论文部分内容阅读
摘 要：本文以“电能的远距离传输”为例，基于我国能源分布提出问题、模拟电能传输进行实验观察、构建电路模型落实能量观念、引导学生科学推理论证、形成电能远距离交流高压传输方法等角度，谈物理核心素养在课堂教学中的落实。慢慢引导学生构建电能传输的物理图景，让学生在行动上参与、思维上参与学习，从而使物理核心素养落地。
关键词：核心素养；实验观察；物理模型
物理核心素养是学生在接受物理教育的过程中逐步形成适应个人终身发展的正确价值观、适应社会需求的必备品格和关键能力，主要由“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”四个方面构成[ 1 ]。《普通高中物理课程标准》（2017年版）指出：物理学科作为自然科学，旨在落实立德树人的根本任务，凝练物理学科核心素养，为学生终身发展奠定基础，促进科学事业的传承与社会与时俱进。物理学应该基于物理问题，进行实验与观察，构建物理模型，应用数学等工具，通过科学推理和论证，形成系统的研究方法和理论体系。在教育教学的过程中应帮助学生从物理学视角认识世界，构建物理图景，引导学生经历科学探究的过程，体会科学探究方法，养成科学探究习惯，增强创新意识和实践能力。引领学生认识学科本质以及STSE的关系，形成科学态度、世界观、价值观。
1 教学背景
“电能的远距离传输”是学生综合运用电路知识解决实际问题的课例。高二学生对电路的基本知识有足够的积淀，学生具有较强的自学能力以及综合分析能力，而电能的远距离传输，是在变压器的基础上进行知识的重组以及再构建，将理论分析与模拟实验相结合，使学生理解高压交流输电的原理。以培养学生应用知识综合分析问题能力，解决实际问题的能力，提高学生的合作能力。
2 教学设计
2.1 基于物理核心素养的教学目标
2.1.1 物理观念
（1）通过输电过程的了解，构建低压输电与高压输电两个电路模型；
（2）通过电路分析，理解输电损耗，培养学生的物质观念、能量观念。
2.1.2 科学思维
（1）经历电路模型构建，区别输电电压与线损电压；
（2）经历减少输电损失的实验论证过程，促进科学思维发展；
（3）经历理论论证，体会高压输电的优势。
2.1.3 科学探究
经历交流高压输电过程电路设计与验证过程，通过对比获得结论，提高科学探究能力。
2.1.4 科学态度与责任
（1）通过对我国高压输电背景的了解，体会国家骄傲，与投身社会主义事业的责任感；
（2）通过输电损耗的综合分析，培养学生全面分析问题的科学态度。
2.2 教学过程
2.2.1 明了引入，提出问题
视频播放：我国特高压输电技术新闻简介，介绍两个方面内容：其一，我国特高压技术形成行业标准，如火箭技术、高特技术一样是无数科学家共同努力形成的国家骄傲；其二，我国各种能源主要集中在西部，要将这些能源转化成电能输往东部。电能的输送少则几十公里，多则大几千公里。这么远距离的电能是如何输送到东部用户家的呢？这节课我们就一起来探讨电能的远距离传输问题。
2.2.2 实验观察，探索新知
实验器材：小灯泡（3.8V、2.5A）及灯座各2个、电阻丝1m2条、学生电源1个、导线（带鳄鱼夹）若干。
分组实验：对比实验如图1所示，将小灯泡用鳄鱼夹夹在电阻丝上，从L1位置逐渐向L2位置移动的过程中，观察灯泡亮度变化。
思考：为什么小灯泡亮度会逐渐变暗？
2.2.3 模型构建，科学思维
基于學生的知识储备，小组交流讨论，构建如图2完善电路模型。从电阻定律出发明确输电线电阻，从而落实输电线电阻造成功率损失P线=I线2R线和电压损失U线=I线R线。
问题1：如何减少功率损失和电压损失？
针对以上问题，小组讨论可行性方案。
问题2：减小电阻，如何减小电阻？该方案是否可行？
引导学生从电阻定律的角度分析，减小长度、减小电阻率、增大导线截面。肯定学生的回答，可行，但是基于实际条件限制，减小长度，两地之间具有最短距离，在远距离线路设计要考虑的具体问题，涉及到测量部门的工作；减小电阻率，对比金银铜铁等材料电阻率显然铜线是最佳方案，目前使用最多的也是铜线，而超导同样可行但是造价高；增大截面积，可行，但涉及到耗材以及工程造价等问题。此过程渗透科技前沿等科学态度与责任教育。
问题3：减小输电电流，输电电流怎么求？如何减小输电电流？
自主学习，课本内容，交流讨论进行汇报。
