基于学情 注重探究 科学建模 培育素养

摘   要： 通过对教材和学情的分析，基于物理核心素养导向，从学情视角出发，探讨在探究学习过程中，如何开展高压输电模型建构，培育学生核心素养。

关键词：认知基础；科学建模；电能的输送

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2023）11-0025-4

“电能的输送”是人教版新教材选择性必修二第三章《交变电流》的最后一节，是电磁感应和交变电流知识在生产生活中的实际应用。由于学生已经习惯了直流电路的分析，当他们第一次综合运用电磁学知识分析交流电路的问题时，感到难以适应，对远距离输电模型的建构理解困难，对其中各物理量之间的关系认识不清，导致在学习本节课时产生了许多疑惑。

本文通过对教材和学情进行分析，基于物理核心素养导向，从学情视角出发，探讨如何开展探究学习，如何开展高压输电模型建构，如何培养学生知识的应用与实践能力。

１    教材分析

教材通过生活中实际问题引出对远距离输电的思考，提出了电能输送要遵循“可靠、保质、经济”三个基本要求，重点讨论了远距离输电过程中能量损耗的问题，并提出了降低电能损耗的两个途径。据此，运用“思考与讨论”的形式，分析得出降低电能损耗最有效的途径——减小输电电流，进而提出高压输电、电网供电的技术。教材的这种安排，表明其重视知识呈现的逻辑性及学生运用物理知识分析、解决实际问题能力的培养，体现了学以致用的教学思想。

虽然新教材中没有远距离输电的设计思路和相关内容呈现，但在新教材教师用书中的教学目标内容，却突出强调要求学生“经历建立远距离输电模型的过程，体会建立理想模型的思维方法”，这表明新教材注意到了给学生自主探究保留一定的空间，让学生在科学探究中实现远距离输电模型的建构。体现了新教材重视科学探究和科学思维方法的培养。

电能的输送是一个兼具理论性和技术性的综合应用问题，教材通篇理论推导、论证，没有设计实验探究，由于输电结构复杂，涉及物理量多，计算繁杂，学生没有实验探究体验，缺少直观形象的感知，导致学生对输电过程的理解不透彻，对各个物理量之间关系认识模糊，反映了教材在培养学生实验探究能力方面的缺失。

２    学情分析

２．１    学生的认知基础

学生在学习本节课之前，已经掌握了欧姆定律、电阻定律、电磁感应定律、变压器等相关知识，对电路中的电压、电流及功率的关系有了基本认识，能够理解这些规律的适用条件，并运用它们进行简单的计算，能够理解变压器中电压、电流与匝数、功率间的物理规律的确切含义，知道在变压器中升高电压可以减小电流，降低电压可以增大电流，能运用相关的规律分析计算一些简单的电路问题。

２．２    学生的认知障碍

２．２．１    认知能力形成的障碍

虽然学生在前面学习了电路、电磁感应和变压器的相关知识，具备了对电路进行简单分析的能力，但他们对这些知识的认知呈现出来的是碎片化与分散化的，仅仅在头脑中对这些知识进行简单的堆砌，未能形成系统化的知识网络，综合运用这些知识分析实际问题的能力还比较弱，无法自主建立高压输电的具体模型，面对高压输电模型中的多个回路，他们难以理清其中的电压、电流和功率关系。

２．２．２    技术细节形成的认知障碍

电能输送是一个理论性和技术性很强的复杂系统工程，在高中阶段仅仅是初步了解。虽然教材仅从“可靠”“保质”“经济”三个基本要求呈现，但在学习过程中，仍会涉及到一些技术细节，让学生产生疑问。例如，如何既经济又保质地输送电能？对教材和题目中常常出现的假设性条件“输送功率一定”不理解，有的学生错误地认为输送功率真的可以是由发电厂决定；有的学生知道前面的理解不对，但又不知道输送功率到底由谁决定，影响了学习。

２．２．３    思维定式形成的认知障碍

在学习本节课前，学生已经学过了相关电路知识，他们对电能的输送仅限于直流纯电阻电路，在不了解远距离输电模型的情况下，习惯于从直流纯电阻电路角度来分析问题，在构建远距离输电模型过程中，难以想到用增大输电电压的方法来减小输送电流，并且会产生疑惑：“为什么电压升高后，电流就不增加呢？为什么不从Ｉ＝Ｕ／Ｒ来分析电流变化呢？”“电压升高了，输电电流随之减小，用户端的电流也减小了吗？用户端的功率是不是也减小了呢？”

３    教学建议

基于以上分析，从学情视角出发，基于物理核心素养导向，笔者对本节课提出了以下三个方面的建议。

３．１    实验探究与理论推导并重，提升科学探究素养

从科学探究角度来说，理论探究和实验探究协同演进才是科学的探究路径。笔者认为，在本节课教学中，采用实验探究和理论推导相结合的方法，探究电能输送过程中存在的问题和远距离输电模型的建构，可以弥补单纯理论推导方法的局限性，让学生在获得直观形象感知的基础上，理解降低能量损耗的方法和远距离输电模型中各物理量之间的关系，同时经历并体验严谨的科学探究过程，感悟其中的过程与方法，从而提升科学探究素养。

