數(shù)字化實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)整合的實(shí)踐和探索
——以“互感和自感”教學(xué)為例

孫 歡

南京市第九中學(xué)，南京 210000

物理是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，每一個(gè)概念和規(guī)律的得出都離不開實(shí)驗(yàn)的支撐，如何在實(shí)驗(yàn)中直觀顯示現(xiàn)象、準(zhǔn)確獲得數(shù)據(jù)一直是物理教育工作者研究的熱點(diǎn)。隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)代技術(shù)和實(shí)驗(yàn)為一體的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)被廣泛地應(yīng)用于物理、化學(xué)等學(xué)科。

1 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的對(duì)比

傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)是指利用生活中常見的物品或者近代物理學(xué)中的經(jīng)典儀器（例如，秒表、米尺、天平、彈簧秤、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、電壓表、電流表等），人為地控制或模擬物理現(xiàn)象的過程[1]。數(shù)字化信息系統(tǒng)（DIS）是由“傳感器+數(shù)據(jù)采集器+實(shí)驗(yàn)軟件包+計(jì)算機(jī)”構(gòu)成的新型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在保留了實(shí)驗(yàn)對(duì)象操作、裝置架設(shè)、過程設(shè)置和調(diào)控的真實(shí)性基礎(chǔ)上，充分發(fā)揮了信息技術(shù)的優(yōu)勢(shì)[2]：首先，通過多類型傳感器，擴(kuò)大了物理實(shí)驗(yàn)的測(cè)量范圍。不僅可以測(cè)量經(jīng)典儀器難以測(cè)量的物理量（例如，磁感應(yīng)強(qiáng)度B、電荷量Q等），還可以測(cè)量瞬間產(chǎn)生或快速變化的物理量（例如，瞬時(shí)速度v、變力F等）；其次，通過多通道數(shù)據(jù)采集器，可以同時(shí)對(duì)同一研究對(duì)象的多個(gè)物理量進(jìn)行測(cè)量；最后，通過計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的運(yùn)算功能，快速描繪圖像揭示所測(cè)數(shù)據(jù)之間的關(guān)系[3]。

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)因?yàn)槭褂昧藗鞲衅骱陀?jì)算機(jī)，所以在測(cè)量數(shù)據(jù)和分析數(shù)據(jù)方面和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)存在較大差異，如表1所示。

表1 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的對(duì)比

通過以上比較，我們發(fā)現(xiàn)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在諸多方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)——實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量的數(shù)字化、實(shí)時(shí)化、簡單化和實(shí)驗(yàn)規(guī)律可視化。然而，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的引入并不意味著否定傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，因?yàn)槠鋽?shù)據(jù)依然來自于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置，很多實(shí)驗(yàn)探究依然需要結(jié)合傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。另外，我們也必須明確作為教學(xué)的物理實(shí)驗(yàn)和科研中的實(shí)驗(yàn)有個(gè)重要的區(qū)別，那就是教學(xué)中物理實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)不僅要體現(xiàn)物理思想、符合科學(xué)原則，而且還必須反映教學(xué)思想、符合教學(xué)原則[3]。例如，探究機(jī)械能守恒定律實(shí)驗(yàn)，以在繩子牽引下做圓周運(yùn)動(dòng)的小球?yàn)檠芯繉?duì)象，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚩焖龠\(yùn)算并作圖得出：小球的動(dòng)能和勢(shì)能的總和保持不變，但是這樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)論因?yàn)槿鄙賹W(xué)生的參與而難以讓學(xué)生信服。該實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目的，旨在希望學(xué)生利用已學(xué)知識(shí)——?jiǎng)幽芎蛣?shì)能，計(jì)算得出物體只在重力或彈力做功系統(tǒng)內(nèi)，物體系統(tǒng)的動(dòng)能和勢(shì)能總和保持不變。數(shù)字化手段的自動(dòng)計(jì)算和作圖代替了學(xué)生的探究和思考，也使得該實(shí)驗(yàn)喪失了其本有的教學(xué)價(jià)值。而傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中又難以測(cè)量物體的瞬時(shí)速度，那如何在教學(xué)中開展好探究實(shí)驗(yàn)？這就需要整合數(shù)字化實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。

2 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)整合的實(shí)踐

以人教版選修3-2第四章第六節(jié)《互感和自感》教學(xué)片段為例，通過整合數(shù)字化實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了更好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

片段1：觀察通電自感現(xiàn)象并理論分析

任務(wù)1：按照如圖1所示的電路圖搭建好電路，調(diào)節(jié)L1和L2的亮度一致，閉合開關(guān)，觀察現(xiàn)象。

圖1 通電自感現(xiàn)象電路圖

通電自感實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象持續(xù)時(shí)間較短，因而實(shí)驗(yàn)效果不是特別理想。教學(xué)中可以拍攝慢鏡頭動(dòng)作視頻，讓學(xué)生再次觀察現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)線圈支路的燈泡L1后亮。

