黃靖薇 張軍朋

(華南師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,廣東 廣州 510006)

遠(yuǎn)距離輸電是將物理學(xué)和工程技術(shù)相結(jié)合的一節(jié)應(yīng)用課.筆者認(rèn)為,采用“科學(xué)史→探究”的教學(xué)策略,補(bǔ)充教學(xué)內(nèi)容來(lái)呈現(xiàn)完整的輸電發(fā)展史,并利用自制教具輔助教學(xué),能促進(jìn)學(xué)生對(duì)科學(xué)知識(shí)的建構(gòu)和科學(xué)本質(zhì)的理解.

1 增加宏觀史料,重組教學(xué)內(nèi)容

1.1 補(bǔ)充輸電史前期摒棄直流發(fā)電原因

使用科學(xué)史授課容易出現(xiàn)的問(wèn)題是重微觀、輕宏觀,重片段、輕整體.在“遠(yuǎn)距離輸電”的教學(xué)中,從19世紀(jì)到現(xiàn)代輸電技術(shù)的宏觀史料鮮有提及,然而輸電史的宏觀脈絡(luò)是不可或缺的.學(xué)生在學(xué)習(xí)電路時(shí),首先學(xué)習(xí)直流電,不知道生活中發(fā)電廠要采用交流電的原因,因此補(bǔ)充了發(fā)展史前期直流配電發(fā)展和其缺陷.

1.2 調(diào)整教學(xué)次序,符合認(rèn)知規(guī)律

高中物理粵教版選修3-2遠(yuǎn)距離輸電教學(xué)內(nèi)容的展開(kāi)流程如圖1.

圖1 粵教版教材遠(yuǎn)距離輸電教學(xué)流程

教材直接介紹從變電站到用戶(hù)的輸電線路圖,線路圖中有一次降壓和二次降壓的過(guò)程,這樣復(fù)雜的輸電過(guò)程不利于學(xué)生理解,且學(xué)生不知道這樣設(shè)計(jì)的原因.因此,在本節(jié)課中,先讓學(xué)生根據(jù)公式演繹推理得出減少導(dǎo)線發(fā)熱損耗電能的有效方法是高壓輸電,再讓學(xué)生用已有的器件“變壓器”、“低壓交流源”、“用戶(hù)”組裝高壓交流輸電線路圖.然后根據(jù)線路圖進(jìn)行模擬輸電的實(shí)驗(yàn),讓學(xué)生參與了物理學(xué)與技術(shù)相結(jié)合的設(shè)計(jì)過(guò)程,符合了學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律.

2 采用 “科學(xué)史→探究”教學(xué)策略

學(xué)生學(xué)習(xí)物理的進(jìn)程和人類(lèi)研究物理學(xué)的進(jìn)程具有內(nèi)在相似性.在遠(yuǎn)距離輸電發(fā)展的歷史進(jìn)程中,配電、輸電方式選取的關(guān)鍵點(diǎn)、突破點(diǎn)往往是本節(jié)課教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn).故本節(jié)課采用“科學(xué)史→探究”教學(xué)策略,以“近代輸電→現(xiàn)代輸電→新型輸電”為線索,每個(gè)技術(shù)的發(fā)展都會(huì)推動(dòng)知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)進(jìn)程.學(xué)生在跟隨科學(xué)家腳步學(xué)習(xí)的過(guò)程中,能感受科學(xué)探索精神,滲透人文教育.

2.1 呈現(xiàn)歷史問(wèn)題，形成假設(shè)

教師創(chuàng)設(shè)情境,讓學(xué)生化身19世紀(jì)的科學(xué)家,當(dāng)時(shí)采用愛(ài)迪生直流配電系統(tǒng)時(shí),同樣遇到導(dǎo)線發(fā)熱消耗過(guò)多電能的問(wèn)題.為幫助愛(ài)迪生解決輸電難題,教師引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)已學(xué)的公式P損=I2R，P輸出=U輸I輸,推導(dǎo)得出減少導(dǎo)線發(fā)熱的有效方法是高壓輸電.學(xué)生在此過(guò)程中通過(guò)推理論證形成了解決問(wèn)題的猜想.

設(shè)計(jì)意圖： 使學(xué)生為解決用戶(hù)得到的電能不足的問(wèn)題,從能量守恒的角度從導(dǎo)線發(fā)熱消耗電能的方向入手解決問(wèn)題,在科學(xué)推導(dǎo)的過(guò)程中構(gòu)建和認(rèn)識(shí)在能量輸送中各變量之間的關(guān)系,從而得出假設(shè).

