“交變電流”單元教學(xué)設(shè)計(jì)

陳偉孟 張玉峰

摘 要：“交變電流”單元的教學(xué)設(shè)計(jì)，以教學(xué)整合和學(xué)習(xí)進(jìn)階為主線，以發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)為目標(biāo)，分析交變電流由產(chǎn)生到輸送的進(jìn)階過程.設(shè)計(jì)涉及發(fā)電機(jī)和變壓器等模型的建構(gòu)，融合科學(xué)探究和科學(xué)思維要素，在電磁感應(yīng)的大專題內(nèi)進(jìn)行前后關(guān)聯(lián)和拓展，實(shí)現(xiàn)學(xué)生思維的發(fā)展和進(jìn)階.

關(guān)鍵詞：交變電流;學(xué)習(xí)進(jìn)階;單元整合;教學(xué)設(shè)計(jì)

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

1 單元教學(xué)設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想

“交變電流”單元的學(xué)習(xí)過程設(shè)計(jì)，在單元教學(xué)內(nèi)容和學(xué)情分析的基礎(chǔ)上，將一系列學(xué)習(xí)事件有機(jī)組織起來，不僅考慮到學(xué)生的認(rèn)識由簡單到復(fù)雜的逐級進(jìn)階，還考慮到學(xué)習(xí)內(nèi)容本身的知識結(jié)構(gòu)、教材編排，以及學(xué)生的實(shí)際學(xué)習(xí)情況等特點(diǎn).基于學(xué)習(xí)進(jìn)階系統(tǒng)規(guī)劃知識銜接及單元內(nèi)的認(rèn)知邏輯，在促進(jìn)學(xué)生知識結(jié)構(gòu)化過程中發(fā)展學(xué)生的物理觀念;基于學(xué)習(xí)進(jìn)階系統(tǒng)規(guī)劃伴隨知識學(xué)習(xí)的思維發(fā)展，在促進(jìn)學(xué)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(jù)進(jìn)階理論進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，讓知識之間的內(nèi)在聯(lián)系更加緊密，將單元知識進(jìn)行整合優(yōu)化，讓學(xué)生從整體上認(rèn)識物理學(xué)科體系，以整合和進(jìn)階為主線促進(jìn)核心素養(yǎng)發(fā)展的“交變電流”單元教學(xué)設(shè)計(jì).

2 單元教學(xué)內(nèi)容分析

課程標(biāo)準(zhǔn)中對“交變電流”的教學(xué)要求：通過實(shí)驗(yàn)，認(rèn)識交變電流.能用公式和圖像描述正弦交變電流.通過實(shí)驗(yàn)，探究并了解變壓器原、副線圈電壓與匝數(shù)的關(guān)系.知道遠(yuǎn)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(jìn)階主題構(gòu)成，可細(xì)分為“交變電流的產(chǎn)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(nèi)容.本章的核心概念是交變電流，實(shí)質(zhì)上是能量觀念和運(yùn)動與相互作用觀念統(tǒng)領(lǐng)下的電磁感應(yīng)定律的具體綜合應(yīng)用.單元教學(xué)內(nèi)容分析將在知識結(jié)構(gòu)、邏輯結(jié)構(gòu)、隱含的核心素養(yǎng)等方面展開.

主要內(nèi)容包括：交變電流的產(chǎn)生與描述、電能的輸送.

交變電流是電磁感應(yīng)的延續(xù)、發(fā)展和具體應(yīng)用，交變電流知識是單元知識的理論基礎(chǔ)，具有承上啟下的作用.在學(xué)習(xí)交變電流的產(chǎn)生原理基礎(chǔ)上，探討交變電流的定量描述問題.交變電流變化規(guī)律是本單元的重點(diǎn)內(nèi)容，學(xué)生通過學(xué)習(xí)應(yīng)該能從數(shù)學(xué)角度進(jìn)一步認(rèn)識交變電流的周期性，通過有效值的分析和計(jì)算體會等效代替等科學(xué)方法在科學(xué)研究中的應(yīng)用.

變壓器是用來改變交變電流電壓的，互感現(xiàn)象是變壓器工作的基礎(chǔ).變壓器是電磁感應(yīng)知識與交變電流概念的綜合應(yīng)用，體現(xiàn)了交變電流的優(yōu)點(diǎn)，為電能輸送奠定了基礎(chǔ).讓學(xué)生在學(xué)習(xí)電磁感應(yīng)的基礎(chǔ)上理解互感現(xiàn)象，明白原線圈和副線圈有共同的鐵芯，原、副線圈中的感應(yīng)電動勢之比只與匝數(shù)有關(guān).

