数字化实验和传统实验整合的实践和探索——以“互感和自感”教学为例

孙 欢

南京市第九中学，南京 210000

物理是以实验为基础的学科，每一个概念和规律的得出都离不开实验的支撑，如何在实验中直观显示现象、准确获得数据一直是物理教育工作者研究的热点。随着信息技术的快速发展，现代技术和实验为一体的数字化实验被广泛地应用于物理、化学等学科。

1 数字化实验和传统实验的对比

传统物理实验是指利用生活中常见的物品或者近代物理学中的经典仪器（例如，秒表、米尺、天平、弹簧秤、打点计时器、电压表、电流表等），人为地控制或模拟物理现象的过程[1]。数字化信息系统（DIS）是由“传感器+数据采集器+实验软件包+计算机”构成的新型实验系统，在保留了实验对象操作、装置架设、过程设置和调控的真实性基础上，充分发挥了信息技术的优势[2]：首先，通过多类型传感器，扩大了物理实验的测量范围。不仅可以测量经典仪器难以测量的物理量（例如，磁感应强度B、电荷量Q等），还可以测量瞬间产生或快速变化的物理量（例如，瞬时速度v、变力F等）；其次，通过多通道数据采集器，可以同时对同一研究对象的多个物理量进行测量；最后，通过计算机强大的运算功能，快速描绘图像揭示所测数据之间的关系[3]。

数字化实验因为使用了传感器和计算机，所以在测量数据和分析数据方面和传统实验存在较大差异，如表1所示。

表1 数字化实验和传统实验的对比

通过以上比较，我们发现数字化实验在诸多方面具有明显的优势——实验数据测量的数字化、实时化、简单化和实验规律可视化。然而，数字化实验系统的引入并不意味着否定传统实验，因为其数据依然来自于传统的实验装置，很多实验探究依然需要结合传统实验现象。另外，我们也必须明确作为教学的物理实验和科研中的实验有个重要的区别，那就是教学中物理实验的设计不仅要体现物理思想、符合科学原则，而且还必须反映教学思想、符合教学原则[3]。例如，探究机械能守恒定律实验，以在绳子牵引下做圆周运动的小球为研究对象，数字化实验能够快速运算并作图得出：小球的动能和势能的总和保持不变，但是这样的实验结论因为缺少学生的参与而难以让学生信服。该实验的教学目的，旨在希望学生利用已学知识——动能和势能，计算得出物体只在重力或弹力做功系统内，物体系统的动能和势能总和保持不变。数字化手段的自动计算和作图代替了学生的探究和思考，也使得该实验丧失了其本有的教学价值。而传统实验中又难以测量物体的瞬时速度，那如何在教学中开展好探究实验？这就需要整合数字化实验和传统实验。

2 数字化实验和传统实验整合的实践

以人教版选修3-2第四章第六节《互感和自感》教学片段为例，通过整合数字化实验和传统实验的优势，实现了更好的实验教学效果。

片段1：观察通电自感现象并理论分析

任务1：按照如图1所示的电路图搭建好电路，调节L1和L2的亮度一致，闭合开关，观察现象。

图1 通电自感现象电路图

通电自感实验现象持续时间较短，因而实验效果不是特别理想。教学中可以拍摄慢镜头动作视频，让学生再次观察现象，发现线圈支路的灯泡L1后亮。

任务2：理论分析并验证L1后亮的原因。

问题1：开关闭合，原电流的方向？感应电流的方向？

问题2：感应电流的作用是什么？

问题3：由于自感电动势的存在，开关闭合，流过L1、L2支路的电流 I1、I2随时间是怎么变化的？在图2中描绘出I-t图像。

图2 通电自感电流随时间变化的规律

电流随时间变化的规律是否和同学们分析的一致，通过实验进一步验证，将图1电路图中的灯泡换成电流表（如图3所示）。实验中电流表选用的是电流传感器，它和计算机连接，能够实时地描绘出电流随时间变化的图像。先闭合开关，再断开开关，观察到如图4所示的图像[4]。

图3 数字化实验电路图

图4 电流随时间变化图像

思考1：图像中哪个颜色描绘的是线圈支路？为什么？

思考2：再观察图像，看看还能发现什么？这个是什么操作时产生的？说明断电也可能存在什么现象？

片段2：理论分析断电自感现象并验证

任务1：搭建如图5所示的简单电路，思考闭合开关瞬间、待电路稳定后、断开开关瞬间线圈中感应电流的方向？预测可能会看到什么样的现象？

验证断电自感现象，断开开关瞬间，注意观察灯泡L的变化。思考流过灯泡L的电流方向和大小发生了怎样的变化？

任务2：考虑到灯泡电阻随温度变化比较明显，对电流测量会产生影响，将图5的灯泡替换为电阻并串联一个电流表传感器，如图6所示，验证电阻支路的电流方向是否反向，大小是否增加。

