基于學情　注重探究　科學建模　培育素養

摘? ?要： 通過對教材和學情的分析，基于物理核心素養導向，從學情視角出發，探討在探究學習過程中，如何開展高壓輸電模型建構，培育學生核心素養。

關鍵詞：認知基礎；科學建模；電能的輸送

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2023）11-0025-4

“電能的輸送”是人教版新教材選擇性必修二第三章《交變電流》的最后一節，是電磁感應和交變電流知識在生產生活中的實際應用。由于學生已經習慣了直流電路的分析，當他們第一次綜合運用電磁學知識分析交流電路的問題時，感到難以適應，對遠距離輸電模型的建構理解困難，對其中各物理量之間的關系認識不清，導致在學習本節課時產生了許多疑惑。

本文通過對教材和學情進行分析，基于物理核心素養導向，從學情視角出發，探討如何開展探究學習，如何開展高壓輸電模型建構，如何培養學生知識的應用與實踐能力。

１? ? 教材分析

教材通過生活中實際問題引出對遠距離輸電的思考，提出了電能輸送要遵循“可靠、保質、經濟”三個基本要求，重點討論了遠距離輸電過程中能量損耗的問題，并提出了降低電能損耗的兩個途徑。據此，運用“思考與討論”的形式，分析得出降低電能損耗最有效的途徑——減小輸電電流，進而提出高壓輸電、電網供電的技術。教材的這種安排，表明其重視知識呈現的邏輯性及學生運用物理知識分析、解決實際問題能力的培養，體現了學以致用的教學思想。

雖然新教材中沒有遠距離輸電的設計思路和相關內容呈現，但在新教材教師用書中的教學目標內容，卻突出強調要求學生“經歷建立遠距離輸電模型的過程，體會建立理想模型的思維方法”，這表明新教材注意到了給學生自主探究保留一定的空間，讓學生在科學探究中實現遠距離輸電模型的建構。體現了新教材重視科學探究和科學思維方法的培養。

電能的輸送是一個兼具理論性和技術性的綜合應用問題，教材通篇理論推導、論證，沒有設計實驗探究，由于輸電結構復雜，涉及物理量多，計算繁雜，學生沒有實驗探究體驗，缺少直觀形象的感知，導致學生對輸電過程的理解不透徹，對各個物理量之間關系認識模糊，反映了教材在培養學生實驗探究能力方面的缺失。

２? ? 學情分析

２．１? ? 學生的認知基礎

學生在學習本節課之前，已經掌握了歐姆定律、電阻定律、電磁感應定律、變壓器等相關知識，對電路中的電壓、電流及功率的關系有了基本認識，能夠理解這些規律的適用條件，并運用它們進行簡單的計算，能夠理解變壓器中電壓、電流與匝數、功率間的物理規律的確切含義，知道在變壓器中升高電壓可以減小電流，降低電壓可以增大電流，能運用相關的規律分析計算一些簡單的電路問題。

２．２? ? 學生的認知障礙

２．２．１? ? 認知能力形成的障礙

雖然學生在前面學習了電路、電磁感應和變壓器的相關知識，具備了對電路進行簡單分析的能力，但他們對這些知識的認知呈現出來的是碎片化與分散化的，僅僅在頭腦中對這些知識進行簡單的堆砌，未能形成系統化的知識網絡，綜合運用這些知識分析實際問題的能力還比較弱，無法自主建立高壓輸電的具體模型，面對高壓輸電模型中的多個回路，他們難以理清其中的電壓、電流和功率關系。

２．２．２? ? 技術細節形成的認知障礙

電能輸送是一個理論性和技術性很強的復雜系統工程，在高中階段僅僅是初步了解。雖然教材僅從“可靠”“保質”“經濟”三個基本要求呈現，但在學習過程中，仍會涉及到一些技術細節，讓學生產生疑問。例如，如何既經濟又保質地輸送電能？對教材和題目中常常出現的假設性條件“輸送功率一定”不理解，有的學生錯誤地認為輸送功率真的可以是由發電廠決定；有的學生知道前面的理解不對，但又不知道輸送功率到底由誰決定，影響了學習。

