“交变电流”单元教学设计

陈伟孟 张玉峰

摘 要：“交变电流”单元的教学设计，以教学整合和学习进阶为主线，以发展学生核心素养为目标，分析交变电流由产生到输送的进阶过程.设计涉及发电机和变压器等模型的建构，融合科学探究和科学思维要素，在电磁感应的大专题内进行前后关联和拓展，实现学生思维的发展和进阶.

关键词：交变电流;学习进阶;单元整合;教学设计

中图分类号：G633.7     文献标识码：B     文章编号：1008-4134（2021）11-0026-06

1 单元教学设计指导思想

“交变电流”单元的学习过程设计，在单元教学内容和学情分析的基础上，将一系列学习事件有机组织起来，不仅考虑到学生的认识由简单到复杂的逐级进阶，还考虑到学习内容本身的知识结构、教材编排，以及学生的实际学习情况等特点.基于学习进阶系统规划知识衔接及单元内的认知逻辑，在促进学生知识结构化过程中发展学生的物理观念;基于学习进阶系统规划伴随知识学习的思维发展，在促进学生掌握思维程序与策略的过程中形成物理问题解决的思路;依据进阶理论进行教学设计，让知识之间的内在联系更加紧密，将单元知识进行整合优化，让学生从整体上认识物理学科体系，以整合和进阶为主线促进核心素养发展的“交变电流”单元教学设计.

2 单元教学内容分析

课程标准中对“交变电流”的教学要求：通过实验，认识交变电流.能用公式和图像描述正弦交变电流.通过实验，探究并了解变压器原、副线圈电压与匝数的关系.知道远距离输电时通常采用高压输电的原因.交变电流单元由“交变电流”“交变电流的输送”两个进阶主题构成，可细分为“交变电流的产生”“交变电流的描述”“电能的输送：变压器”“电能的输送：高压输电”等四个内容.本章的核心概念是交变电流，实质上是能量观念和运动与相互作用观念统领下的电磁感应定律的具体综合应用.单元教学内容分析将在知识结构、逻辑结构、隐含的核心素养等方面展开.

主要内容包括：交变电流的产生与描述、电能的输送.

交变电流是电磁感应的延续、发展和具体应用，交变电流知识是单元知识的理论基础，具有承上启下的作用.在学习交变电流的产生原理基础上，探讨交变电流的定量描述问题.交变电流变化规律是本单元的重点内容，学生通过学习应该能从数学角度进一步认识交变电流的周期性，通过有效值的分析和计算体会等效代替等科学方法在科学研究中的应用.

变压器是用来改变交变电流电压的，互感现象是变压器工作的基础.变压器是电磁感应知识与交变电流概念的综合应用，体现了交变电流的优点，为电能输送奠定了基础.让学生在学习电磁感应的基础上理解互感现象，明白原线圈和副线圈有共同的铁芯，原、副线圈中的感应电动势之比只与匝数有关.

高压输电变压器知识与交变电流概念的综合应用，体现了交流输电的优点.教学设计将理论分析与实验验证相结合，使学生理解高压输电原理，指向科学探究素养的形成，培养和提高学生运用物理知识综合分析、解决实际问题的能力.

单元设计围绕能量观念和运动与相互作用观念，以电磁感应的具体应用为形式，围绕交流电的产生和传输为研究内容，单元教学内容隐含的核心素养培养点及科学方法见表1.

3 学生学习情况分析

学生已有的经验、概念和方法：（1）生活经验.交变电流虽然在日常电器中应用广泛，但是受中学物理中大部分是直流电的影响，且生活中的交流电多是较高电压的交流电，学生会缺乏对交流电的直接认识.（2）概念储备.学生知道了磁通量、电磁感应等概念和规律，掌握了基本的电路性质.（3）物理方法.了解物理学习中等效思想的应用.

问题诊断分析：在“交变电流的产生及变化规律”的教学中，学生可能遇到的问题主要是交流电与电磁感应的关系，对磁通量、磁通量变化量、磁通量变化率的理解应用.措施：通过对线圈在磁场中实物演示，立体图结合侧视图的分析、特殊位置结合任一位置分析使学生了解交变电流的大小和方向是如何变化的，使问题容易理解.在“描述交变电流的物理量”中，学生可能遇到的问题主要是对有效值的理解，产生这一问题的原因是对电流热效应及有效值定义的陌生.措施：与恒定电流通过电阻产生热量进行等效，使问题容易理解.

在“变压器”教学中，学生可能遇到的问题是对变压器铁芯作用的理解，解决这一问题可以让学生根据电磁感应规律，独立思考，分析变压器铁芯的功能.变压器在工作状态下，其铁芯内部有磁场，磁场是具有能量的.

