數字化實驗和傳統實驗整合的實踐和探索
——以“互感和自感”教學為例

孫 歡

南京市第九中學，南京 210000

物理是以實驗為基礎的學科，每一個概念和規律的得出都離不開實驗的支撐，如何在實驗中直觀顯示現象、準確獲得數據一直是物理教育工作者研究的熱點。隨著信息技術的快速發展，現代技術和實驗為一體的數字化實驗被廣泛地應用于物理、化學等學科。

1 數字化實驗和傳統實驗的對比

傳統物理實驗是指利用生活中常見的物品或者近代物理學中的經典儀器（例如，秒表、米尺、天平、彈簧秤、打點計時器、電壓表、電流表等），人為地控制或模擬物理現象的過程[1]。數字化信息系統（DIS）是由“傳感器+數據采集器+實驗軟件包+計算機”構成的新型實驗系統，在保留了實驗對象操作、裝置架設、過程設置和調控的真實性基礎上，充分發揮了信息技術的優勢[2]：首先，通過多類型傳感器，擴大了物理實驗的測量范圍。不僅可以測量經典儀器難以測量的物理量（例如，磁感應強度B、電荷量Q等），還可以測量瞬間產生或快速變化的物理量（例如，瞬時速度v、變力F等）；其次，通過多通道數據采集器，可以同時對同一研究對象的多個物理量進行測量；最后，通過計算機強大的運算功能，快速描繪圖像揭示所測數據之間的關系[3]。

數字化實驗因為使用了傳感器和計算機，所以在測量數據和分析數據方面和傳統實驗存在較大差異，如表1所示。

表1 數字化實驗和傳統實驗的對比

通過以上比較，我們發現數字化實驗在諸多方面具有明顯的優勢——實驗數據測量的數字化、實時化、簡單化和實驗規律可視化。然而，數字化實驗系統的引入并不意味著否定傳統實驗，因為其數據依然來自于傳統的實驗裝置，很多實驗探究依然需要結合傳統實驗現象。另外，我們也必須明確作為教學的物理實驗和科研中的實驗有個重要的區別，那就是教學中物理實驗的設計不僅要體現物理思想、符合科學原則，而且還必須反映教學思想、符合教學原則[3]。例如，探究機械能守恒定律實驗，以在繩子牽引下做圓周運動的小球為研究對象，數字化實驗能夠快速運算并作圖得出：小球的動能和勢能的總和保持不變，但是這樣的實驗結論因為缺少學生的參與而難以讓學生信服。該實驗的教學目的，旨在希望學生利用已學知識——動能和勢能，計算得出物體只在重力或彈力做功系統內，物體系統的動能和勢能總和保持不變。數字化手段的自動計算和作圖代替了學生的探究和思考，也使得該實驗喪失了其本有的教學價值。而傳統實驗中又難以測量物體的瞬時速度，那如何在教學中開展好探究實驗？這就需要整合數字化實驗和傳統實驗。

2 數字化實驗和傳統實驗整合的實踐

以人教版選修3-2第四章第六節《互感和自感》教學片段為例，通過整合數字化實驗和傳統實驗的優勢，實現了更好的實驗教學效果。

片段1：觀察通電自感現象并理論分析

任務1：按照如圖1所示的電路圖搭建好電路，調節L1和L2的亮度一致，閉合開關，觀察現象。

圖1 通電自感現象電路圖

通電自感實驗現象持續時間較短，因而實驗效果不是特別理想。教學中可以拍攝慢鏡頭動作視頻，讓學生再次觀察現象，發現線圈支路的燈泡L1后亮。

任務2：理論分析并驗證L1后亮的原因。

問題1：開關閉合，原電流的方向？感應電流的方向？

問題2：感應電流的作用是什么？

問題3：由于自感電動勢的存在，開關閉合，流過L1、L2支路的電流 I1、I2隨時間是怎么變化的？在圖2中描繪出I-t圖像。

圖2 通電自感電流隨時間變化的規律

電流隨時間變化的規律是否和同學們分析的一致，通過實驗進一步驗證，將圖1電路圖中的燈泡換成電流表（如圖3所示）。實驗中電流表選用的是電流傳感器，它和計算機連接，能夠實時地描繪出電流隨時間變化的圖像。先閉合開關，再斷開開關，觀察到如圖4所示的圖像[4]。

圖3 數字化實驗電路圖

圖4 電流隨時間變化圖像

思考1：圖像中哪個顏色描繪的是線圈支路？為什么？

思考2：再觀察圖像，看看還能發現什么？這個是什么操作時產生的？說明斷電也可能存在什么現象？

片段2：理論分析斷電自感現象并驗證

任務1：搭建如圖5所示的簡單電路，思考閉合開關瞬間、待電路穩定后、斷開開關瞬間線圈中感應電流的方向？預測可能會看到什么樣的現象？

驗證斷電自感現象，斷開開關瞬間，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生了怎樣的變化？

任務2：考慮到燈泡電阻隨溫度變化比較明顯，對電流測量會產生影響，將圖5的燈泡替換為電阻并串聯一個電流表傳感器，如圖6所示，驗證電阻支路的電流方向是否反向，大小是否增加。