２．２．３? ? 思維定式形成的認知障礙

在學習本節課前，學生已經學過了相關電路知識，他們對電能的輸送僅限于直流純電阻電路，在不了解遠距離輸電模型的情況下，習慣于從直流純電阻電路角度來分析問題，在構建遠距離輸電模型過程中，難以想到用增大輸電電壓的方法來減小輸送電流，并且會產生疑惑：“為什么電壓升高后，電流就不增加呢？為什么不從Ｉ＝Ｕ／Ｒ來分析電流變化呢？”“電壓升高了，輸電電流隨之減小，用戶端的電流也減小了嗎？用戶端的功率是不是也減小了呢？”

３? ? 教學建議

基于以上分析，從學情視角出發，基于物理核心素養導向，筆者對本節課提出了以下三個方面的建議。

３．１? ? 實驗探究與理論推導并重，提升科學探究素養

從科學探究角度來說，理論探究和實驗探究協同演進才是科學的探究路徑。筆者認為，在本節課教學中，采用實驗探究和理論推導相結合的方法，探究電能輸送過程中存在的問題和遠距離輸電模型的建構，可以彌補單純理論推導方法的局限性，讓學生在獲得直觀形象感知的基礎上，理解降低能量損耗的方法和遠距離輸電模型中各物理量之間的關系，同時經歷并體驗嚴謹的科學探究過程，感悟其中的過程與方法，從而提升科學探究素養。

例如，在輸電過程存在問題教學中，可先引導學生開展以下兩組實驗探究：

（1）用學生電源對講臺上的燈泡Ａ和后排遠距離的相同規格燈泡Ｂ的供電情況（圖１）；

（２）如圖２所示，用與用戶端相同規格的兩個燈泡替代導線電阻，增加用戶端的燈泡數量，探究線路損失情況。

學生通過這兩組模擬實驗得出：由于輸電線有電阻，導致有功率損失和電壓損失，用戶越多，損耗的電能越多和損失電壓就越大。

這種將實驗探究和理論推導相結合的教學方法，有利于學生體驗科學探究過程，學生能夠深刻地體會到遠距離輸電過程中輸電線電阻不能忽略的事實，發現電能輸送過程中存在的問題，進而激發出繼續探究的欲望，既培養了學生的實驗設計能力、動手能力以及自主發現問題和理論分析能力，也為后面“探究減小輸電功率的損失”的學習做好鋪墊。

在理論探究構建出遠距離輸電模型后，引導學生用圖４所示的實驗，論證在高壓輸電的模式下，用戶端的功率情況（燈泡亮度情況）。實驗現象論證了理論探究的正確性，體現了科學探究的嚴謹性，通過和前面實驗的對比，展示了遠距離高壓輸電的優越性，學生不僅能體驗到取得科學探究成果的喜悅，感悟實驗論證的重要意義，也強化了遠距離高壓輸電的原理和過程的理解，也有利于學生在學習過程中形成科學的態度和科學精神，掌握科學方法。

３．２? ? 立足學生“最近發展區”，科學構建高壓輸電模型

最近發展區理論告訴我們，教學不能無視學生已有的知識和經驗，簡單強硬地實施知識的“灌輸”，而是應當以學生原有的知識和經驗作為新知識的生長點，引導學生知識和能力向更高層次發展。高壓輸電模型的建構對學生思維能力要求較高。在本節課教學中，不少教師為了提高課堂“效率”，無視學生的知識和能力水平，采用直接呈現高壓輸電模型的教學方法，由于沒有模型建構的過程體驗，導致學生對高壓輸電模型的理解不夠深入，知識的掌握僅僅停留在“機械式”的套用層面，探究意識和探究思維能力等素養沒有得到很好的發展。筆者認為，本節課教學中要重視學情分析，了解學生的“現有水平”，分析學生的“潛在能力”，研究學生在學習過程中的問題和疑惑，采用問題教學模式，并將問題設計在學生的最近發展區內，讓學生通過解決一個個循序漸進的問題，最終構建出遠距離輸電模型。

