“交變電流”單元教學設計

陳偉孟 張玉峰

摘 要：“交變電流”單元的教學設計，以教學整合和學習進階為主線，以發展學生核心素養為目標，分析交變電流由產生到輸送的進階過程.設計涉及發電機和變壓器等模型的建構，融合科學探究和科學思維要素，在電磁感應的大專題內進行前后關聯和拓展，實現學生思維的發展和進階.

關鍵詞：交變電流;學習進階;單元整合;教學設計

中圖分類號：G633.7 ? ? 文獻標識碼：B ? ? 文章編號：1008-4134（2021）11-0026-06

1 單元教學設計指導思想

“交變電流”單元的學習過程設計，在單元教學內容和學情分析的基礎上，將一系列學習事件有機組織起來，不僅考慮到學生的認識由簡單到復雜的逐級進階，還考慮到學習內容本身的知識結構、教材編排，以及學生的實際學習情況等特點.基于學習進階系統規劃知識銜接及單元內的認知邏輯，在促進學生知識結構化過程中發展學生的物理觀念;基于學習進階系統規劃伴隨知識學習的思維發展，在促進學生掌握思維程序與策略的過程中形成物理問題解決的思路;依據進階理論進行教學設計，讓知識之間的內在聯系更加緊密，將單元知識進行整合優化，讓學生從整體上認識物理學科體系，以整合和進階為主線促進核心素養發展的“交變電流”單元教學設計.

2 單元教學內容分析

課程標準中對“交變電流”的教學要求：通過實驗，認識交變電流.能用公式和圖像描述正弦交變電流.通過實驗，探究并了解變壓器原、副線圈電壓與匝數的關系.知道遠距離輸電時通常采用高壓輸電的原因.交變電流單元由“交變電流”“交變電流的輸送”兩個進階主題構成，可細分為“交變電流的產生”“交變電流的描述”“電能的輸送：變壓器”“電能的輸送：高壓輸電”等四個內容.本章的核心概念是交變電流，實質上是能量觀念和運動與相互作用觀念統領下的電磁感應定律的具體綜合應用.單元教學內容分析將在知識結構、邏輯結構、隱含的核心素養等方面展開.

主要內容包括：交變電流的產生與描述、電能的輸送.

交變電流是電磁感應的延續、發展和具體應用，交變電流知識是單元知識的理論基礎，具有承上啟下的作用.在學習交變電流的產生原理基礎上，探討交變電流的定量描述問題.交變電流變化規律是本單元的重點內容，學生通過學習應該能從數學角度進一步認識交變電流的周期性，通過有效值的分析和計算體會等效代替等科學方法在科學研究中的應用.

變壓器是用來改變交變電流電壓的，互感現象是變壓器工作的基礎.變壓器是電磁感應知識與交變電流概念的綜合應用，體現了交變電流的優點，為電能輸送奠定了基礎.讓學生在學習電磁感應的基礎上理解互感現象，明白原線圈和副線圈有共同的鐵芯，原、副線圈中的感應電動勢之比只與匝數有關.

高壓輸電變壓器知識與交變電流概念的綜合應用，體現了交流輸電的優點.教學設計將理論分析與實驗驗證相結合，使學生理解高壓輸電原理，指向科學探究素養的形成，培養和提高學生運用物理知識綜合分析、解決實際問題的能力.

單元設計圍繞能量觀念和運動與相互作用觀念，以電磁感應的具體應用為形式，圍繞交流電的產生和傳輸為研究內容，單元教學內容隱含的核心素養培養點及科學方法見表1.

3 學生學習情況分析

學生已有的經驗、概念和方法：（1）生活經驗.交變電流雖然在日常電器中應用廣泛，但是受中學物理中大部分是直流電的影響，且生活中的交流電多是較高電壓的交流電，學生會缺乏對交流電的直接認識.（2）概念儲備.學生知道了磁通量、電磁感應等概念和規律，掌握了基本的電路性質.（3）物理方法.了解物理學習中等效思想的應用.

問題診斷分析：在“交變電流的產生及變化規律”的教學中，學生可能遇到的問題主要是交流電與電磁感應的關系，對磁通量、磁通量變化量、磁通量變化率的理解應用.措施：通過對線圈在磁場中實物演示，立體圖結合側視圖的分析、特殊位置結合任一位置分析使學生了解交變電流的大小和方向是如何變化的，使問題容易理解.在“描述交變電流的物理量”中，學生可能遇到的問題主要是對有效值的理解，產生這一問題的原因是對電流熱效應及有效值定義的陌生.措施：與恒定電流通過電阻產生熱量進行等效，使問題容易理解.