2.2 運(yùn)用邏輯推理，自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

基于愛(ài)迪生的直流配電系統(tǒng)升高電壓存在技術(shù)困難,引起學(xué)生對(duì)直流發(fā)電的質(zhì)疑.結(jié)合特斯拉買(mǎi)下變壓器專(zhuān)利和愛(ài)迪生與特斯拉電流大戰(zhàn)的史料,講解高壓輸電要運(yùn)用交流電的原因,并引導(dǎo)學(xué)生回答如何將交流電升壓并設(shè)計(jì)組裝從發(fā)電廠到用戶(hù)的輸電線路圖.

設(shè)計(jì)意圖： 重演了科學(xué)家探索和認(rèn)識(shí)輸電的過(guò)程,體驗(yàn)了配電輸電方式是如何選擇和發(fā)展的,培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、探索知識(shí)的能力,從而促進(jìn)科學(xué)素養(yǎng)的提高.

教學(xué)過(guò)程具體如下.

師:由此我們就得出降低導(dǎo)線發(fā)熱功率的有效方法就是高壓輸電.那我們?cè)趺礃影褠?ài)迪生的100 V直流電進(jìn)行升壓呢?

生:用變壓器.

師:同學(xué)們都提到了變壓器,但是變壓器只適用于交流電,如果我們要對(duì)直流電進(jìn)行升壓的話,我們只能讓發(fā)電機(jī)發(fā)出更高的直流電壓,但是如果我們要幾百千伏的話，這存在著技術(shù)困難.剛才同學(xué)們提的變壓器提得很好,那我們就要用到什么電了?

圖 2 至圖 11 為引物 S11、S13、S29、S32、S40、S43、S44、S47、S49、S50 的 RAPD 擴(kuò)增圖譜。 10 個(gè)指紋圖譜綜合分析結(jié)果表明，湖南古丈與恩施太陽(yáng)河、宣恩椒園的共同點(diǎn)位很少，擴(kuò)增的條帶少，它們的親緣關(guān)系較遠(yuǎn)，而恩施紅廟與湖南古丈、建始花坪與巴東茶店子的擴(kuò)增帶的相似性很大且譜帶清晰，所擴(kuò)增的片段都在100～1 000 bp，它們的親緣關(guān)系較近。

生:交變電流.

師:但是愛(ài)迪生卻認(rèn)為直流電才是唯一的輸電途徑,他不接受交流電,但是特斯拉卻對(duì)交流電很感興趣,他一直在思考和探索用什么樣的方法才能替代愛(ài)迪生的直流配電系統(tǒng).直到他知道有人獲得變壓器專(zhuān)利的時(shí)候,他果斷地把專(zhuān)利買(mǎi)了下來(lái).那么同學(xué)們思考一下,怎么樣用這變壓器來(lái)組裝我們的高壓輸電的輸電線路圖呢?同學(xué)們討論起來(lái).(討論)

師:發(fā)電廠發(fā)出低壓交流電,同學(xué)們想到用什么方法進(jìn)行高壓輸電嗎?

生:用升壓變壓器升高電壓.

師:那升高后的電壓能直接地輸送給我們的用戶(hù)使用嗎?

生:不行,輸完電要用降壓變壓器降低電壓.

師:由此我們就得出了高壓輸電的輸電線路圖.

2.3 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證猜想

根據(jù)線路圖,教師展示自制的模擬遠(yuǎn)距離輸電演示儀,介紹演示儀的構(gòu)造和工作原理,并點(diǎn)亮燈泡驗(yàn)證高壓輸電能否有效降低電能損耗(如圖2).在演示實(shí)驗(yàn)后讓學(xué)生對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行總結(jié)并小組交流.

圖2 低壓交流輸電和高壓交流輸電燈泡亮度對(duì)比

2.4 輸電矛盾再現(xiàn)，提出猜想

由教師引入40年后輸電史上迎來(lái)了新的輸電難題,在大功率輸電線路中導(dǎo)線產(chǎn)生的感抗和容抗不可忽略.教師提出問(wèn)題“采用什么輸電方式能使導(dǎo)線中的感抗和容抗不體現(xiàn)在回路當(dāng)中”.通過(guò)讓學(xué)生提出問(wèn)題解決的方案進(jìn)一步提高學(xué)生的探究能力.在此過(guò)程中教師要做適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo),得出在大功率輸電線路采用直流輸電能使導(dǎo)線中的感抗和容抗不體現(xiàn)在回路當(dāng)中.要共同減少導(dǎo)線上電阻、電感、電容的影響,逐步引導(dǎo)學(xué)生思考要把高壓交流輸電和直流輸電相結(jié)合,從而使電能輸送率最大化.