任務(wù)2：理論分析并驗(yàn)證L1后亮的原因。

問題1：開關(guān)閉合，原電流的方向？感應(yīng)電流的方向？

問題2：感應(yīng)電流的作用是什么？

問題3：由于自感電動(dòng)勢(shì)的存在，開關(guān)閉合，流過L1、L2支路的電流 I1、I2隨時(shí)間是怎么變化的？在圖2中描繪出I-t圖像。

圖2 通電自感電流隨時(shí)間變化的規(guī)律

電流隨時(shí)間變化的規(guī)律是否和同學(xué)們分析的一致，通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證，將圖1電路圖中的燈泡換成電流表（如圖3所示）。實(shí)驗(yàn)中電流表選用的是電流傳感器，它和計(jì)算機(jī)連接，能夠?qū)崟r(shí)地描繪出電流隨時(shí)間變化的圖像。先閉合開關(guān)，再斷開開關(guān)，觀察到如圖4所示的圖像[4]。

圖3 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)電路圖

圖4 電流隨時(shí)間變化圖像

思考1：圖像中哪個(gè)顏色描繪的是線圈支路？為什么？

思考2：再觀察圖像，看看還能發(fā)現(xiàn)什么？這個(gè)是什么操作時(shí)產(chǎn)生的？說明斷電也可能存在什么現(xiàn)象？

片段2：理論分析斷電自感現(xiàn)象并驗(yàn)證

任務(wù)1：搭建如圖5所示的簡單電路，思考閉合開關(guān)瞬間、待電路穩(wěn)定后、斷開開關(guān)瞬間線圈中感應(yīng)電流的方向？預(yù)測(cè)可能會(huì)看到什么樣的現(xiàn)象？

驗(yàn)證斷電自感現(xiàn)象，斷開開關(guān)瞬間，注意觀察燈泡L的變化。思考流過燈泡L的電流方向和大小發(fā)生了怎樣的變化？

任務(wù)2：考慮到燈泡電阻隨溫度變化比較明顯，對(duì)電流測(cè)量會(huì)產(chǎn)生影響，將圖5的燈泡替換為電阻并串聯(lián)一個(gè)電流表傳感器，如圖6所示，驗(yàn)證電阻支路的電流方向是否反向，大小是否增加。

圖5 斷電自感現(xiàn)象電路圖

圖6 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)電路圖

問題1：觀察圖7所示的電流變化規(guī)律，總結(jié)斷電自感中感應(yīng)電流的作用；結(jié)合通電自感中感應(yīng)電流的作用，歸納感應(yīng)電流的作用。

圖7 電流隨時(shí)間變化的規(guī)律

問題2：分析圖3電路在斷開開關(guān)瞬間，電流的變化情況，并解釋圖4中電流產(chǎn)生尖端的原因。

3 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)整合案例分析

互感和自感現(xiàn)象是“楞次定律”和“法拉第電磁感應(yīng)定律”的實(shí)際應(yīng)用，要求學(xué)生通過判斷感應(yīng)電流的方向和大小分析現(xiàn)象產(chǎn)生的原因。如果我們?cè)诮虒W(xué)中利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)直接描繪出電流隨時(shí)間變化的規(guī)律，這將會(huì)替代學(xué)生的思考，使得實(shí)驗(yàn)喪失它本有的教學(xué)目的。因此，在演示通斷電自感現(xiàn)象教學(xué)中，我們整合了數(shù)字化實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。

3.1 整合數(shù)據(jù)測(cè)量儀器

教學(xué)片斷1中學(xué)生通過傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的慢鏡頭動(dòng)作發(fā)現(xiàn)線圈支路燈泡后亮，用具體、直觀的現(xiàn)象代替了抽象的概念講解，幫助學(xué)生對(duì)“自感”形成表象表征。再通過理論分析將“自感”這一概念和“電磁感應(yīng)”建立聯(lián)系，然后利用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)于概念的理解。但是，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中的電流表無法測(cè)量動(dòng)態(tài)連續(xù)的數(shù)據(jù)，這就需要將電流傳感器整合到傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中。實(shí)驗(yàn)過程中兩條電流曲線變化上的差異，讓學(xué)生對(duì)“自感”概念有了更具體的感知。

教學(xué)片斷2中依然是從現(xiàn)象出發(fā)，和片斷1不同的是，我們先引導(dǎo)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行理論分析，預(yù)估可能出現(xiàn)的現(xiàn)象，再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)觀察，最后整合數(shù)字化實(shí)驗(yàn)中的電流傳感器進(jìn)行驗(yàn)證。