问题4：为了减少输电线上的电热功率损失，应该提高输电电压和减小输电导线的电阻。但有同学从下列推证中得出相反的结论：“设输送电压为U，输电电流为I，则功率损失P=U2/R。因此，要降低P值，就应该降低送电电压和增加输电线的电阻。”请问你怎么看？
引导学生明确输电电压、线电压、用户得到的电压之间的关系。
2.2.4 科学推理与论证
例题 一发电站，输电功率为2000kW，输电线的总电阻为20Ω。输电电压是10kV，输电线上损耗的电压是多少？输电线上消耗的功率是多少？用户得到的功率是多少？输电效率是多少？
变化1 如果用100kV的电压输电，输电线上消耗的功率又是多少？用户得到的功率又是多少？输电效率又是多少？
变化2 若输电功率为2000kW，输电线的总电阻为200Ω。如果用100kV的电压输电，输电线上消耗的功率又是多少？用户得到的功率又是多少？输电效率又是多少？
通过计算总结数据如表1。
通过上述数据交流论证，综合考虑：高压输电的优势以及减小线电阻的局限。
2.2.5 形成方法与验证——实现交流高压输电
问题1 怎么样实现高压输电？
问题2 升压后的电压用户能直接用吗？还需怎么办？
图片展示输电过程，要求学生设计输电电路图。并展示评价：学生设计的电路图是否规范，做出合理评价。
实验验证：指导学生连接电路，升压变压器采用1：8，降压变压器采用8：1，进行实验如图3所示。
理论验证：一小型发电机的输出功率为50kW，输出电压为250V。现用一台1：16升压变压器使其升压，输送至用户处再用一台16：1降压变压器降压。输电线总电阻为40Ω，则用户得到的电压是多少？并画出输电电路简图。
这一环节，基于问题，设计实验，进行实验获取信息，基于实验与理论证据进行合理的解释，交流讨论，交流高压输电，实现电压减少损失的可行性。
3 结束语
核心素养的落实不是一蹴而就，而是要在教育教学的过程中慢慢落实[2]。核心素养的落地生根不应急功近利，追求高效高容量。应该慢慢的从物理学视角引导学生认识电能的输送，让学生经历实现电能远距离传输的过程，构建电能远距离传输的物理图景。让学生行动上参与、思维上参与，从而获得学习物理的兴趣与幸福感。
参考文献：
[1]黎穗梅.引入原始物理问题 发展学科核心素养[ J ] .中学物理，2018（3）：13-15.
[2]林明华.高中物理核心素养的内涵与培养途径 [ J ].福建教育研究，2016（2） ：4-6.
关键词：核心素养；实验观察；物理模型
物理核心素养是学生在接受物理教育的过程中逐步形成适应个人终身发展的正确价值观、适应社会需求的必备品格和关键能力，主要由“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”四个方面构成[ 1 ]。《普通高中物理课程标准》（2017年版）指出：物理学科作为自然科学，旨在落实立德树人的根本任务，凝练物理学科核心素养，为学生终身发展奠定基础，促进科学事业的传承与社会与时俱进。物理学应该基于物理问题，进行实验与观察，构建物理模型，应用数学等工具，通过科学推理和论证，形成系统的研究方法和理论体系。在教育教学的过程中应帮助学生从物理学视角认识世界，构建物理图景，引导学生经历科学探究的过程，体会科学探究方法，养成科学探究习惯，增强创新意识和实践能力。引领学生认识学科本质以及STSE的关系，形成科学态度、世界观、价值观。
1 教学背景
“电能的远距离传输”是学生综合运用电路知识解决实际问题的课例。高二学生对电路的基本知识有足够的积淀，学生具有较强的自学能力以及综合分析能力，而电能的远距离传输，是在变压器的基础上进行知识的重组以及再构建，将理论分析与模拟实验相结合，使学生理解高压交流输电的原理。以培养学生应用知识综合分析问题能力，解决实际问题的能力，提高学生的合作能力。
2 教学设计
2.1 基于物理核心素养的教学目标
2.1.1 物理观念
（1）通过输电过程的了解，构建低压输电与高压输电两个电路模型；
（2）通过电路分析，理解输电损耗，培养学生的物质观念、能量观念。
2.1.2 科学思维
（1）经历电路模型构建，区别输电电压与线损电压；
（2）经历减少输电损失的实验论证过程，促进科学思维发展；
（3）经历理论论证，体会高压输电的优势。
2.1.3 科学探究
经历交流高压输电过程电路设计与验证过程，通过对比获得结论，提高科学探究能力。
2.1.4 科学态度与责任