在“电能的输送”教学中，学生可能遇到的问题是输电系统的“输电电压”“用户得到的电压”和输电线上“损失的电压”三者的辨析，解决这一问题可引导学生根据电磁感应规律和变压器特点思考分析.

4 单元教学目标

课标要求：（1）通过实验，认识交变电流.能用公式和图像描述正弦交变电流.（2）通过实验，探究并了解变压器原、副线圈电压与匝数的关系.知道远距离输电时通常采用高压输电的原因.以核心知识为抓手，以核心素养为导向的单元教学目标，除了落实课标和教学指导意见上的教学目标之外，还要落脚在“学习进阶”和“单元整合”的目标上.

“交变电流”是选择性必修2模块中“电磁感应及其应用”主题的内容，总体目标要求是：了解描述交变电流的物理概念和物理方法.能用公式和图像描述正弦交变电流;知道正弦式交变电流的电动势的瞬时值表达式，理解峰值的意义;理解交变电流的周期、频率含义，掌握它们相互间关系，知道我国生产和生活用电的周期（频率）的大小;理解交变电流的最大值和有效值的意义，知道它们之间的关系，会应用正弦式交变电流有效值公式进行有关计算.了解变压器的构造及其工作原理，建构理想变压器的模型.通过实验探究，掌握理想变压器的原、副线圈中電压、电流与匝数的关系，并能应用它分析解决基本问题.知道降低输电损耗的两个途径，知道远距离输电时通常采用高压输电的原因，建构高压输电的模型，了解电网供电的优点和意义.

5 单元学习过程设计

学习过程设计是单元教学的整体规划，主要讨论本单元学习有几个部分，每一个部分包括哪些学习内容，学生核心素养的培养和发展，相应的学习方式等内容.这一部分是以前面的教学内容、学生学情、教学目标为依据，从整体上把握本单元的教学方式、教学策略、活动设计和重难点突破等，也是后续具体教学活动的指导.

“交变电流”的单元教学设计主要分成两大部分（4个层级）：一是交变电流的产生与描述，预计3-4课时;二是电能的输送，预计4课时.表2是这几部分教学设计的要点、重点和各部分之间的关联.

6 主要教学活动设计

6.1 以核心问题引领交变电流概念教学

核心问题：交流电是什么？交流电是如何产生的？交流电是如何表征的？交流电是如何输送的？围绕目标设计一系列具有逻辑关系的序列化问题，不仅能将教学形成一个整体，而且对于发展学生的思维品质有重要的作用.

问题一：如何理解交变电流？

设计意图：让学生了解交流电和直流电的区别.

（1）把图1所示的电路接在干电池的两端时，可以观察到什么现象？

（2）把图1中电路接在手摇式发电机两端时，会观察到怎样的现象？并解释现象.

（3）观察直流和交流的I-t图像，有何不同？

（4）什么是直流电和交流电？

问题二：交变电流是如何产生的？

设计意图：让学生明确交流电的产生过程.

若线圈绕OO′轴沿逆时针方向匀速转动，如图2甲至丁所示.

（1）线圈转动1周的过程中，线圈中电流方向的变化情况如何？

（2）线圈转动过程中（如图3），产生的感应电流有最大值和最小值时线圈分别在什么位置？

（3）交变电流的产生条件？

（4）什么是中性面？

问题三：交变电流的变化规律是如何的？

设计意图：引导学生理解e=Emsinωt的推导过程.

（1）正弦式交变电流是如何产生的？

（2）在场强为B的匀强磁场中，矩形线圈绕中轴匀速转动，感应电动势和电流的瞬时值表达式是什么？

（3）感应电动势和电流的峰值表达式是什么？

6.2 以核心任务引领变压器和电能输送的实验探究

在“变压器”和“电能的输送”的教学中，核心任务是理解交流电是如何实现变压和电能的输送的.

任务一：如何理解变压器的原理？

设计意图：让学生明确变压器的构造.

（1）生活中需要各种电压.

我们使用的各种用电器中，所需的电源电压各不相同，而日常照明电路的电压是220V，如何解决这一问题呢？

（2）如图4回答问题：①两个线圈并没有连接，小灯泡为什么会发光？②小灯泡两端的电压与学生电源的输出电压相等吗？

（3）什么是变压器？变压器有哪些结构？

（4）变压器的工作原理是什么？

（5）在变压器中，铁芯起什么作用？

任务二：如何确定理想变压器原、副线圈中电压、电流与匝数的关系？

设计意图：通过问题串，让学生明确理想变压器原、副线圈中电压、电流与匝数的关系.

