摘"要：《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》要求學(xué)生通過物理學(xué)習(xí)真切感受科學(xué)探究過程，從而提升對科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識，促進物理學(xué)科核心素養(yǎng)的形成。教師讓學(xué)生體驗交變電流有效值概念的深度學(xué)習(xí)過程，尤其是實驗探究的過程，不僅能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，幫助學(xué)生內(nèi)化所學(xué)知識，還能促進學(xué)生物理觀念的建構(gòu)、科學(xué)思維的形成和科學(xué)態(tài)度的養(yǎng)成，從而實現(xiàn)科學(xué)知識和科學(xué)素養(yǎng)的協(xié)同發(fā)展。

關(guān)鍵詞：交變電流；有效值；實驗探究；深度學(xué)習(xí)

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）指出，學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)科育人價值的集中體現(xiàn)，是學(xué)生通過學(xué)科學(xué)習(xí)而逐步形成的正確價值觀、必備品格和關(guān)鍵能力。［1］如今的物理教學(xué)更加注重對學(xué)生的自主發(fā)展、合作參與、創(chuàng)新實踐能力的培養(yǎng)。核心素養(yǎng)的提升取決于學(xué)生對知識的深度理解與內(nèi)化，因此，教師需要引導(dǎo)學(xué)生從簡單的知識符號學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)向?qū)W科本質(zhì)和學(xué)科思想方法的深入理解，深度學(xué)習(xí)成為課程改革發(fā)展的必然趨勢。

物理實驗是物理教學(xué)的重要內(nèi)容，物理實驗教學(xué)是教師引導(dǎo)學(xué)生從現(xiàn)象到本質(zhì)逐步深入的探究過程?！墩n程標(biāo)準(zhǔn)》指出，在高中物理課程中，應(yīng)注重科學(xué)探究，尤其應(yīng)注重物理實驗，這在培養(yǎng)學(xué)生的探究能力和科學(xué)態(tài)度方面具有重要地位。注重科學(xué)探究的實質(zhì)是注重真正體現(xiàn)物理學(xué)研究過程和方法的物理實驗，這與深度學(xué)習(xí)的理念十分吻合。［2］基于這樣的認(rèn)識，本文以2019年教育科學(xué)出版社出版的高中物理選擇性必修第二冊第64頁中的“探究正弦式交變電流的有效值與最大值關(guān)系”為例，從促進學(xué)生深度學(xué)習(xí)的角度出發(fā)，探討如何利用物理實驗探究的過程，制定有效的實踐方案以突破教學(xué)中的重難點。

1"研讀《課程標(biāo)準(zhǔn)》，定位教學(xué)內(nèi)容

1.1"實驗教學(xué)內(nèi)容分析

《課程標(biāo)準(zhǔn)》中關(guān)于交變電流這部分內(nèi)容的要求：通過實驗，認(rèn)識交變電流，能用公式和圖像描述正弦交變電流。用示波器或其他設(shè)備觀察交變電流的波形，并測算其峰值和有效值。［3］具體來說，交變電流的峰值表明交變電流在變化過程中所能達到的最大值，反映了交變電流的變化范圍；而有效值反映的是交變電流的熱效應(yīng)在時間上的平均效果。

1.2"實驗教學(xué)價值分析

教材在引入交變電流有效值的概念后，就直接給出了正弦式交變電流的有效值和最大值的關(guān)系。學(xué)生在學(xué)習(xí)這部分內(nèi)容時，由于數(shù)學(xué)知識的儲備不足，無法通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)來驗證這一關(guān)系，這會導(dǎo)致學(xué)生在建構(gòu)知識體系的過程中出現(xiàn)認(rèn)知斷層，進而影響學(xué)生對這部分內(nèi)容的深入理解與內(nèi)化，阻礙知識的遷移與應(yīng)用，使得核心素養(yǎng)的培育難以落到實處。

《課程標(biāo)準(zhǔn)》的教學(xué)理念強調(diào)學(xué)生獲取知識的過程，探究正弦式交變電流的有效值與最大值的關(guān)系，可以很好地引導(dǎo)學(xué)生從物理實驗和數(shù)學(xué)方法的角度進行探索。