設(shè)計(jì)意圖： 直流輸電是一種新型的輸電方式,在課堂上引導(dǎo)學(xué)生重演其發(fā)展過(guò)程,既能增強(qiáng)學(xué)生科學(xué)推理能力,又能讓學(xué)生感知輸電歷史的發(fā)展是曲折的,培養(yǎng)科學(xué)研究的科學(xué)態(tài)度.

2.5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，反思交流

教師通過(guò)自制教具高壓直流輸電演示儀,在高壓交流輸電的基礎(chǔ)上加上交流轉(zhuǎn)直流的整流裝置、直流轉(zhuǎn)交流的逆變裝置,驗(yàn)證高壓直流輸電的可行性(如圖3).學(xué)生在了解實(shí)驗(yàn)原理的基礎(chǔ)上,進(jìn)行實(shí)驗(yàn),認(rèn)真觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,并對(duì)結(jié)果進(jìn)行交流、反思.

圖3 高壓交流輸電和高壓直流輸電燈泡亮度對(duì)比

3 巧用自制教具,突破教學(xué)難點(diǎn)

在本教學(xué)設(shè)計(jì)中,教學(xué)難點(diǎn)是理解導(dǎo)線中電阻、感抗、容抗對(duì)輸電線路的影響.學(xué)生對(duì)電阻、因大功率線路導(dǎo)線產(chǎn)生的感抗和容抗對(duì)線路影響的認(rèn)知是模糊的.在教材中本節(jié)的實(shí)驗(yàn)與研究部分是解決導(dǎo)線中電阻對(duì)輸電線路的影響,但該實(shí)驗(yàn)不能證明長(zhǎng)導(dǎo)線電阻對(duì)輸電線路有多大的影響.而導(dǎo)線感抗、容抗的對(duì)線路的影響鮮有提及,所以有必要增加相應(yīng)的演示實(shí)驗(yàn).

為了提高課堂效率,筆者設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)距離輸電實(shí)驗(yàn)系列教具，能使演示效果更直觀,有效地幫助學(xué)生解決學(xué)習(xí)疑難.

3.1 突破理解導(dǎo)線中電阻對(duì)輸電線路影響的教學(xué)難點(diǎn)

學(xué)生在作業(yè)題中經(jīng)常能看到一句話“導(dǎo)線電阻可忽略”,容易產(chǎn)生導(dǎo)線電阻都可以忽略的認(rèn)知誤區(qū).而本節(jié)課常規(guī)教學(xué)中都是教師口頭說(shuō)長(zhǎng)導(dǎo)線電阻就不能忽略,而今通過(guò)實(shí)驗(yàn)“電源對(duì)3個(gè)并聯(lián)的燈泡供電,接入5m、60m導(dǎo)線對(duì)比燈泡亮度”說(shuō)明問(wèn)題,能更深刻地認(rèn)識(shí)到長(zhǎng)導(dǎo)線電阻不能被忽略,會(huì)發(fā)熱消耗大部分電能(如圖4).

圖4 展示接入不同長(zhǎng)度導(dǎo)線對(duì)輸電線路影響教具

3.2 突破理解導(dǎo)線中感抗和容抗對(duì)輸電線路影響的教學(xué)難點(diǎn)

基于學(xué)生的認(rèn)知水平,學(xué)生不理解電容和電感會(huì)對(duì)輸電線路產(chǎn)生多大的影響.通過(guò)自制教具在輸電線路并聯(lián)電容和串聯(lián)電感模擬導(dǎo)線中產(chǎn)生感抗和容抗,進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn).觀察到加上電容和電感的電路的燈泡比沒(méi)加的更暗.從而直觀地體現(xiàn)出感抗和容抗損耗的電能是很多的(如圖5).這個(gè)過(guò)程能使學(xué)生對(duì)大功率交流電使導(dǎo)線產(chǎn)生的感抗和容抗對(duì)輸電線路影響的認(rèn)知更為深刻.

圖5 感抗容抗對(duì)高壓交流輸電線路影響實(shí)驗(yàn)效果圖