（1）什么是理想变压器？

（2）怎样探究变压器两端的电压与匝数关系的实验？

（3）理想變压器原、副线圈中电流、功率、频率的关系？

（4）理想变压器基本关系的应用：①电压制约;②功率制约;③电流制约.

（5）如何进行理想变压器的动态分析.

（6）了解常见变压器的原理.

①自耦变压器（如图5）

②互感器（如图6）

6.3 以核心问题引领电能的输送教学

问题一：如何理解降低输电损耗的两个途径？

（1）为什么要远距离输电？

（2）输送电能的基本要求是什么？

（3）为什么输电线上有电能损失？

（4）降低输电损耗的两个途径是什么？

（5）输电电压是不是越高越好？

问题二：如何理解远距离输电的基本关系？

（1）发电站发出的电压不符合远距离输电的要求，怎么办？到达目的地的电压不符合用户的要求，怎么办？

（2）图7所示的远距离输电，分析三个回路中各物理量之间的关系（发电机内阻、n1、n2、n3、n4线圈的电阻均忽略不计）.若变压器均为理想变压器，则每个变压器中的电流、电压、功率之间有什么关系？

（3）如何计算输电线路上的功率损失？

7 单元学习效果反馈性评价

针对物理学科核心素养的四个方面，高中物理学业质量标准划分了5个水平层级.教师在进行评价时，要针对学生的情况和发展需求，选择适合的水平层级的问题命制或进行学习效果反馈性评价的设计.结合随堂提问，本单元内容的学习可以学业水平2、3的要求为主，可以选择或编制水平4、5的问题作为进阶内容.反馈性问题应围绕单元目标突出核心知识和关键能力，注重问题设计的系统性和问题解决的进阶性.

例题 矩形线圈n匝，ab=l1，bc= l2，在磁感应强度为B的匀强磁场中以OO′为转轴匀速转动，角速度为ω.线圈的电阻为r，外接电阻为R.从图8所示位置计时.

（1）推导电动势的最大值.

（2）写出电动势、电流、路端电压的瞬时值表达式.

（3）求电动势、电流、路端电压的有效值.

（4）如果线圈转速提高1倍，写出感应电动势随时间变化的表达式.

（5）当线圈从图示位置转过90°的过程中，求：

①电流的平均值;

②电流的有效值;

③通过电阻R的电量q;

④电阻R产生的焦耳热Q.

（6）若从S//B位置开始计时，上述问题答案又如何？哪些有改变？

反馈性问题通过进阶的方式考查学生对交变电流认识的建构过程，问题的前几问都是在课堂教学的基础上，对交流电最大值、瞬时值、有效值等的应用，是本章的基础和重点内容.不管是对于新授课阶段的高二学生，还是对于复习课阶段的高三学生，对交变电流平均值、有效值的理解和应用都是本单元的难点.问题的进阶设计有利于学生通过递进和比较，能够辨析交变电流的电流、电压、磁通量等随时间变化的异同，深入理解有效值和平均值的物理本质和适用条件.

8 单元教学设计反思

“交变电流”教学设计立足于发展学生核心素养，符合学生的学情和教师实际授课情况，将大概念和大思路融入各个环节，注重单元课时之间的进阶与联系，注重现实世界中真实、复杂问题的引入，有助于学生形成结构化的知识体系，有助于学生核心素养和关键能力发展蓝图的系统规划.本单元是以交变电流的产生、描述、输送的顺序，即按照知识的内在逻辑并结合学生的学习进阶而划分单元的，部分之间具有系统性和逻辑关系，有助于引导学生自主学习，在学习中更加有预期、有目标、有整体感、有针对性.单元教学设计体现了以学生为中心的理念，有助于调动学生学习的主动性，有助于形成学生对交变电流认识的系统性，从而形成物理角度的大概念和大思路.教学设计更多的是从宏观、整体、主干等方面对教学内容、学生学情、教学目标、具体策略和实施路径等方面给出建议，在具体实施中，还需要根据学生的实际情况和教师的授课计划进行取舍和拓展.

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（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，物理课程教材研究开发中心.普通高中教科书物理（选择性必修2）[M].北京：人民教育出版社，2019.

[3]张玉峰.以大概念、大思路、大情境和大问题统领物理单元教学设计[J].中学物理，2020，38（05）：2-7.

[4]张玉峰.基于学习进阶的物理单元学习过程设计[J].课程·教材·教法，2020，40（03）：50-57.

（收稿日期：2021-04-10）