在“變壓器”教學中，學生可能遇到的問題是對變壓器鐵芯作用的理解，解決這一問題可以讓學生根據電磁感應規律，獨立思考，分析變壓器鐵芯的功能.變壓器在工作狀態下，其鐵芯內部有磁場，磁場是具有能量的.

在“電能的輸送”教學中，學生可能遇到的問題是輸電系統的“輸電電壓”“用戶得到的電壓”和輸電線上“損失的電壓”三者的辨析，解決這一問題可引導學生根據電磁感應規律和變壓器特點思考分析.

4 單元教學目標

課標要求：（1）通過實驗，認識交變電流.能用公式和圖像描述正弦交變電流.（2）通過實驗，探究并了解變壓器原、副線圈電壓與匝數的關系.知道遠距離輸電時通常采用高壓輸電的原因.以核心知識為抓手，以核心素養為導向的單元教學目標，除了落實課標和教學指導意見上的教學目標之外，還要落腳在“學習進階”和“單元整合”的目標上.

“交變電流”是選擇性必修2模塊中“電磁感應及其應用”主題的內容，總體目標要求是：了解描述交變電流的物理概念和物理方法.能用公式和圖像描述正弦交變電流;知道正弦式交變電流的電動勢的瞬時值表達式，理解峰值的意義;理解交變電流的周期、頻率含義，掌握它們相互間關系，知道我國生產和生活用電的周期（頻率）的大小;理解交變電流的最大值和有效值的意義，知道它們之間的關系，會應用正弦式交變電流有效值公式進行有關計算.了解變壓器的構造及其工作原理，建構理想變壓器的模型.通過實驗探究，掌握理想變壓器的原、副線圈中電壓、電流與匝數的關系，并能應用它分析解決基本問題.知道降低輸電損耗的兩個途徑，知道遠距離輸電時通常采用高壓輸電的原因，建構高壓輸電的模型，了解電網供電的優點和意義.

5 單元學習過程設計

學習過程設計是單元教學的整體規劃，主要討論本單元學習有幾個部分，每一個部分包括哪些學習內容，學生核心素養的培養和發展，相應的學習方式等內容.這一部分是以前面的教學內容、學生學情、教學目標為依據，從整體上把握本單元的教學方式、教學策略、活動設計和重難點突破等，也是后續具體教學活動的指導.

“交變電流”的單元教學設計主要分成兩大部分（4個層級）：一是交變電流的產生與描述，預計3-4課時;二是電能的輸送，預計4課時.表2是這幾部分教學設計的要點、重點和各部分之間的關聯.

6 主要教學活動設計

6.1 以核心問題引領交變電流概念教學

核心問題：交流電是什么？交流電是如何產生的？交流電是如何表征的？交流電是如何輸送的？圍繞目標設計一系列具有邏輯關系的序列化問題，不僅能將教學形成一個整體，而且對于發展學生的思維品質有重要的作用.

問題一：如何理解交變電流？

設計意圖：讓學生了解交流電和直流電的區別.

（1）把圖1所示的電路接在干電池的兩端時，可以觀察到什么現象？

（2）把圖1中電路接在手搖式發電機兩端時，會觀察到怎樣的現象？并解釋現象.

（3）觀察直流和交流的I-t圖像，有何不同？

（4）什么是直流電和交流電？

問題二：交變電流是如何產生的？

設計意圖：讓學生明確交流電的產生過程.

若線圈繞OO′軸沿逆時針方向勻速轉動，如圖2甲至丁所示.

（1）線圈轉動1周的過程中，線圈中電流方向的變化情況如何？

（2）線圈轉動過程中（如圖3），產生的感應電流有最大值和最小值時線圈分別在什么位置？

（3）交變電流的產生條件？

（4）什么是中性面？

問題三：交變電流的變化規律是如何的？

設計意圖：引導學生理解e=Emsinωt的推導過程.

（1）正弦式交變電流是如何產生的？

（2）在場強為B的勻強磁場中，矩形線圈繞中軸勻速轉動，感應電動勢和電流的瞬時值表達式是什么？

（3）感應電動勢和電流的峰值表達式是什么？

6.2 以核心任務引領變壓器和電能輸送的實驗探究

在“變壓器”和“電能的輸送”的教學中，核心任務是理解交流電是如何實現變壓和電能的輸送的.

任務一：如何理解變壓器的原理？

設計意圖：讓學生明確變壓器的構造.

（1）生活中需要各種電壓.