（1）通过对我国高压输电背景的了解，体会国家骄傲，与投身社会主义事业的责任感；
（2）通过输电损耗的综合分析，培养学生全面分析问题的科学态度。
2.2 教学过程
2.2.1 明了引入，提出问题
视频播放：我国特高压输电技术新闻简介，介绍两个方面内容：其一，我国特高压技术形成行业标准，如火箭技术、高特技术一样是无数科学家共同努力形成的国家骄傲；其二，我国各种能源主要集中在西部，要将这些能源转化成电能输往东部。电能的输送少则几十公里，多则大几千公里。这么远距离的电能是如何输送到东部用户家的呢？这节课我们就一起来探讨电能的远距离传输问题。
2.2.2 实验观察，探索新知
实验器材：小灯泡（3.8V、2.5A）及灯座各2个、电阻丝1m2条、学生电源1个、导线（带鳄鱼夹）若干。
分组实验：对比实验如图1所示，将小灯泡用鳄鱼夹夹在电阻丝上，从L1位置逐渐向L2位置移动的过程中，观察灯泡亮度变化。
思考：为什么小灯泡亮度会逐渐变暗？
2.2.3 模型构建，科学思维
基于學生的知识储备，小组交流讨论，构建如图2完善电路模型。从电阻定律出发明确输电线电阻，从而落实输电线电阻造成功率损失P线=I线2R线和电压损失U线=I线R线。
问题1：如何减少功率损失和电压损失？
针对以上问题，小组讨论可行性方案。
问题2：减小电阻，如何减小电阻？该方案是否可行？
引导学生从电阻定律的角度分析，减小长度、减小电阻率、增大导线截面。肯定学生的回答，可行，但是基于实际条件限制，减小长度，两地之间具有最短距离，在远距离线路设计要考虑的具体问题，涉及到测量部门的工作；减小电阻率，对比金银铜铁等材料电阻率显然铜线是最佳方案，目前使用最多的也是铜线，而超导同样可行但是造价高；增大截面积，可行，但涉及到耗材以及工程造价等问题。此过程渗透科技前沿等科学态度与责任教育。
问题3：减小输电电流，输电电流怎么求？如何减小输电电流？
自主学习，课本内容，交流讨论进行汇报。
问题4：为了减少输电线上的电热功率损失，应该提高输电电压和减小输电导线的电阻。但有同学从下列推证中得出相反的结论：“设输送电压为U，输电电流为I，则功率损失P=U2/R。因此，要降低P值，就应该降低送电电压和增加输电线的电阻。”请问你怎么看？
引导学生明确输电电压、线电压、用户得到的电压之间的关系。
2.2.4 科学推理与论证
例题 一发电站，输电功率为2000kW，输电线的总电阻为20Ω。输电电压是10kV，输电线上损耗的电压是多少？输电线上消耗的功率是多少？用户得到的功率是多少？输电效率是多少？
变化1 如果用100kV的电压输电，输电线上消耗的功率又是多少？用户得到的功率又是多少？输电效率又是多少？
变化2 若输电功率为2000kW，输电线的总电阻为200Ω。如果用100kV的电压输电，输电线上消耗的功率又是多少？用户得到的功率又是多少？输电效率又是多少？
通过计算总结数据如表1。
通过上述数据交流论证，综合考虑：高压输电的优势以及减小线电阻的局限。
2.2.5 形成方法与验证——实现交流高压输电
问题1 怎么样实现高压输电？
问题2 升压后的电压用户能直接用吗？还需怎么办？
图片展示输电过程，要求学生设计输电电路图。并展示评价：学生设计的电路图是否规范，做出合理评价。
实验验证：指导学生连接电路，升压变压器采用1：8，降压变压器采用8：1，进行实验如图3所示。
理论验证：一小型发电机的输出功率为50kW，输出电压为250V。现用一台1：16升压变压器使其升压，输送至用户处再用一台16：1降压变压器降压。输电线总电阻为40Ω，则用户得到的电压是多少？并画出输电电路简图。
这一环节，基于问题，设计实验，进行实验获取信息，基于实验与理论证据进行合理的解释，交流讨论，交流高压输电，实现电压减少损失的可行性。
3 结束语
核心素养的落实不是一蹴而就，而是要在教育教学的过程中慢慢落实[2]。核心素养的落地生根不应急功近利，追求高效高容量。应该慢慢的从物理学视角引导学生认识电能的输送，让学生经历实现电能远距离传输的过程，构建电能远距离传输的物理图景。让学生行动上参与、思维上参与，从而获得学习物理的兴趣与幸福感。
参考文献：
[1]黎穗梅.引入原始物理问题 发展学科核心素养[ J ] .中学物理，2018（3）：13-15.
[2]林明华.高中物理核心素养的内涵与培养途径 [ J ].福建教育研究，2016（2） ：4-6.