任何概念和規(guī)律的學(xué)習(xí)都離不開具體的現(xiàn)象和例子的支撐，所以本節(jié)課在學(xué)習(xí)通斷電自感現(xiàn)象時(shí)，都是先利用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行直觀的現(xiàn)象觀察，幫助學(xué)生形成表象，為后續(xù)的概念形成奠定基礎(chǔ)。儲(chǔ)存在頭腦中的概念都不是單獨(dú)存在的，它必然和其他概念之間存在聯(lián)系，因此教學(xué)中我們要幫助學(xué)生形成知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，這就要求對(duì)現(xiàn)象進(jìn)行理論分析和驗(yàn)證，從而促進(jìn)學(xué)生將新的概念納入到原有的知識(shí)體系中。本節(jié)課利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)中的電流傳感器測(cè)量動(dòng)態(tài)變化的電流大小，幫助學(xué)生自主思考，總結(jié)出自感現(xiàn)象中感應(yīng)電流的作用是阻礙電流的變化，這其實(shí)就是楞次定律（感應(yīng)電流的磁場(chǎng)總要阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化）的延伸，學(xué)生很自然地就能將“互感和自感”概念納入到“電磁感應(yīng)應(yīng)用”中。

3.2 整合數(shù)據(jù)分析方式

教學(xué)片斷1中，學(xué)生在對(duì)通電自感現(xiàn)象理論分析的基礎(chǔ)上，描繪了電流隨時(shí)間變化的規(guī)律，再和數(shù)字化實(shí)驗(yàn)中測(cè)量描繪的圖像進(jìn)行對(duì)比，加深了學(xué)生對(duì)于感應(yīng)電流作用的理解。教學(xué)片斷2中我們?cè)俅螌?duì)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)呈現(xiàn)的圖像進(jìn)行分析，進(jìn)一步理解了斷電時(shí)的自感現(xiàn)象，為自感電動(dòng)勢(shì)大小的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。

課標(biāo)中對(duì)于自感的要求是：了解自感現(xiàn)象，并能舉例說明自感現(xiàn)象。對(duì)自感電動(dòng)勢(shì)大小的計(jì)算并沒有要求。教學(xué)中如果只呈現(xiàn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，那么學(xué)生對(duì)自感現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)就會(huì)停留在表面，無法理解自感為何是電磁感應(yīng)的應(yīng)用。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)可以將采集到的電流數(shù)據(jù)以圖像形式呈現(xiàn)，不僅將感性的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象數(shù)據(jù)化，還用形象、直觀的圖像描繪了數(shù)據(jù)間的規(guī)律。這樣一方面有利于學(xué)生的思維聚焦于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，從而形成更高層次的認(rèn)知（理解感應(yīng)電流的作用是阻礙電流變化）。另一方面也有助于培養(yǎng)學(xué)生讀圖和解析數(shù)據(jù)的能力，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)（用坐標(biāo)系呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)描繪曲線，根據(jù)曲線判斷圖像及其物理意義，或者形成經(jīng)驗(yàn)曲線并進(jìn)而獲得數(shù)學(xué)解析式，是實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的重要內(nèi)容[5]）。

通過以上的分析，我們發(fā)現(xiàn)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)操作簡潔方便、測(cè)量范圍廣泛、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)精確，不僅能縮短課堂實(shí)驗(yàn)的時(shí)間使學(xué)生思維聚焦，還能幫助學(xué)生將具體的現(xiàn)象抽象形成概念或規(guī)律。但這樣快速、簡潔的實(shí)驗(yàn)過程也會(huì)造成教學(xué)中忽略了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理和方法的思考，因此我們必須重視傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)：傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象直觀、明顯，不僅能激發(fā)學(xué)生的探究興趣，同時(shí)還可以豐富學(xué)生對(duì)概念或規(guī)律的感性認(rèn)識(shí)。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的器材相對(duì)生活化，一方面有利于創(chuàng)設(shè)真實(shí)的物理情境，另一方面有利于學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)的操作步驟及原理。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)測(cè)量依賴于學(xué)生自己，能更好地培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力和操作能力，同時(shí)幫助學(xué)生學(xué)會(huì)處理數(shù)據(jù)從而展開合理的猜想。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析以學(xué)生對(duì)物理量之間關(guān)系的猜想為起點(diǎn)，結(jié)合Excel或其他方式描點(diǎn)繪圖形成的圖像，最終得出結(jié)論，這樣的探究過程更符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，也更有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

4結(jié)語

正如列寧所說：“從生動(dòng)的直觀到抽象的思維，并從抽象的思維到實(shí)踐，這就是認(rèn)識(shí)真理、認(rèn)識(shí)客觀實(shí)在的辯證途徑。”因此物理教學(xué)過程中，我們首先通過觀察實(shí)例形成知覺表象，再通過不斷抽象，將概念或規(guī)律圖式化放入原有的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)中，進(jìn)而通過調(diào)用圖式來解決問題。這就要求教師在課前準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)時(shí)，在明確教學(xué)目標(biāo)的基礎(chǔ)上，充分整合傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)，選擇最佳的實(shí)驗(yàn)呈現(xiàn)方式，使物理課堂中的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象直觀、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)精確。