圖5 斷電自感現象電路圖

圖6 數字化實驗電路圖

問題1：觀察圖7所示的電流變化規律，總結斷電自感中感應電流的作用；結合通電自感中感應電流的作用，歸納感應電流的作用。

圖7 電流隨時間變化的規律

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

3 數字化實驗和傳統實驗整合案例分析

互感和自感現象是“楞次定律”和“法拉第電磁感應定律”的實際應用，要求學生通過判斷感應電流的方向和大小分析現象產生的原因。如果我們在教學中利用數字化實驗直接描繪出電流隨時間變化的規律，這將會替代學生的思考，使得實驗喪失它本有的教學目的。因此，在演示通斷電自感現象教學中，我們整合了數字化實驗和傳統實驗。

3.1 整合數據測量儀器

教學片斷1中學生通過傳統實驗的慢鏡頭動作發現線圈支路燈泡后亮，用具體、直觀的現象代替了抽象的概念講解，幫助學生對“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”建立聯系，然后利用實驗驗證進一步加深學生對于概念的理解。但是，傳統實驗中的電流表無法測量動態連續的數據，這就需要將電流傳感器整合到傳統實驗中。實驗過程中兩條電流曲線變化上的差異，讓學生對“自感”概念有了更具體的感知。

教學片斷2中依然是從現象出發，和片斷1不同的是，我們先引導學生對實驗進行理論分析，預估可能出現的現象，再進行實驗觀察，最后整合數字化實驗中的電流傳感器進行驗證。

任何概念和規律的學習都離不開具體的現象和例子的支撐，所以本節課在學習通斷電自感現象時，都是先利用傳統實驗器材進行直觀的現象觀察，幫助學生形成表象，為后續的概念形成奠定基礎。儲存在頭腦中的概念都不是單獨存在的，它必然和其他概念之間存在聯系，因此教學中我們要幫助學生形成知識網絡，這就要求對現象進行理論分析和驗證，從而促進學生將新的概念納入到原有的知識體系中。本節課利用數字化實驗中的電流傳感器測量動態變化的電流大小，幫助學生自主思考，總結出自感現象中感應電流的作用是阻礙電流的變化，這其實就是楞次定律（感應電流的磁場總要阻礙引起感應電流的磁通量的變化）的延伸，學生很自然地就能將“互感和自感”概念納入到“電磁感應應用”中。

3.2 整合數據分析方式

教學片斷1中，學生在對通電自感現象理論分析的基礎上，描繪了電流隨時間變化的規律，再和數字化實驗中測量描繪的圖像進行對比，加深了學生對于感應電流作用的理解。教學片斷2中我們再次對數字化實驗呈現的圖像進行分析，進一步理解了斷電時的自感現象，為自感電動勢大小的學習奠定基礎。

課標中對于自感的要求是：了解自感現象，并能舉例說明自感現象。對自感電動勢大小的計算并沒有要求。教學中如果只呈現傳統實驗，那么學生對自感現象的認識就會停留在表面，無法理解自感為何是電磁感應的應用。數字化實驗可以將采集到的電流數據以圖像形式呈現，不僅將感性的實驗現象數據化，還用形象、直觀的圖像描繪了數據間的規律。這樣一方面有利于學生的思維聚焦于實驗數據的分析，從而形成更高層次的認知（理解感應電流的作用是阻礙電流變化）。另一方面也有助于培養學生讀圖和解析數據的能力，實現實驗教學目標（用坐標系呈現實驗數據，根據數據描繪曲線，根據曲線判斷圖像及其物理意義，或者形成經驗曲線并進而獲得數學解析式，是實驗教學中的重要內容[5]）。

通過以上的分析，我們發現數字化實驗操作簡潔方便、測量范圍廣泛、數據實時精確，不僅能縮短課堂實驗的時間使學生思維聚焦，還能幫助學生將具體的現象抽象形成概念或規律。但這樣快速、簡潔的實驗過程也會造成教學中忽略了學生對實驗原理和方法的思考，因此我們必須重視傳統實驗的優勢：傳統實驗的現象直觀、明顯，不僅能激發學生的探究興趣，同時還可以豐富學生對概念或規律的感性認識。傳統實驗的器材相對生活化，一方面有利于創設真實的物理情境，另一方面有利于學生理解實驗的操作步驟及原理。傳統實驗的數據測量依賴于學生自己，能更好地培養學生的觀察能力和操作能力，同時幫助學生學會處理數據從而展開合理的猜想。傳統實驗的數據分析以學生對物理量之間關系的猜想為起點，結合Excel或其他方式描點繪圖形成的圖像，最終得出結論，這樣的探究過程更符合學生的認知規律，也更有利于培養學生的科學素養。

4結語

正如列寧所說：“從生動的直觀到抽象的思維，并從抽象的思維到實踐，這就是認識真理、認識客觀實在的辯證途徑。”因此物理教學過程中，我們首先通過觀察實例形成知覺表象，再通過不斷抽象，將概念或規律圖式化放入原有的知識網絡中，進而通過調用圖式來解決問題。這就要求教師在課前準備實驗時，在明確教學目標的基礎上，充分整合傳統實驗和數字化實驗的優勢，選擇最佳的實驗呈現方式，使物理課堂中的實驗現象直觀、實驗數據精確。