交流電的有效值是通過電流的熱效應(yīng)來定義的，教師如何幫助學(xué)生認(rèn)識到這一點，并體會這種操作性定義的過程呢？能否通過實驗讓學(xué)生對正弦式交流電的有效值與最大值的關(guān)系產(chǎn)生感性認(rèn)識？基于對以上兩個問題的思考，筆者在建構(gòu)正弦式交變電流的有效值和最大值關(guān)系的教學(xué)時，設(shè)計了實驗探究過程，讓學(xué)生在獲得可靠、豐富的實驗數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，通過分析數(shù)據(jù)、發(fā)現(xiàn)規(guī)律，進而歸納出簡潔的、具有普遍意義的物理概念。這種形成概念的過程，不僅能夠幫助學(xué)生掌握重點、突破難點，實現(xiàn)從感性認(rèn)識到理性認(rèn)識的飛躍，更重要的是對激發(fā)學(xué)習(xí)興趣、樹立科學(xué)思想、培養(yǎng)實事求是的科學(xué)態(tài)度和創(chuàng)新精神均能產(chǎn)生積極的作用。

2"分析學(xué)生情況，把握學(xué)習(xí)起點

2.1"學(xué)生原有知識與技能分析

第一，學(xué)生通過學(xué)習(xí)，知道正弦式交變電流的大小和方向都隨時間發(fā)生周期性的變化，知道交變電流的平均值、峰值、瞬時值的概念，但缺少從能量角度描述電流特性的概念。

第二，通過焦耳定律的學(xué)習(xí)，學(xué)生知道了對于純電阻電路，外電路在某段時間內(nèi)消耗的電能全部轉(zhuǎn)化為熱能，即Q＝W＝UIt＝I2Rt＝U2Rt。

第三，知道水的質(zhì)量、水的比熱容、水的初溫和末溫，利用吸熱公式Q吸＝cmΔT可求得水吸收的熱量。

第四，知道傳感器在測量和記錄電壓、電流、溫度等物理量方面的便利性。

2.2"學(xué)生可能遇到的困難與障礙分析

第一，教材在對交變電流有效值的定義中沒有向?qū)W生提供實際可行的操作實驗，學(xué)生無法從實驗上獲得較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)來支持結(jié)論。

第二，限于學(xué)生自身的數(shù)學(xué)知識，大部分學(xué)生無法對正弦式交變電流的有效值和最大值之間的關(guān)系進行數(shù)學(xué)推導(dǎo)。

第三，因缺少直觀上的感性認(rèn)識，學(xué)生往往把交變電流的有效值理解為交變電流的平均值。

2.3"立足學(xué)生需求，確定教學(xué)目標(biāo)

教學(xué)目標(biāo)1：通過分組實驗，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性，讓學(xué)生獲取真實的感性認(rèn)識，知道正弦式交變電流有效值的定義方法，并進一步理解物理學(xué)中“熱的等效”的能量觀念。

教學(xué)目標(biāo)2：通過探究性實驗，在可靠的實驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上得出正弦式交變電流的有效值與最大值的關(guān)系并正確理解交變電流的有效值。

教學(xué)目標(biāo)3：讓學(xué)生感受通過實驗建構(gòu)物理概念和規(guī)律的過程，從而提高學(xué)生的基本實驗技能，幫助學(xué)生樹立科學(xué)思想，培養(yǎng)實事求是的科學(xué)態(tài)度。

3"開展課堂教學(xué)，建構(gòu)物理規(guī)律

3.1"提出問題，引發(fā)探究

教師應(yīng)從學(xué)生熟悉的電流的熱效應(yīng)現(xiàn)象出發(fā)，創(chuàng)設(shè)情境，激發(fā)學(xué)生的認(rèn)知需求和創(chuàng)新欲望，使學(xué)生從情感、思維和行為上主動參與學(xué)習(xí)，從而促使學(xué)生從能量角度思考描述電流特性的概念。

