“远距离输电”教学的创新设计

黄靖薇 张军朋

(华南师范大学物理科学与技术学院,广东 广州 510006)

远距离输电是将物理学和工程技术相结合的一节应用课.笔者认为,采用“科学史→探究”的教学策略,补充教学内容来呈现完整的输电发展史,并利用自制教具辅助教学,能促进学生对科学知识的建构和科学本质的理解.

1 增加宏观史料,重组教学内容

1.1 补充输电史前期摒弃直流发电原因

使用科学史授课容易出现的问题是重微观、轻宏观,重片段、轻整体.在“远距离输电”的教学中,从19世纪到现代输电技术的宏观史料鲜有提及,然而输电史的宏观脉络是不可或缺的.学生在学习电路时,首先学习直流电,不知道生活中发电厂要采用交流电的原因,因此补充了发展史前期直流配电发展和其缺陷.

1.2 调整教学次序,符合认知规律

高中物理粤教版选修3-2远距离输电教学内容的展开流程如图1.

图1 粤教版教材远距离输电教学流程

教材直接介绍从变电站到用户的输电线路图,线路图中有一次降压和二次降压的过程,这样复杂的输电过程不利于学生理解,且学生不知道这样设计的原因.因此,在本节课中,先让学生根据公式演绎推理得出减少导线发热损耗电能的有效方法是高压输电,再让学生用已有的器件“变压器”、“低压交流源”、“用户”组装高压交流输电线路图.然后根据线路图进行模拟输电的实验,让学生参与了物理学与技术相结合的设计过程,符合了学生的认知规律.

2 采用 “科学史→探究”教学策略

学生学习物理的进程和人类研究物理学的进程具有内在相似性.在远距离输电发展的历史进程中,配电、输电方式选取的关键点、突破点往往是本节课教学的重点和难点.故本节课采用“科学史→探究”教学策略,以“近代输电→现代输电→新型输电”为线索,每个技术的发展都会推动知识点的学习进程.学生在跟随科学家脚步学习的过程中,能感受科学探索精神,渗透人文教育.

2.1 呈现历史问题，形成假设

教师创设情境,让学生化身19世纪的科学家,当时采用爱迪生直流配电系统时,同样遇到导线发热消耗过多电能的问题.为帮助爱迪生解决输电难题,教师引导学生根据已学的公式P损=I2R，P输出=U输I输,推导得出减少导线发热的有效方法是高压输电.学生在此过程中通过推理论证形成了解决问题的猜想.

设计意图： 使学生为解决用户得到的电能不足的问题,从能量守恒的角度从导线发热消耗电能的方向入手解决问题,在科学推导的过程中构建和认识在能量输送中各变量之间的关系,从而得出假设.

2.2 运用逻辑推理，自主设计实验

基于爱迪生的直流配电系统升高电压存在技术困难,引起学生对直流发电的质疑.结合特斯拉买下变压器专利和爱迪生与特斯拉电流大战的史料,讲解高压输电要运用交流电的原因,并引导学生回答如何将交流电升压并设计组装从发电厂到用户的输电线路图.

设计意图： 重演了科学家探索和认识输电的过程,体验了配电输电方式是如何选择和发展的,培养学生发现问题、探索知识的能力,从而促进科学素养的提高.

教学过程具体如下.

师:由此我们就得出降低导线发热功率的有效方法就是高压输电.那我们怎么样把爱迪生的100 V直流电进行升压呢?

生:用变压器.

师:同学们都提到了变压器,但是变压器只适用于交流电,如果我们要对直流电进行升压的话,我们只能让发电机发出更高的直流电压,但是如果我们要几百千伏的话，这存在着技术困难.刚才同学们提的变压器提得很好,那我们就要用到什么电了?

图 2 至图 11 为引物 S11、S13、S29、S32、S40、S43、S44、S47、S49、S50 的 RAPD 扩增图谱。 10 个指纹图谱综合分析结果表明，湖南古丈与恩施太阳河、宣恩椒园的共同点位很少，扩增的条带少，它们的亲缘关系较远，而恩施红庙与湖南古丈、建始花坪与巴东茶店子的扩增带的相似性很大且谱带清晰，所扩增的片段都在100～1 000 bp，它们的亲缘关系较近。

生:交变电流.