高壓輸電變壓器知識與交變電流概念的綜合應(yīng)用，體現(xiàn)了交流輸電的優(yōu)點(diǎn).教學(xué)設(shè)計(jì)將理論分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合，使學(xué)生理解高壓輸電原理，指向科學(xué)探究素養(yǎng)的形成，培養(yǎng)和提高學(xué)生運(yùn)用物理知識綜合分析、解決實(shí)際問題的能力.

單元設(shè)計(jì)圍繞能量觀念和運(yùn)動與相互作用觀念，以電磁感應(yīng)的具體應(yīng)用為形式，圍繞交流電的產(chǎn)生和傳輸為研究內(nèi)容，單元教學(xué)內(nèi)容隱含的核心素養(yǎng)培養(yǎng)點(diǎn)及科學(xué)方法見表1.

3 學(xué)生學(xué)習(xí)情況分析

學(xué)生已有的經(jīng)驗(yàn)、概念和方法：（1）生活經(jīng)驗(yàn).交變電流雖然在日常電器中應(yīng)用廣泛，但是受中學(xué)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(xué)生會缺乏對交流電的直接認(rèn)識.（2）概念儲備.學(xué)生知道了磁通量、電磁感應(yīng)等概念和規(guī)律，掌握了基本的電路性質(zhì).（3）物理方法.了解物理學(xué)習(xí)中等效思想的應(yīng)用.

問題診斷分析：在“交變電流的產(chǎn)生及變化規(guī)律”的教學(xué)中，學(xué)生可能遇到的問題主要是交流電與電磁感應(yīng)的關(guān)系，對磁通量、磁通量變化量、磁通量變化率的理解應(yīng)用.措施：通過對線圈在磁場中實(shí)物演示，立體圖結(jié)合側(cè)視圖的分析、特殊位置結(jié)合任一位置分析使學(xué)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(xué)生可能遇到的問題主要是對有效值的理解，產(chǎn)生這一問題的原因是對電流熱效應(yīng)及有效值定義的陌生.措施：與恒定電流通過電阻產(chǎn)生熱量進(jìn)行等效，使問題容易理解.

在“變壓器”教學(xué)中，學(xué)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(xué)生根據(jù)電磁感應(yīng)規(guī)律，獨(dú)立思考，分析變壓器鐵芯的功能.變壓器在工作狀態(tài)下，其鐵芯內(nèi)部有磁場，磁場是具有能量的.

在“電能的輸送”教學(xué)中，學(xué)生可能遇到的問題是輸電系統(tǒng)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(dǎo)學(xué)生根據(jù)電磁感應(yīng)規(guī)律和變壓器特點(diǎn)思考分析.

4 單元教學(xué)目標(biāo)

課標(biāo)要求：（1）通過實(shí)驗(yàn)，認(rèn)識交變電流.能用公式和圖像描述正弦交變電流.（2）通過實(shí)驗(yàn)，探究并了解變壓器原、副線圈電壓與匝數(shù)的關(guān)系.知道遠(yuǎn)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(yǎng)為導(dǎo)向的單元教學(xué)目標(biāo)，除了落實(shí)課標(biāo)和教學(xué)指導(dǎo)意見上的教學(xué)目標(biāo)之外，還要落腳在“學(xué)習(xí)進(jìn)階”和“單元整合”的目標(biāo)上.

“交變電流”是選擇性必修2模塊中“電磁感應(yīng)及其應(yīng)用”主題的內(nèi)容，總體目標(biāo)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(dá)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(guān)系，知道我國生產(chǎn)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(guān)系，會應(yīng)用正弦式交變電流有效值公式進(jìn)行有關(guān)計(jì)算.了解變壓器的構(gòu)造及其工作原理，建構(gòu)理想變壓器的模型.通過實(shí)驗(yàn)探究，掌握理想變壓器的原、副線圈中電壓、電流與匝數(shù)的關(guān)系，并能應(yīng)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(yuǎn)距離輸電時通常采用高壓輸電的原因，建構(gòu)高壓輸電的模型，了解電網(wǎng)供電的優(yōu)點(diǎn)和意義.