問題引入：我們知道電流具有熱效應(yīng)，在純電阻電路中，恒定電流產(chǎn)生的熱可以用Q＝I2Rt＝

U2Rt計算。而生活中利用交變電流產(chǎn)生熱的事例很多，比如電飯煲、電熱毯、電熱水壺等。那么，當(dāng)正弦式交流電加在一個電阻R的兩端時，我們應(yīng)該如何計算一段時間內(nèi)在該電阻上產(chǎn)生的焦耳熱呢？是不是利用峰值電壓Um替代公式中的U直接進行計算？該如何通過實驗來驗證你的猜想呢？

3.2"設(shè)計實驗，展開探究

體現(xiàn)“教師為主導(dǎo)，學(xué)生為主體”的教學(xué)思想，以學(xué)生的實驗探究學(xué)習(xí)為主線來組織課堂教學(xué)活動，鼓勵學(xué)生主動參與、主動探索、主動思考、主動操作、主動評價。

學(xué)生經(jīng)過思考、討論后提出：可以利用電阻絲給水加熱的方法，測量一定質(zhì)量的水在一段時間內(nèi)的溫度變化，比較正弦式交變電流的最大值Um，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，通過公式Q＝cmΔT＝U2Rt計算得出的電壓值U。

教師對學(xué)生的方案予以肯定，隨后學(xué)生在教師的引導(dǎo)下列舉需要測量的物理量以及需要用到的實驗儀器。在設(shè)計和完善實驗方案的過程中，教師提醒學(xué)生實驗過程中需要注意減少加熱過程中的熱量損失。

3.3"利用電流的熱效應(yīng)探究正弦式交變電流的等效電壓值U與最大值Um的關(guān)系

3.3.1"實驗器材

J1202型高中學(xué)生電源、DISLab數(shù)據(jù)采集器、量熱器（加熱電阻3Ω）、水、量筒、電壓傳感器、電流傳感器、溫度傳感器、電腦、滑動變阻器、開關(guān)、導(dǎo)線等。

3.3.2"實驗步驟

步驟一：根據(jù)實驗電路原理圖（見圖1），連接實驗電路。

步驟二：電源選擇交流8V擋；滑動變阻器的滑片調(diào)節(jié)至阻值最大的位置；將傳感器通過數(shù)據(jù)采集器連接至電腦，打開測量程序。檢查電路無誤后，閉合開關(guān)，調(diào)節(jié)滑動變阻器的滑片到合適位置。

步驟三：在水的溫度上升10℃左右的過程中，通過電腦實時記錄電阻絲兩端的電壓U、通過電阻絲的電流I、量熱器內(nèi)水的溫度T以及加熱時間t。

步驟四：調(diào)整實驗參數(shù)進行多次測量，得到多組實驗數(shù)據(jù)后，斷開電源開關(guān)，并整理實驗儀器。

步驟五：根據(jù)實驗過程中記錄的數(shù)據(jù)，將相應(yīng)的測量結(jié)果和計算結(jié)果填在實驗數(shù)據(jù)記錄分析表中（見表1）。

3.3.3"實驗結(jié)論

通過對實驗數(shù)據(jù)的分析，得到實驗結(jié)論：當(dāng)正弦式交變電流加在電阻R兩端時，利用公式Q＝U2Rt計算得出的U不是正弦式交變電流的最大值Um，但Um與此值的比值基本是一個定值。

教師指出：我們定義這個U為交流電電壓的有效值。即有效值的定義為：讓交流電與恒定電流分別通過大小相同的電阻，如果在交流電的一個周期內(nèi)它們產(chǎn)生的熱量相等，而這個恒定電流是I，電壓是U，我們就把I、U稱為這個交流電的有效值。

通過此實驗的探究過程，學(xué)生真正理解了交流電有效值的定義中所包含的“熱的等效”思想，即有效值是根據(jù)電流的熱效應(yīng)，從交、直流對電阻做功等效的思想引出的；以及“從變化的交流電到不變的直流電”的轉(zhuǎn)化和簡化的思想。