例如，在教學中筆者設置以下問題情境：

（1）采用減小輸電線路電流的方法，能滿足用戶需求嗎？（輸電電流小，用戶得到的電流也小，好像也不行）

（2）能否做到輸電線上的電流小，用戶端卻能獲得較大的電流？

（3）輸電電流小，用戶端的電流大，意味著輸電線與用戶端要“隔離”，什么儀器具有這一功能呢？（變壓器既可變壓又可變流）

（4）變壓器應放置在何處？它的作用是什么？匝數比應該怎樣設計？

（5）升流的同時也實現了降壓，會導致用戶端的電壓過低，用電器不能正常工作，如何解決這個問題呢？（利用變壓器，將電壓升高）

（6）這個變壓器應放置在何處？它的作用是什么？匝數比應該怎樣設計？

（7）變壓器的兩次運用，構建了遠距離高壓輸電的結構，在這個結構中有幾個回路？每個回路電壓、電流、功率的關系如何？

這種在學生最近發展區設置問題的方法，可以有效激活學生思維，消除學習過程中產生的疑惑，既深刻理解了高壓輸電模型，也提高了知識的遷移應用能力。

３．３? ? 注重理論聯系實際，培養學生學以致用的意識

學習的終極目標在于應用與實踐，實踐是檢驗學生是否真正學懂及靈活應用高中物理知識的重要途徑，是物理教學不可或缺的重要環節，既可以激活高中物理課堂，又能引導學生主動分析、思考，深化其物理知識的認識與理解，增進理論與實踐之間的聯系。作為一節知識應用課，本節課的主要任務是應用電磁學相關知識探究遠距離輸電的電路結構，在知識上實現對電路和變壓器原理的更深層次的理解和內化，在應用能力上可以有效發展科學思維和理論聯系實際的能力，增強學生學以致用的意識。教學中要引導學生將物理知識遷移到實際問題的解決中，分析、思考并處理所遇到的各種現實問題，讓他們在問題解決中領悟學習物理的意義所在，從而達到激發學生學習動機和學習積極性的目的。

例如，在探究降低輸電能耗的方法時，先引導學生運用Ｐ＝Ｉ２ｒ和△Ｕ＝Ｉｒ，分析如何減少輸電線的功率損失和電壓損失，再引導學生結合生活和生產實際分析“采用減小輸電線電阻能否有效降低電壓和電能損失”，最后引導學生根據Ｐ＝Ｉ２ｒ展開對比分析，“相比于減小輸電線電阻，采用減小輸電電流Ｉ，效果會如何”。學生在此過程中，從理論走向實際，真切地體會到減小電能損耗還要考慮實際的距離、成本、施工、環境等實際問題，既學會了科學、全面、辯證地分析問題，又感受到了物理知識應用價值及物理與ＳＴＳＥ的關系。

在構建出高壓輸電模型后，引導學生開展思考討論：“是不是輸電電壓越高越好？為什么？”“電能的輸送是電廠輸送多少，用戶就接收多少，還是用戶需要多少，電廠就提供多少？”“常用的輸電模式有幾種？各是什么？”通過對這些問題的分析與討論，引導學生從理論回歸實際應用，明確電能輸送要綜合考慮功率、距離及電感電容等各種因素，根據不同的情況選擇合適的輸電電壓，由此幫助學生認識到事物的多面性，培養學生全面分析問題的能力。

參考文獻：

［１］陳敏．“電能的輸送”教學設計［Ｊ］．物理通報，２０１３（１０）：62-65，68．

［２］田誠，涂運芳． 《電能的輸送》之“模擬遠距離輸電”實驗教學設計［Ｊ］．物理教學探討，２０１７，35（８）：25-27.

（欄目編輯? ? 劉? ?榮）

收稿日期：２０２３－０６－１２

作者簡介：王治國（１９６７－），男，中學高級教師，主要從事中學物理教學工作。