例如，在输电过程存在问题教学中，可先引导学生开展以下两组实验探究：

（1）用学生电源对讲台上的燈泡Ａ和后排远距离的相同规格灯泡Ｂ的供电情况（图１）；

（２）如图２所示，用与用户端相同规格的两个灯泡替代导线电阻，增加用户端的灯泡数量，探究线路损失情况。

学生通过这两组模拟实验得出：由于输电线有电阻，导致有功率损失和电压损失，用户越多，损耗的电能越多和损失电压就越大。

这种将实验探究和理论推导相结合的教学方法，有利于学生体验科学探究过程，学生能够深刻地体会到远距离输电过程中输电线电阻不能忽略的事实，发现电能输送过程中存在的问题，进而激发出继续探究的欲望，既培养了学生的实验设计能力、动手能力以及自主发现问题和理论分析能力，也为后面“探究减小输电功率的损失”的学习做好铺垫。

在理论探究构建出远距离输电模型后，引导学生用图４所示的实验，论证在高压输电的模式下，用户端的功率情况（灯泡亮度情况）。实验现象论证了理论探究的正确性，体现了科学探究的严谨性，通过和前面实验的对比，展示了远距离高压输电的优越性，学生不仅能体验到取得科学探究成果的喜悦，感悟实验论证的重要意义，也强化了远距离高压输电的原理和过程的理解，也有利于学生在学习过程中形成科学的态度和科学精神，掌握科学方法。

３．２    立足学生“最近发展区”，科学构建高压输电模型

最近发展区理论告诉我们，教学不能无视学生已有的知识和经验，简单强硬地实施知识的“灌输”，而是应当以学生原有的知识和经验作为新知识的生长点，引导学生知识和能力向更高层次发展。高压输电模型的建构对学生思维能力要求较高。在本节课教学中，不少教师为了提高课堂“效率”，无视学生的知识和能力水平，采用直接呈现高压输电模型的教学方法，由于没有模型建构的过程体验，导致学生对高压输电模型的理解不够深入，知识的掌握仅仅停留在“机械式”的套用层面，探究意识和探究思维能力等素养没有得到很好的发展。笔者认为，本节课教学中要重视学情分析，了解学生的“现有水平”，分析学生的“潛在能力”，研究学生在学习过程中的问题和疑惑，采用问题教学模式，并将问题设计在学生的最近发展区内，让学生通过解决一个个循序渐进的问题，最终构建出远距离输电模型。

例如，在教学中笔者设置以下问题情境：

（1）采用减小输电线路电流的方法，能满足用户需求吗？（输电电流小，用户得到的电流也小，好像也不行）

（2）能否做到输电线上的电流小，用户端却能获得较大的电流？

（3）输电电流小，用户端的电流大，意味着输电线与用户端要“隔离”，什么仪器具有这一功能呢？（变压器既可变压又可变流）

（4）变压器应放置在何处？它的作用是什么？匝数比应该怎样设计？

（5）升流的同时也实现了降压，会导致用户端的电压过低，用电器不能正常工作，如何解决这个问题呢？（利用变压器，将电压升高）

（6）这个变压器应放置在何处？它的作用是什么？匝数比应该怎样设计？

（7）变压器的两次运用，构建了远距离高压输电的结构，在这个结构中有几个回路？每个回路电压、电流、功率的关系如何？

这种在学生最近发展区设置问题的方法，可以有效激活学生思维，消除学习过程中产生的疑惑，既深刻理解了高压输电模型，也提高了知识的迁移应用能力。

３．３    注重理论联系实际，培养学生学以致用的意识

学习的终极目标在于应用与实践，实践是检验学生是否真正学懂及灵活应用高中物理知识的重要途径，是物理教学不可或缺的重要环节，既可以激活高中物理课堂，又能引导学生主动分析、思考，深化其物理知识的认识与理解，增进理论与实践之间的联系。作为一节知识应用课，本节课的主要任务是应用电磁学相关知识探究远距离输电的电路结构，在知识上实现对电路和变压器原理的更深层次的理解和内化，在应用能力上可以有效发展科学思维和理论联系实际的能力，增强学生学以致用的意识。教学中要引导学生将物理知识迁移到实际问题的解决中，分析、思考并处理所遇到的各种现实问题，让他们在问题解决中领悟学习物理的意义所在，从而达到激发学生学习动机和学习积极性的目的。

例如，在探究降低输电能耗的方法时，先引导学生运用Ｐ＝Ｉ２ｒ和△Ｕ＝Ｉｒ，分析如何减少输电线的功率损失和电压损失，再引导学生结合生活和生产实际分析“采用减小输电线电阻能否有效降低电压和电能损失”，最后引导学生根据Ｐ＝Ｉ２ｒ展开对比分析，“相比于减小输电线电阻，采用减小输电电流Ｉ，效果会如何”。学生在此过程中，从理论走向实际，真切地体会到减小电能损耗还要考虑实际的距离、成本、施工、环境等实际问题，既学会了科学、全面、辩证地分析问题，又感受到了物理知识应用价值及物理与ＳＴＳＥ的关系。

在构建出高压输电模型后，引导学生开展思考讨论：“是不是输电电压越高越好？为什么？”“电能的输送是电厂输送多少，用户就接收多少，还是用户需要多少，电厂就提供多少？”“常用的输电模式有几种？各是什么？”通过对这些问题的分析与讨论，引导学生从理论回归实际应用，明确电能输送要综合考虑功率、距离及电感电容等各种因素，根据不同的情况选择合适的输电电压，由此帮助学生认识到事物的多面性，培养学生全面分析问题的能力。

参考文献：

［１］陈敏．“电能的输送”教学设计［Ｊ］．物理通报，２０１３（１０）：62-65，68．

［２］田诚，涂运芳． 《电能的输送》之“模拟远距离输电”实验教学设计［Ｊ］．物理教学探讨，２０１７，35（８）：25-27.

（栏目编辑    刘   荣）

收稿日期：２０２３－０６－１２

作者简介：王治国（１９６７－），男，中学高级教师，主要从事中学物理教学工作。