3.3.4"實驗評價

教師在完成上述實驗的操作后，引導(dǎo)學(xué)生分析利用電流的熱效應(yīng)探究U和Um關(guān)系實驗的優(yōu)缺點。

學(xué)生通過反思整個實驗的過程，容易發(fā)現(xiàn)：該方案的優(yōu)點是原理簡單，缺點是實驗時間比較長，熱量損失不可避免，實驗誤差比較大。

討論實驗方案的優(yōu)缺點，是為了引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)有效值的定義再次進行深入思考：如何精確的探究U和Um關(guān)系。整個教學(xué)過程遵循由淺入深、師生互動的原則。

3.4"利用轉(zhuǎn)化法探究正弦式交變電流的有效值與最大值的關(guān)系

學(xué)生通過上述實驗，在觀察和體驗后有所發(fā)現(xiàn)、有所聯(lián)想，在教師引導(dǎo)下繼續(xù)探究新的科學(xué)問題。

教師提出新問題：上述實驗中得到的有效值與峰值之間是否存在確定的比值關(guān)系呢？能否通過實驗較為準(zhǔn)確地得到正弦式交變電流的有效值U和最大值Um之間的關(guān)系呢？

教師引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)電流流過小燈泡，使小燈泡發(fā)光的過程進行分析，發(fā)現(xiàn)小燈泡的亮度與小燈泡燈絲的發(fā)熱量存在一一對應(yīng)關(guān)系。而且燈泡的亮度對電流變化的響應(yīng)速度快，由此得到改進的實驗方案：將同一個小燈泡，分別連接在直流電路和交流電路中，通過調(diào)節(jié)小燈泡兩端的電壓使小燈泡在不同電路中的亮度相同，然后比較這兩個電壓之間的關(guān)系。

教師提問：實驗中如何判斷同一燈泡前后的亮度是否相同？能否直接用肉眼觀察來判斷？

通過教師的引導(dǎo)，學(xué)生意識到單靠肉眼來判斷小燈泡亮度是否相同的方案很難實現(xiàn)。因此，在判斷小燈泡亮度是否相同的問題上，教師引導(dǎo)學(xué)生回顧初中學(xué)習(xí)時光敏電阻的特點：光敏電阻的阻值會隨著光照條件的不同而變化，入射光增強，電阻減小；入射光減弱，電阻增大。在此基礎(chǔ)上，學(xué)生不難提出利用光敏電阻監(jiān)測小燈泡發(fā)光亮度的實驗方案。實驗電路原理圖如圖2所示。

3.4.1"實驗器材

J1202型高中學(xué)生電源、DISLab數(shù)據(jù)采集器、電壓傳感器、電腦、光敏電阻、小燈泡（4.8V，2W）、黑箱、數(shù)字萬用表、滑動變阻器（15Ω，1A）、開關(guān)、導(dǎo)線等。

3.4.2"實驗步驟

步驟一：根據(jù)實驗電路原理圖，連接實驗電路。

步驟二：將小燈泡和光敏電阻固定在黑箱中。

步驟三：將數(shù)字萬用表調(diào)至歐姆擋，測量范圍選擇×2k擋；電源選擇交流擋，并將輸出電壓調(diào)至最低；滑動變阻器的滑片調(diào)節(jié)至阻值中間的位置；將傳感器通過數(shù)據(jù)采集器連接至電腦，打開測量程序。

步驟四：檢查電路無誤后，閉合開關(guān)，逐漸增大輸出電壓，記錄小燈泡不同的發(fā)光情況下所對應(yīng)的電壓最大值U1和此時光敏電阻的阻值Rx。

步驟五：斷開開關(guān)，電源轉(zhuǎn)換為直流擋，并將輸出電壓調(diào)至最低；檢查電路無誤后，閉合開關(guān)。

步驟六：逐漸增大直流輸出電壓，并調(diào)節(jié)滑動變阻器，注意觀察數(shù)字萬用表的電阻讀數(shù)，當(dāng)顯示阻值與步驟四中記錄的每一個阻值近似相等時，記錄此時的直流電壓值U2。

步驟七：斷開電源開關(guān)，整理實驗器材。

步驟八：根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)計算出U1U2的值，將結(jié)果填在實驗數(shù)據(jù)記錄分析表中（見表2）。

