基于物理核心素養導向的課堂教學設計
——以“電能的輸送”教學為例

鐘 勇

(紹興市高級中學 浙江 紹興 312000)

1 學習目標

“電能的輸送”一節的學習目標如表1所示.

表1 “電能的輸送”學習目標

2 教材分析

本節教材要求學生會運用所學過的電磁學方面的知識解決一個實際問題——電能的輸送．通過本節學習，要注意培養和提高學生運用物理知識分析、解決實際問題的能力．教材寫得比較詳細、通俗，可讓學生課前自學課本，然后提出一些問題引導學生思考、討論．但課本中沒有出現遠距離輸電的設計思路，只是灌輸式地介紹了減小電能輸送過程中應該注意的問題，所以學生不能自覺地去設計電路，不利于學生思維能力的提高和物理核心素養的培養．本節課教學過程可以按照創設情境-猜想-實驗的順序進行知識建構，重點是讓學生自主設計出遠距離輸電的示意圖，并真正搞清遠距離輸電的原理．因此，教師在教材提供的實驗基礎上補充、完善和改進實驗裝置，提升實驗效果，引導學生通過理論探究和實驗探究，逐步培養和提升學生的物理核心素養：物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任．

3 教學思路

教學思路如圖1所示.

圖1 教學思路

4 教學過程

任務1：知道“便于遠距離輸送”是電能的優點之一．知道輸電的過程．

情景1：請學生欣賞一組發電站的圖片和觀看一段有關“西電東輸”的新聞視頻后思考下列問題．

問題1：發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？

教學建議：

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

(2)在播放新聞視頻前，教師要積極引導，使學生充分體會到“便于遠距離輸送”是電能的優點之一，鼓勵學生學以致用，多關注生產和生活實際．旨在滲透“從生活走進物理，從物理走向社會”的新課程理念．

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

任務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：用兩個相同的小燈泡(6 V,0.5 A)接在同一交流電源上，一個小燈泡用導線與電源相連，另一個小燈泡接兩根100 m的長導線與電源相連，請學生上來檢查實驗器材和電路連接，并打開電源開關，其他學生仔細觀察思考．

問題4：兩個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：導線的電阻真的是零嗎？

問題6：遠距離輸電時，輸電線上的電阻能忽略嗎？

教學建議：請1～2位學生上來檢查圖2的實驗器材和電路連接，讓學生體驗到實驗的真實性，激發學生繼續探究的欲望．通過創設真實的實驗情境，讓學生形成導線有電阻的認知沖突，不僅培養學生自主發現問題的能力，而且讓學生深切地體會到遠距離輸電時，輸電線上的電阻不能忽略的事實．

圖2 小燈泡亮度對比實驗

情景3：用6 V交流電源(學生電源)作為電廠，用兩根電阻絲來代替長導線，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．請學生們根據實驗提供的器材連接電路，完成遠距離輸電．同時，請學生觀察并思考實驗中可能出現的各種現象的原因．待部分學生連接出正確的電路(圖3)后，提出下列問題.

圖3 遠距離輸電模擬實驗

問題7：你能根據圖3畫出一個等效電路圖嗎？

問題8：如何計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？

教學建議：

(1)做模擬遠距離輸電實驗時，條件好的學校最好能讓學生做分組實驗．盡管有情景2演示實驗作為鋪墊，但學生在實際連接電路時仍有可能會出現兩種情況：

1)燈泡和電源通過電阻絲連接(大部分正確連接)；

2)燈泡和電源通過導線直接連接(小部分學生連接)．

若兩種情況同時出現，教師可以引導學生通過對比發現：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，遠處的燈泡較暗．經過一起探討后，學生會基本認同，遠距離輸電應該如圖3所示的連接，接著可以讓學生獨立思考、親自動手按圖3畫一個等效電路圖(圖4)．并請1～2兩位學生進行板演，其他學生紙上畫等效電路圖，旨在培養學生的動手能力和建模能力．

圖4 等效電路圖

(2)通過引導，學生自己回憶：功率損失P損=I2R線和電壓損失ΔU=IR線，再和學生一起進行理論探究，使學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.

并對損失原因作適當分析．旨在讓學生形成正確物理觀念的同時，培養和提高學生的科學思維能力．

任務3：理解遠距離輸電采用高壓輸電的原因,認識高壓輸電的局限性．

情景4：展示選修3-2《教師用書》P94～95的3個案例體驗，讓學生談做題體會或感受．

案例體驗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%，導線的橫截面積需提高為0.1 Ω時的幾倍？

案例體驗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：結合已做過的3個預習題，簡單談一下，哪條途徑對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)

教學建議：

(1)《教師用書》中的3個案例體驗題，在上新課的前一天，以預習題的形式印發給每位學生，讓學生提前預習新課內容，完成好預習題作業．同時告知學生，上新課時會讓大家談做題體會或感受，旨在讓學生引起足夠的重視，盡可能在課前做好充分的準備．

