“小設計”換來“大驚喜”——以“電能的輸送”教學設計為例

王 蕾

（蘇州市第一中學校，江蘇 蘇州 215005）

“電能的輸送”一課是高中物理（人教版）選修3-2“交變電流”一章的最后一節.在教材中的地位屬于對本章前面幾節的綜合應用，同時也涉及到了恒定電路的一些基本電學知識.本節的教學目標主要有2方面，了解從變電站到用戶的輸電過程，知道遠距離輸電時應用高電壓的道理；引導學生積極主動探究，發現問題，解決問題，在學習知識的同時獲得一定的成就感.本節知識在高考考查中算不上主干知識，往往教材并不會以大量篇幅展現，而事實上這樣類型的課程與生活聯系緊密，能給學生帶來更多情感態度價值觀的體驗，所以值得教師深入細致地研究教材和教法.

教科書教學內容展開的流程如圖1.

圖1 教材教學流程

筆者認為，要能更好地實現教學目標，應從我國輸電現狀出發，讓學生從實踐中來再回到實踐中去.只有這樣，本節教材才會得到更有價值的提升.在教學實踐中筆者對課程的安排和實驗都做了改進和處理，讓整個學習過程更加流暢，實驗效果更加完美.

1 引人入勝的新課導入

原教材開篇就提出了輸電基本要求，可為什么要有這樣的要求，這需要與學生分析我國的現狀.我國大型發電站與用電需求大的城市之間距離遙遠，這也正是西電東輸面臨的一個最大的問題.若距離遠用加長導線就能解決問題的話，那么，本節課就沒有討論的必要了.所以，下一步就是要讓學生直觀地感受直接遠距離輸電的弊端.

圖2 短導線輸電

小設計之1.（1）學生電源（交流）對燈泡A供電，A燈正常發光.如圖2所示.

（2）學生電源（交流）對教室后排的相同規格的B燈供電，距離遠.后排沒有電源.我

們就不得不找來一捆長長的導線來連接電路.

（3）讓B燈與A燈并聯，閉合開關，如圖3所示.

圖3 長導線輸電

（4）現象：B點發光明顯暗于A燈.如圖4所示.

圖4 實驗效果圖

引發思考：A、B燈是并聯，電壓相等，為啥亮暗程度差了那么多？

學生分析：問題應該是出在這“長長的導線”上.

大驚喜：不需教師提醒，學生也能想到：這點距離的導線就能產生如此大的影響，那試想遙遠的三峽輸送電能到自己生活的城市，影響之大、損耗之多.充分體會到遠距離輸電無法回避的困難，這樣學生才會主動進一步思考如何降低線路產生的影響.

建議：為了讓“遠距離”輸電更加形象，回路導線可以盡可能長一些（筆者上課就采用了總長約150m的導線）.同時，為了讓導線上的電壓降更明顯，實驗效果更加理想，可在導線中串入電阻，增大回路的總阻值.

2 常規示教板之非常規改進

許多學校都有高低壓輸電示教板，為了更加貼切展示實際情況，實驗時會用兩根阻值較大的電阻絲代表遠距離的長導線.用低壓送電時，實驗原理同小設計1.如果僅僅將長導線用電阻絲替換，精簡板面的話，那并無很大的意義.是否能讓線路上的能量損失，更形象化、具體化？筆者做了很多嘗試.本著既要啟發性強，又要適于取材，易于操作，性能穩定，安全可靠，筆者將原來的示教板做了微小的改動.

小設計之2.（1）將示教板上的大阻值導線替換成2個規格相同的小燈泡，最好與用戶端的小燈泡規格也相同，如圖5（a）改成圖5（b）所示.

圖5

低壓交流送電時，三者串聯，學生就可以清楚地觀察到用戶端燈泡與輸電線上燈泡一樣亮.可見線路上損失較大，如圖6所示.

圖6 實驗效果圖

（2）進一步向學生展示，實際用戶端用戶增多時，線路損失的情況，如圖7所示.

圖7 低壓送電多負載的電路圖

用戶端并聯線路增多，示教板上的電路圖能很清楚地提示著，線路損失的能量是不可低估的.如圖8所示.

圖8 實驗效果圖

大驚喜：輸電線有明顯的電阻，有能耗，用戶端得到的電能跟發電廠送出的相比損失了很多.若用兩個小燈泡來替代長長的輸電線，最大的優點就是直觀，小燈泡的亮暗情況給了學生更多的體驗.