5 單元學(xué)習(xí)過程設(shè)計(jì)

學(xué)習(xí)過程設(shè)計(jì)是單元教學(xué)的整體規(guī)劃，主要討論本單元學(xué)習(xí)有幾個部分，每一個部分包括哪些學(xué)習(xí)內(nèi)容，學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)和發(fā)展，相應(yīng)的學(xué)習(xí)方式等內(nèi)容.這一部分是以前面的教學(xué)內(nèi)容、學(xué)生學(xué)情、教學(xué)目標(biāo)為依據(jù)，從整體上把握本單元的教學(xué)方式、教學(xué)策略、活動設(shè)計(jì)和重難點(diǎn)突破等，也是后續(xù)具體教學(xué)活動的指導(dǎo).

“交變電流”的單元教學(xué)設(shè)計(jì)主要分成兩大部分（4個層級）：一是交變電流的產(chǎn)生與描述，預(yù)計(jì)3-4課時;二是電能的輸送，預(yù)計(jì)4課時.表2是這幾部分教學(xué)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)、重點(diǎn)和各部分之間的關(guān)聯(lián).

6 主要教學(xué)活動設(shè)計(jì)

6.1 以核心問題引領(lǐng)交變電流概念教學(xué)

核心問題：交流電是什么？交流電是如何產(chǎn)生的？交流電是如何表征的？交流電是如何輸送的？圍繞目標(biāo)設(shè)計(jì)一系列具有邏輯關(guān)系的序列化問題，不僅能將教學(xué)形成一個整體，而且對于發(fā)展學(xué)生的思維品質(zhì)有重要的作用.

問題一：如何理解交變電流？

設(shè)計(jì)意圖：讓學(xué)生了解交流電和直流電的區(qū)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(xiàn)象？

（2）把圖1中電路接在手搖式發(fā)電機(jī)兩端時，會觀察到怎樣的現(xiàn)象？并解釋現(xiàn)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(chǎn)生的？

設(shè)計(jì)意圖：讓學(xué)生明確交流電的產(chǎn)生過程.

若線圈繞OO′軸沿逆時針方向勻速轉(zhuǎn)動，如圖2甲至丁所示.

（1）線圈轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動過程中（如圖3），產(chǎn)生的感應(yīng)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(chǎn)生條件？

（4）什么是中性面？

問題三：交變電流的變化規(guī)律是如何的？

設(shè)計(jì)意圖：引導(dǎo)學(xué)生理解e=Emsinωt的推導(dǎo)過程.

（1）正弦式交變電流是如何產(chǎn)生的？

（2）在場強(qiáng)為B的勻強(qiáng)磁場中，矩形線圈繞中軸勻速轉(zhuǎn)動，感應(yīng)電動勢和電流的瞬時值表達(dá)式是什么？

（3）感應(yīng)電動勢和電流的峰值表達(dá)式是什么？

6.2 以核心任務(wù)引領(lǐng)變壓器和電能輸送的實(shí)驗(yàn)探究

在“變壓器”和“電能的輸送”的教學(xué)中，核心任務(wù)是理解交流電是如何實(shí)現(xiàn)變壓和電能的輸送的.

任務(wù)一：如何理解變壓器的原理？

設(shè)計(jì)意圖：讓學(xué)生明確變壓器的構(gòu)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(fā)光？②小燈泡兩端的電壓與學(xué)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(jié)構(gòu)？

（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(wù)二：如何確定理想變壓器原、副線圈中電壓、電流與匝數(shù)的關(guān)系？

設(shè)計(jì)意圖：通過問題串，讓學(xué)生明確理想變壓器原、副線圈中電壓、電流與匝數(shù)的關(guān)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(shù)關(guān)系的實(shí)驗(yàn)？

（3）理想變壓器原、副線圈中電流、功率、頻率的關(guān)系？

（4）理想變壓器基本關(guān)系的應(yīng)用：①電壓制約;②功率制約;③電流制約.