(2)學生通過課前自學以及對3個案例體驗題的分析和運算，能很自然地得出減小輸電電流對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．旨在讓學生進一步形成正確的物理觀念，培養和提高學生的科學思維能力和科學探究能力，從而有效提升學生的物理核心素養．

(3)通過再次讓學生回憶減少輸電線上功率損失和電壓損失的兩條途徑，并要求學生結合3個預習題，談一下哪條途徑對減少輸電線上的功率損失和電壓損失更為有效．旨在培養學生學以致用的意識和理論聯系實際的能力，同時為下一步實驗驗證做好充分的準備．

情景5：在原先提供的實驗器材的基礎上，教師再給每組學生提供一對變壓器(匝數比3∶110)，讓學生分組做遠距離高壓輸電模擬實驗． 教師巡視指導，對又快又好的實驗小組，讓他們派代表到上面來展示實驗成果，如圖5所示，讓學生體驗和分享成功的喜悅．

圖5 派學生代表展示實驗成果

問題12：如何獲得較高的輸電電壓？

問題13：輸送到用戶處時，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：能根據提供的實驗器材，設計遠距離高壓輸電的實驗來證明你的猜想嗎？

教學建議：

(1)設置問題12和13的目的是讓學生回憶和復習有關變壓器的知識，為學生自主設計遠距離高壓輸電實驗做好理論準備．

(2)設置問題14的目的是讓學生知道電壓過高的弊端和局限性，同時讓學生了解我國超高壓輸電的研究成果．旨在讓學生了解一些科普知識的同時，讓學生知道在高壓輸電方面還有很多未知領域可以去探究，從而喚醒學生的好奇心，培養學生的科學態度與責任．

(3)圖5(b)實驗與圖3實驗相比，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論一致，實驗效果非常明顯．通過引導學生做遠距離高壓輸電分組實驗，旨在鍛煉和培養學生的動手能力、實驗探究能力、合作與交流的能力，從而有效提升學生的物理核心素養．

(4)該實驗所用的變壓器升壓后副線圈兩端電壓較高，教師在讓學生做分組實驗前務必要強調好用電安全和正確操作，并做好全程安全監控工作，防止意外事情的發生．

任務4：知道輸電過程的幾個環節，會設計電能輸送的示意圖．

情景6：投影圖5(b)所示的遠距離高壓輸電模擬實驗圖片，讓學生思考實際輸電有哪幾個基本環節？并設計電能輸送的示意圖．

問題16：交流高壓輸電有哪幾個基本環節？

問題17：根據圖5(b)，畫一個電能輸送的示意圖.

問題18：該示意圖中存在哪些物理量之間的關系？

教學建議：

(1)引導學生根據圖5遠距離高壓輸電模擬實驗，說出交流高壓輸電的5個基本環節(發電站、升壓變壓器、高壓輸電線、降壓變壓器、用電單位)，盡量讓學生自己觀察思考得出結論，教師不要替代學生回答問題．

(2)引導學生說出高壓輸電的5個基本環節后，結合圖5(b)，讓學生獨立畫出電能輸送的示意圖(圖6)．請1～2兩位學生進行板演，其他學生紙上畫，旨在培養學生的建模能力和動手能力．

圖6 遠距離輸電示意圖

(3)學生設計出正確的示意圖后，教師通過積極引導，和學生一起分析討論，得出3個重要關系：功率關系、電壓關系、電流關系．旨在培養和提升學生的科學思維、科學探究、合作與交流的能力．

任務5：根據示意圖能進行簡單的計算，會求解輸電導線上的功率損失等問題．

情景7：投影練習題

練習題:一小型發電站通過升壓、降壓變壓器把電能輸送給用戶．已知發電機的輸出功率是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)輸電導線上的功率損失；

(3)降壓變壓器原、副線圈的匝數比；

(4)用戶得到的功率．

教學建議：引導學生仔細審題、畫示意圖(或草圖)、總結解題規范的重要性，旨在培養學生分析問題、解決問題的能力及良好的解題習慣．

5 設計點評

本教學設計能從學生的實際出發，以學情視角進行設計，教師通過引導，讓學生積極主動地進行理論探究和實驗探究，培養學生發現問題、探究問題、解決問題的能力．該教學設計凸顯了學生的主體地位，開拓學生的思維，鍛煉學生的動手能力，增強學生合作與交流的能力，讓學生主動參與其中而不是被動地接受教師的結論，從而達到培養和發展學生物理核心素養的目的．同時，該教學設計教學方法多樣，情境與問題的設計符合學習目標，知識的展開也能較好地符合學生思維的發展規律，教學建議具有較強的針對性和指導性．這樣的教學設計達到了預期效果，不僅能充分體現新課改理念和符合學生物理核心素養培養的要求，而且具有很強的操作性和實效性．

改進之處：

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

(2)可以為學生設計和提供一份優質的學案，供學生課前預習和課堂上使用，使課堂效率變得更加高效．