物理學科是一門重實踐、重體驗的學科，許多問題教師光憑講述，是很難給學生直觀感受的.設計2在設計1的基礎上進一步提出線路損失問題，同時又可與高壓送電形成鮮明對比.對學生而言，將看不到的能量損失用看得到的小燈泡的明暗區別來呈現，這種視覺的沖擊，對理解高壓送電的必要性起著極其關鍵的作用.

建議：線路電阻燈泡與用戶端燈泡盡量使用相同規格，這樣3盞燈泡的亮暗對比更能說明問題.同時，用戶端3燈泡也盡量使用相同規格.

3 定量對比引發思考

對于眼前看到的實驗事實，學生希望提出解決的方法.根據焦耳定律及控制變量法，學生易從縮短時間、減小電阻、減小電流3方面入手.但生活經驗很快就會讓學生否定靠縮短時間來減小能耗的方法.而減小輸電電阻、減小輸電電流，到底哪個更好？筆者認為也最好要有學生體驗后抉擇.

小設計之3.案例體驗1：把功率為2×107W的電能輸送到5km以外的地方，輸電線上的總電阻為10Ω，用2×104V的電壓輸電，損失的功率占總功率的百分之幾？

案例體驗2：把功率為2×107W的電能輸送到5km以外的地方，輸電線上的橫截面積加倍（相對案例1），用2×104V的電壓輸電，損失的功率占總功率的百分之幾？

案例體驗3：把功率為2×107W的電能輸送到5km以外的地方，輸電線上的總電阻為10Ω，用4×104V的電壓輸電（相對案例1輸電電壓加倍），損失的功率占總功率的百分之幾？

案例體驗4：把功率為2×107W的電能輸送到5km以外的地方，輸電線上的總電阻為10Ω，用2×105V的電壓輸電（相對案例1輸電電壓的10倍），損失的功率占總功率的百分之幾？

大驚喜：因為學生已經掌握基本電學知識，通過以上幾組計算體驗，減小輸電電流的優勢就一覽無遺了.學生計算體驗取代了教師講解.有了學生參與，正確的抉擇是必然的結果.

建議：案例選擇的數據也許與實際情況仍有出入，但考慮到這段分析所服務的教學目標及本節課的教學重點，教師還是盡量選擇方便計算的數據.

4 對比實驗提升課堂效果

目睹了低壓送電的缺陷，也討論了減小輸電線損失的方案，教師的分析讓學生也感受到了減小輸電線電流，升高輸電電壓的必要性，引出了升壓、降壓兩組變壓器來滿足輸電要求.

小設計之4.（1）改變電路結構，進行高壓送電.如圖9（a）所示.

現象：用戶端燈泡明顯增亮，輸電線燈泡幾乎不亮，如圖9（b）所示.

圖9

（2）增加用戶量，再次體驗有別于低壓送電的不同效果，如圖10（a）、（b）所示.

圖10

大驚喜：低壓和高壓輸電的實驗對比是本課的亮點，而以往實驗突出了兩次用戶端燈泡的亮暗對比.本課設計則是讓線路燈泡的亮暗將“損失的電能”展示出來，既有用戶端燈泡亮暗對比，又有線路燈泡亮暗對比，還有線路與用戶端燈泡亮暗的對比，讓學生獲得了更全面的直觀感受.

建議：教師若能將兩次示教板實驗效果用相機記錄，并讓兩張照片同時展出，那效果更佳.

5 結語

本節要求學生學完交變電流基礎知識、了解變壓器的原理，并運用所學過的電磁學方面的知識解決實際問題，旨在提高學生綜合分析能力和聯系實際解決問題的能力.教師都知道，往往引導學生發現問題比解決問題更困難.所以教師必須通過一些有效的方法，讓學生獲得豐富的體驗，才能激發其解決問題的欲望，找準解決問題的突破口.如本教學設計中，倘若沒有線路小燈泡的幫忙，學生看到的是，兩次都是低壓輸入，一次直接供電給用戶端，一次通過升壓和降壓送給用戶端，用戶獲得了不同輸出功率.沒能“親眼”證實線路上的損失，反而給高壓輸電蒙上了一層神秘色彩，不利于學生的理解.現在引入了代替輸電線電阻的小燈泡，這小燈泡身兼兩職，既代表了遠距離輸電線的電阻，又能將電阻對功率的影響半定量地呈現，改動雖小，但獲得的教學效果是不言而喻的.

1 普通高中課程標準實驗教科書物理選修3-2教師教學用書.北京：人民教育出版社，2007：87－89.

2 劉大華.探究學習與課堂教學的整合——“電能的輸送”一課的教學設計［J］.物理教師，2007（7）：20－21.