我們使用的各種用電器中，所需的電源電壓各不相同，而日常照明電路的電壓是220V，如何解決這一問題呢？

（2）如圖4回答問題：①兩個線圈并沒有連接，小燈泡為什么會發光？②小燈泡兩端的電壓與學生電源的輸出電壓相等嗎？

（3）什么是變壓器？變壓器有哪些結構？

（4）變壓器的工作原理是什么？

（5）在變壓器中，鐵芯起什么作用？

任務二：如何確定理想變壓器原、副線圈中電壓、電流與匝數的關系？

設計意圖：通過問題串，讓學生明確理想變壓器原、副線圈中電壓、電流與匝數的關系.

（1）什么是理想變壓器？

（2）怎樣探究變壓器兩端的電壓與匝數關系的實驗？

（3）理想變壓器原、副線圈中電流、功率、頻率的關系？

（4）理想變壓器基本關系的應用：①電壓制約;②功率制約;③電流制約.

（5）如何進行理想變壓器的動態分析.

（6）了解常見變壓器的原理.

①自耦變壓器（如圖5）

②互感器（如圖6）

6.3 以核心問題引領電能的輸送教學

問題一：如何理解降低輸電損耗的兩個途徑？

（1）為什么要遠距離輸電？

（2）輸送電能的基本要求是什么？

（3）為什么輸電線上有電能損失？

（4）降低輸電損耗的兩個途徑是什么？

（5）輸電電壓是不是越高越好？

問題二：如何理解遠距離輸電的基本關系？

（1）發電站發出的電壓不符合遠距離輸電的要求，怎么辦？到達目的地的電壓不符合用戶的要求，怎么辦？

（2）圖7所示的遠距離輸電，分析三個回路中各物理量之間的關系（發電機內阻、n1、n2、n3、n4線圈的電阻均忽略不計）.若變壓器均為理想變壓器，則每個變壓器中的電流、電壓、功率之間有什么關系？

（3）如何計算輸電線路上的功率損失？

7 單元學習效果反饋性評價

針對物理學科核心素養的四個方面，高中物理學業質量標準劃分了5個水平層級.教師在進行評價時，要針對學生的情況和發展需求，選擇適合的水平層級的問題命制或進行學習效果反饋性評價的設計.結合隨堂提問，本單元內容的學習可以學業水平2、3的要求為主，可以選擇或編制水平4、5的問題作為進階內容.反饋性問題應圍繞單元目標突出核心知識和關鍵能力，注重問題設計的系統性和問題解決的進階性.

例題 矩形線圈n匝，ab=l1，bc= l2，在磁感應強度為B的勻強磁場中以OO′為轉軸勻速轉動，角速度為ω.線圈的電阻為r，外接電阻為R.從圖8所示位置計時.

（1）推導電動勢的最大值.

（2）寫出電動勢、電流、路端電壓的瞬時值表達式.

（3）求電動勢、電流、路端電壓的有效值.

（4）如果線圈轉速提高1倍，寫出感應電動勢隨時間變化的表達式.

（5）當線圈從圖示位置轉過90°的過程中，求：

①電流的平均值;

②電流的有效值;

③通過電阻R的電量q;

④電阻R產生的焦耳熱Q.

（6）若從S//B位置開始計時，上述問題答案又如何？哪些有改變？

反饋性問題通過進階的方式考查學生對交變電流認識的建構過程，問題的前幾問都是在課堂教學的基礎上，對交流電最大值、瞬時值、有效值等的應用，是本章的基礎和重點內容.不管是對于新授課階段的高二學生，還是對于復習課階段的高三學生，對交變電流平均值、有效值的理解和應用都是本單元的難點.問題的進階設計有利于學生通過遞進和比較，能夠辨析交變電流的電流、電壓、磁通量等隨時間變化的異同，深入理解有效值和平均值的物理本質和適用條件.

8 單元教學設計反思

“交變電流”教學設計立足于發展學生核心素養，符合學生的學情和教師實際授課情況，將大概念和大思路融入各個環節，注重單元課時之間的進階與聯系，注重現實世界中真實、復雜問題的引入，有助于學生形成結構化的知識體系，有助于學生核心素養和關鍵能力發展藍圖的系統規劃.本單元是以交變電流的產生、描述、輸送的順序，即按照知識的內在邏輯并結合學生的學習進階而劃分單元的，部分之間具有系統性和邏輯關系，有助于引導學生自主學習，在學習中更加有預期、有目標、有整體感、有針對性.單元教學設計體現了以學生為中心的理念，有助于調動學生學習的主動性，有助于形成學生對交變電流認識的系統性，從而形成物理角度的大概念和大思路.教學設計更多的是從宏觀、整體、主干等方面對教學內容、學生學情、教學目標、具體策略和實施路徑等方面給出建議，在具體實施中，還需要根據學生的實際情況和教師的授課計劃進行取舍和拓展.

參考文獻：

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（收稿日期：2021-04-10）