3.4.3"實驗結(jié)論

由實驗數(shù)據(jù)，分析得到實驗結(jié)論：正弦式交變電流的最大值與有效值的比值是定值，比值約為1.412。

3.4.4"實驗評價

通過上述改進實驗，學(xué)生較為精確地得出了正弦式交變電流的最大值與有效值之間的關(guān)系。然而，教師需要向?qū)W生明確指出，高中物理學(xué)習(xí)強調(diào)理論與實驗的結(jié)合。完整的物理規(guī)律建構(gòu)過程，不僅需要通過實驗得出規(guī)律，還需要從理論上解釋實驗所得規(guī)律，以此實現(xiàn)理論與實驗的相互印證和統(tǒng)一。就本節(jié)課而言，建議學(xué)生課后通過查閱資料，嘗試進行理論推導(dǎo)，以深化對物理規(guī)律的理解。

3.5"分析歸納，形成規(guī)律

師生總結(jié)：一般交變電流的有效值與最大值之間的關(guān)系是復(fù)雜的，而對于正弦式交變電流，理論和實驗都證明了二者具有簡單的關(guān)系，即Um＝2U和Im＝2I。

3.6"整合提升，拓展延伸

深度學(xué)習(xí)強調(diào)知識的整合，提倡將新知識與已知概念和原理聯(lián)系起來，整合到原有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)中，從而使得學(xué)生能夠理解新的知識信息并對知識進行遷移應(yīng)用。

教師提出一個引申思考題：我們知道電流具有三大效應(yīng)，即磁效應(yīng)、熱效應(yīng)和化學(xué)效應(yīng)，那么，我們能不能利用磁效應(yīng)或者化學(xué)效應(yīng)定義交變電流的有效值？

此問題旨在發(fā)展學(xué)生的高階思維，引發(fā)學(xué)生進一步的思考。學(xué)生課下通過查閱資料，主動地完成知識建構(gòu)過程，從而實現(xiàn)深度學(xué)習(xí)。

4"教學(xué)效果分析與評價

深度學(xué)習(xí)著重于主動的知識建構(gòu)過程，學(xué)生并非簡單被動地接收信息，而是積極地建構(gòu)知識的意義，這一過程具有不可替代性。在本節(jié)課的教學(xué)設(shè)計中，我們基于學(xué)生已有的經(jīng)驗和認(rèn)知，設(shè)定了旨在促進學(xué)生思維進階的教學(xué)目標(biāo)。課堂上，我們采用實驗探究的教學(xué)模式，賦予學(xué)生探索交變電流有效值的主動權(quán)，使他們成為“有效值”這一物理概念的主動探索者和加工者，從而充分挖掘?qū)W生的潛能，激發(fā)學(xué)生的質(zhì)疑精神、創(chuàng)新精神和實踐能力，有效規(guī)避了教師單向灌輸?shù)慕虒W(xué)模式，真正實現(xiàn)了自主探究與深度學(xué)習(xí)的融合。

整個教學(xué)過程層次分明，邏輯嚴(yán)謹(jǐn)。通過實驗環(huán)節(jié)的引入，不僅增強了教學(xué)的說服力和可信度，還有效防止了學(xué)生出現(xiàn)認(rèn)知上的斷層。學(xué)生在探究過程中親身體驗，自主總結(jié)規(guī)律，深刻感受到了探究的魅力，享受到了科學(xué)描述和解釋自然現(xiàn)象的樂趣，這一過程不僅鍛煉了他們的科學(xué)思維，也促進了深度學(xué)習(xí)的有效發(fā)生。同時，通過探究體驗，學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)的理解得到了提升，有力地推動了物理學(xué)科核心素養(yǎng)的達成。

參考文獻

［1］［3］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2020年修訂）［M］.北京：人民教育出版社，2020：4，29.

［2］傅竹偉.在高中物理教學(xué)中促進學(xué)生深度學(xué)習(xí)的策略探究［J］.物理教師，2014，35（4）：6"-7，15.

基金項目：本文系北京物理學(xué)會2024"-2025年度教育教學(xué)科研立項課題“指向核心素養(yǎng)的高中物理實驗教學(xué)實踐研究”（課題編號：WLXH241073）的階段性研究成果。