（5）如何進(jìn)行理想變壓器的動態(tài)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(lǐng)電能的輸送教學(xué)

問題一：如何理解降低輸電損耗的兩個途徑？

（1）為什么要遠(yuǎn)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(yuǎn)距離輸電的基本關(guān)系？

（1）發(fā)電站發(fā)出的電壓不符合遠(yuǎn)距離輸電的要求，怎么辦？到達(dá)目的地的電壓不符合用戶的要求，怎么辦？

（2）圖7所示的遠(yuǎn)距離輸電，分析三個回路中各物理量之間的關(guān)系（發(fā)電機(jī)內(nèi)阻、n1、n2、n3、n4線圈的電阻均忽略不計(jì)）.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(guān)系？

（3）如何計(jì)算輸電線路上的功率損失？

7 單元學(xué)習(xí)效果反饋性評價

針對物理學(xué)科核心素養(yǎng)的四個方面，高中物理學(xué)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)劃分了5個水平層級.教師在進(jìn)行評價時，要針對學(xué)生的情況和發(fā)展需求，選擇適合的水平層級的問題命制或進(jìn)行學(xué)習(xí)效果反饋性評價的設(shè)計(jì).結(jié)合隨堂提問，本單元內(nèi)容的學(xué)習(xí)可以學(xué)業(yè)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(jìn)階內(nèi)容.反饋性問題應(yīng)圍繞單元目標(biāo)突出核心知識和關(guān)鍵能力，注重問題設(shè)計(jì)的系統(tǒng)性和問題解決的進(jìn)階性.

例題 矩形線圈n匝，ab=l1，bc= l2，在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場中以O(shè)O′為轉(zhuǎn)軸勻速轉(zhuǎn)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(jì)時.

（1）推導(dǎo)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(dá)式.

（3）求電動勢、電流、路端電壓的有效值.

（4）如果線圈轉(zhuǎn)速提高1倍，寫出感應(yīng)電動勢隨時間變化的表達(dá)式.

（5）當(dāng)線圈從圖示位置轉(zhuǎn)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(chǎn)生的焦耳熱Q.

（6）若從S//B位置開始計(jì)時，上述問題答案又如何？哪些有改變？

反饋性問題通過進(jìn)階的方式考查學(xué)生對交變電流認(rèn)識的建構(gòu)過程，問題的前幾問都是在課堂教學(xué)的基礎(chǔ)上，對交流電最大值、瞬時值、有效值等的應(yīng)用，是本章的基礎(chǔ)和重點(diǎn)內(nèi)容.不管是對于新授課階段的高二學(xué)生，還是對于復(fù)習(xí)課階段的高三學(xué)生，對交變電流平均值、有效值的理解和應(yīng)用都是本單元的難點(diǎn).問題的進(jìn)階設(shè)計(jì)有利于學(xué)生通過遞進(jìn)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(zhì)和適用條件.

8 單元教學(xué)設(shè)計(jì)反思

“交變電流”教學(xué)設(shè)計(jì)立足于發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)，符合學(xué)生的學(xué)情和教師實(shí)際授課情況，將大概念和大思路融入各個環(huán)節(jié)，注重單元課時之間的進(jìn)階與聯(lián)系，注重現(xiàn)實(shí)世界中真實(shí)、復(fù)雜問題的引入，有助于學(xué)生形成結(jié)構(gòu)化的知識體系，有助于學(xué)生核心素養(yǎng)和關(guān)鍵能力發(fā)展藍(lán)圖的系統(tǒng)規(guī)劃.本單元是以交變電流的產(chǎn)生、描述、輸送的順序，即按照知識的內(nèi)在邏輯并結(jié)合學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)階而劃分單元的，部分之間具有系統(tǒng)性和邏輯關(guān)系，有助于引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，在學(xué)習(xí)中更加有預(yù)期、有目標(biāo)、有整體感、有針對性.單元教學(xué)設(shè)計(jì)體現(xiàn)了以學(xué)生為中心的理念，有助于調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，有助于形成學(xué)生對交變電流認(rèn)識的系統(tǒng)性，從而形成物理角度的大概念和大思路.教學(xué)設(shè)計(jì)更多的是從宏觀、整體、主干等方面對教學(xué)內(nèi)容、學(xué)生學(xué)情、教學(xué)目標(biāo)、具體策略和實(shí)施路徑等方面給出建議，在具體實(shí)施中，還需要根據(jù)學(xué)生的實(shí)際情況和教師的授課計(jì)劃進(jìn)行取舍和拓展.

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.

[2]人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發(fā)中心.普通高中教科書物理（選擇性必修2）[M].北京：人民教育出版社，2019.

[3]張玉峰.以大概念、大思路、大情境和大問題統(tǒng)領(lǐng)物理單元教學(xué)設(shè)計(jì)[J].中學(xué)物理，2020，38（05）：2-7.

[4]張玉峰.基于學(xué)習(xí)進(jìn)階的物理單元學(xué)習(xí)過程設(shè)計(jì)[J].課程·教材·教法，2020，40（03）：50-57.

（收稿日期：2021-04-10）