师:但是爱迪生却认为直流电才是唯一的输电途径,他不接受交流电,但是特斯拉却对交流电很感兴趣,他一直在思考和探索用什么样的方法才能替代爱迪生的直流配电系统.直到他知道有人获得变压器专利的时候,他果断地把专利买了下来.那么同学们思考一下,怎么样用这变压器来组装我们的高压输电的输电线路图呢?同学们讨论起来.(讨论)

师:发电厂发出低压交流电,同学们想到用什么方法进行高压输电吗?

生:用升压变压器升高电压.

师:那升高后的电压能直接地输送给我们的用户使用吗?

生:不行,输完电要用降压变压器降低电压.

师:由此我们就得出了高压输电的输电线路图.

2.3 进行实验，验证猜想

根据线路图,教师展示自制的模拟远距离输电演示仪,介绍演示仪的构造和工作原理,并点亮灯泡验证高压输电能否有效降低电能损耗(如图2).在演示实验后让学生对整个实验过程进行总结并小组交流.

图2 低压交流输电和高压交流输电灯泡亮度对比

2.4 输电矛盾再现，提出猜想

由教师引入40年后输电史上迎来了新的输电难题,在大功率输电线路中导线产生的感抗和容抗不可忽略.教师提出问题“采用什么输电方式能使导线中的感抗和容抗不体现在回路当中”.通过让学生提出问题解决的方案进一步提高学生的探究能力.在此过程中教师要做适当的引导,得出在大功率输电线路采用直流输电能使导线中的感抗和容抗不体现在回路当中.要共同减少导线上电阻、电感、电容的影响,逐步引导学生思考要把高压交流输电和直流输电相结合,从而使电能输送率最大化.

设计意图： 直流输电是一种新型的输电方式,在课堂上引导学生重演其发展过程,既能增强学生科学推理能力,又能让学生感知输电历史的发展是曲折的,培养科学研究的科学态度.

2.5 实验验证，反思交流

教师通过自制教具高压直流输电演示仪,在高压交流输电的基础上加上交流转直流的整流装置、直流转交流的逆变装置,验证高压直流输电的可行性(如图3).学生在了解实验原理的基础上,进行实验,认真观察实验现象,并对结果进行交流、反思.

图3 高压交流输电和高压直流输电灯泡亮度对比

3 巧用自制教具,突破教学难点

在本教学设计中,教学难点是理解导线中电阻、感抗、容抗对输电线路的影响.学生对电阻、因大功率线路导线产生的感抗和容抗对线路影响的认知是模糊的.在教材中本节的实验与研究部分是解决导线中电阻对输电线路的影响,但该实验不能证明长导线电阻对输电线路有多大的影响.而导线感抗、容抗的对线路的影响鲜有提及,所以有必要增加相应的演示实验.

为了提高课堂效率,笔者设计了远距离输电实验系列教具，能使演示效果更直观,有效地帮助学生解决学习疑难.

3.1 突破理解导线中电阻对输电线路影响的教学难点

学生在作业题中经常能看到一句话“导线电阻可忽略”,容易产生导线电阻都可以忽略的认知误区.而本节课常规教学中都是教师口头说长导线电阻就不能忽略,而今通过实验“电源对3个并联的灯泡供电,接入5m、60m导线对比灯泡亮度”说明问题,能更深刻地认识到长导线电阻不能被忽略,会发热消耗大部分电能(如图4).

图4 展示接入不同长度导线对输电线路影响教具

3.2 突破理解导线中感抗和容抗对输电线路影响的教学难点

基于学生的认知水平,学生不理解电容和电感会对输电线路产生多大的影响.通过自制教具在输电线路并联电容和串联电感模拟导线中产生感抗和容抗,进行对比实验.观察到加上电容和电感的电路的灯泡比没加的更暗.从而直观地体现出感抗和容抗损耗的电能是很多的(如图5).这个过程能使学生对大功率交流电使导线产生的感抗和容抗对输电线路影响的认知更为深刻.

图5 感抗容抗对高压交流输电线路影响实验效果图