對(duì)變壓器(匝數(shù)比3∶110)，讓學(xué)生分組做遠(yuǎn)距離高壓輸電模擬實(shí)驗(yàn)． 教師巡視指導(dǎo)，對(duì)又快又好的實(shí)驗(yàn)小組，讓他們派代表到上面來展示實(shí)驗(yàn)成果，如圖5所示，讓學(xué)生體驗(yàn)和分享成功的喜悅．

圖5 派學(xué)生代表展示實(shí)驗(yàn)成果

問題12：如何獲得較高的輸電電壓？

問題13：輸送到用戶處時(shí)，如何使用電器正常工作？

問題14：輸電電壓是不是越高越好？

問題15：能根據(jù)提供的實(shí)驗(yàn)器材，設(shè)計(jì)遠(yuǎn)距離高壓輸電的實(shí)驗(yàn)來證明你的猜想嗎？

教學(xué)建議：

(1)設(shè)置問題12和13的目的是讓學(xué)生回憶和復(fù)習(xí)有關(guān)變壓器的知識(shí)，為學(xué)生自主設(shè)計(jì)遠(yuǎn)距離高壓輸電實(shí)驗(yàn)做好理論準(zhǔn)備．

(2)設(shè)置問題14的目的是讓學(xué)生知道電壓過高的弊端和局限性，同時(shí)讓學(xué)生了解我國(guó)超高壓輸電的研究成果．旨在讓學(xué)生了解一些科普知識(shí)的同時(shí)，讓學(xué)生知道在高壓輸電方面還有很多未知領(lǐng)域可以去探究，從而喚醒學(xué)生的好奇心，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任．

(3)圖5(b)實(shí)驗(yàn)與圖3實(shí)驗(yàn)相比，小燈泡明顯變亮，說明通過高壓輸電后，輸電線上損耗的功率大大減少，與前面理論探究的結(jié)論一致，實(shí)驗(yàn)效果非常明顯．通過引導(dǎo)學(xué)生做遠(yuǎn)距離高壓輸電分組實(shí)驗(yàn)，旨在鍛煉和培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、實(shí)驗(yàn)探究能力、合作與交流的能力，從而有效提升學(xué)生的物理核心素養(yǎng)．

(4)該實(shí)驗(yàn)所用的變壓器升壓后副線圈兩端電壓較高，教師在讓學(xué)生做分組實(shí)驗(yàn)前務(wù)必要強(qiáng)調(diào)好用電安全和正確操作，并做好全程安全監(jiān)控工作，防止意外事情的發(fā)生．

任務(wù)4：知道輸電過程的幾個(gè)環(huán)節(jié)，會(huì)設(shè)計(jì)電能輸送的示意圖．

情景6：投影圖5(b)所示的遠(yuǎn)距離高壓輸電模擬實(shí)驗(yàn)圖片，讓學(xué)生思考實(shí)際輸電有哪幾個(gè)基本環(huán)節(jié)？并設(shè)計(jì)電能輸送的示意圖．

問題16：交流高壓輸電有哪幾個(gè)基本環(huán)節(jié)？

問題17：根據(jù)圖5(b)，畫一個(gè)電能輸送的示意圖.

問題18：該示意圖中存在哪些物理量之間的關(guān)系？

教學(xué)建議：

(1)引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)圖5遠(yuǎn)距離高壓輸電模擬實(shí)驗(yàn)，說出交流高壓輸電的5個(gè)基本環(huán)節(jié)(發(fā)電站、升壓變壓器、高壓輸電線、降壓變壓器、用電單位)，盡量讓學(xué)生自己觀察思考得出結(jié)論，教師不要替代學(xué)生回答問題．

(2)引導(dǎo)學(xué)生說出高壓輸電的5個(gè)基本環(huán)節(jié)后，結(jié)合圖5(b)，讓學(xué)生獨(dú)立畫出電能輸送的示意圖(圖6)．請(qǐng)1～2兩位學(xué)生進(jìn)行板演，其他學(xué)生紙上畫，旨在培養(yǎng)學(xué)生的建模能力和動(dòng)手能力．

圖6 遠(yuǎn)距離輸電示意圖

(3)學(xué)生設(shè)計(jì)出正確的示意圖后，教師通過積極引導(dǎo)，和學(xué)生一起分析討論，得出3個(gè)重要關(guān)系：功率關(guān)系、電壓關(guān)系、電流關(guān)系．旨在培養(yǎng)和提升學(xué)生的科學(xué)思維、科學(xué)探究、合作與交流的能力．

任務(wù)5：根據(jù)示意圖能進(jìn)行簡(jiǎn)單的計(jì)算，會(huì)求解輸電導(dǎo)線上的功率損失等問題．

情景7：投影練習(xí)題

練習(xí)題:一小型發(fā)電站通過升壓、降壓變壓器把電能輸送給用戶．已知發(fā)電機(jī)的輸出功率是500 kW，端電壓為500 V，升壓變壓器原、副線圈的匝數(shù)比為1∶5，兩變壓器間輸電線的總電阻為1.5 Ω，降壓變壓器的輸出電壓為220 V，不計(jì)變壓器的損耗．求：

(1)升壓變壓器的副線圈兩端的電壓；

(2)輸電導(dǎo)線上的功率損失；

(3)降壓變壓器原、副線圈的匝數(shù)比；

(4)用戶得到的功率．

教學(xué)建議：引導(dǎo)學(xué)生仔細(xì)審題、畫示意圖(或草圖)、總結(jié)解題規(guī)范的重要性，旨在培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力及良好的解題習(xí)慣．

5 設(shè)計(jì)點(diǎn)評(píng)

本教學(xué)設(shè)計(jì)能從學(xué)生的實(shí)際出發(fā)，以學(xué)情視角進(jìn)行設(shè)計(jì)，教師通過引導(dǎo)，讓學(xué)生積極主動(dòng)地進(jìn)行理論探究和實(shí)驗(yàn)探究，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、探究問題、解決問題的能力．該教學(xué)設(shè)計(jì)凸顯了學(xué)生的主體地位，開拓學(xué)生的思維，鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力，增強(qiáng)學(xué)生合作與交流的能力，讓學(xué)生主動(dòng)參與其中而不是被動(dòng)地接受教師的結(jié)論，從而達(dá)到培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生物理核心素養(yǎng)的目的．同時(shí)，該教學(xué)設(shè)計(jì)教學(xué)方法多樣，情境與問題的設(shè)計(jì)符合學(xué)習(xí)目標(biāo)，知識(shí)的展開也能較好地符合學(xué)生思維的發(fā)展規(guī)律，教學(xué)建議具有較強(qiáng)的針對(duì)性和指導(dǎo)性．這樣的教學(xué)設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期效果，不僅能充分體現(xiàn)新課改理念和符合學(xué)生物理核心素養(yǎng)培養(yǎng)的要求，而且具有很強(qiáng)的操作性和實(shí)效性．

改進(jìn)之處：

(1)遠(yuǎn)距離高壓輸電分組實(shí)驗(yàn)，盡管實(shí)驗(yàn)效果十分明顯，但因本實(shí)驗(yàn)升壓變壓器輸出端電壓較高，存在一定的安全隱患，最好選擇實(shí)驗(yàn)效果明顯、安全隱患小一些的實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行替代．

(2)可以為學(xué)生設(shè)計(jì)和提供一份優(yōu)質(zhì)的學(xué)案，供學(xué)生課前預(yù)習(xí)和課堂上使用，使課堂效率變得更加高效．