图5 断电自感现象电路图

图6 数字化实验电路图

问题1：观察图7所示的电流变化规律，总结断电自感中感应电流的作用；结合通电自感中感应电流的作用，归纳感应电流的作用。

图7 电流随时间变化的规律

问题2：分析图3电路在断开开关瞬间，电流的变化情况，并解释图4中电流产生尖端的原因。

3 数字化实验和传统实验整合案例分析

互感和自感现象是“楞次定律”和“法拉第电磁感应定律”的实际应用，要求学生通过判断感应电流的方向和大小分析现象产生的原因。如果我们在教学中利用数字化实验直接描绘出电流随时间变化的规律，这将会替代学生的思考，使得实验丧失它本有的教学目的。因此，在演示通断电自感现象教学中，我们整合了数字化实验和传统实验。

3.1 整合数据测量仪器

教学片断1中学生通过传统实验的慢镜头动作发现线圈支路灯泡后亮，用具体、直观的现象代替了抽象的概念讲解，帮助学生对“自感”形成表象表征。再通过理论分析将“自感”这一概念和“电磁感应”建立联系，然后利用实验验证进一步加深学生对于概念的理解。但是，传统实验中的电流表无法测量动态连续的数据，这就需要将电流传感器整合到传统实验中。实验过程中两条电流曲线变化上的差异，让学生对“自感”概念有了更具体的感知。

教学片断2中依然是从现象出发，和片断1不同的是，我们先引导学生对实验进行理论分析，预估可能出现的现象，再进行实验观察，最后整合数字化实验中的电流传感器进行验证。

任何概念和规律的学习都离不开具体的现象和例子的支撑，所以本节课在学习通断电自感现象时，都是先利用传统实验器材进行直观的现象观察，帮助学生形成表象，为后续的概念形成奠定基础。储存在头脑中的概念都不是单独存在的，它必然和其他概念之间存在联系，因此教学中我们要帮助学生形成知识网络，这就要求对现象进行理论分析和验证，从而促进学生将新的概念纳入到原有的知识体系中。本节课利用数字化实验中的电流传感器测量动态变化的电流大小，帮助学生自主思考，总结出自感现象中感应电流的作用是阻碍电流的变化，这其实就是楞次定律（感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化）的延伸，学生很自然地就能将“互感和自感”概念纳入到“电磁感应应用”中。

3.2 整合数据分析方式

教学片断1中，学生在对通电自感现象理论分析的基础上，描绘了电流随时间变化的规律，再和数字化实验中测量描绘的图像进行对比，加深了学生对于感应电流作用的理解。教学片断2中我们再次对数字化实验呈现的图像进行分析，进一步理解了断电时的自感现象，为自感电动势大小的学习奠定基础。

课标中对于自感的要求是：了解自感现象，并能举例说明自感现象。对自感电动势大小的计算并没有要求。教学中如果只呈现传统实验，那么学生对自感现象的认识就会停留在表面，无法理解自感为何是电磁感应的应用。数字化实验可以将采集到的电流数据以图像形式呈现，不仅将感性的实验现象数据化，还用形象、直观的图像描绘了数据间的规律。这样一方面有利于学生的思维聚焦于实验数据的分析，从而形成更高层次的认知（理解感应电流的作用是阻碍电流变化）。另一方面也有助于培养学生读图和解析数据的能力，实现实验教学目标（用坐标系呈现实验数据，根据数据描绘曲线，根据曲线判断图像及其物理意义，或者形成经验曲线并进而获得数学解析式，是实验教学中的重要内容[5]）。

通过以上的分析，我们发现数字化实验操作简洁方便、测量范围广泛、数据实时精确，不仅能缩短课堂实验的时间使学生思维聚焦，还能帮助学生将具体的现象抽象形成概念或规律。但这样快速、简洁的实验过程也会造成教学中忽略了学生对实验原理和方法的思考，因此我们必须重视传统实验的优势：传统实验的现象直观、明显，不仅能激发学生的探究兴趣，同时还可以丰富学生对概念或规律的感性认识。传统实验的器材相对生活化，一方面有利于创设真实的物理情境，另一方面有利于学生理解实验的操作步骤及原理。传统实验的数据测量依赖于学生自己，能更好地培养学生的观察能力和操作能力，同时帮助学生学会处理数据从而展开合理的猜想。传统实验的数据分析以学生对物理量之间关系的猜想为起点，结合Excel或其他方式描点绘图形成的图像，最终得出结论，这样的探究过程更符合学生的认知规律，也更有利于培养学生的科学素养。

4结语

正如列宁所说：“从生动的直观到抽象的思维，并从抽象的思维到实践，这就是认识真理、认识客观实在的辩证途径。”因此物理教学过程中，我们首先通过观察实例形成知觉表象，再通过不断抽象，将概念或规律图式化放入原有的知识网络中，进而通过调用图式来解决问题。这就要求教师在课前准备实验时，在明确教学目标的基础上，充分整合传统实验和数字化实验的优势，选择最佳的实验呈现方式，使物理课堂中的实验现象直观、实验数据精确。