基于數字化實驗的自感現象的教學*

程福蘭 徐平川 聶雅瑞

(西華師范大學物理與空間科學學院 四川 南充 637009)

1 現行教材編排的特點

教科版教材從電磁感應知識入手，通過提問“一個線圈中電流變化是否會引起自身回路產生感應電動勢和感應電流”的方式引入新課，再通過對通、斷電自感實驗中燈泡亮度變化的分析，最終得到通斷電自感的規律，并給出自感現象的定義．人教版教材從互感過渡到自感，給出自感現象的定義，再分析自感演示實驗中燈泡亮度變化，得到通斷電自感的規律．滬科版教材以自感的應用(日光燈)為引入，再實驗探究電路閉合和斷開時線圈的自感現象，同樣通過分析燈泡的亮度變化得到通斷電自感的規律，最終給出自感現象的概念．不過，人教版教材中將電流傳感器與計算機相結合，能即時反映電流的迅速變化，通過分析電流隨時間變化的圖像得出自感現象及其規律．

綜合以上分析，筆者認為，教材對自感實驗的編排存在3點不足．

一是直接給出自感演示實驗的電路圖，學生容易對實驗的設計產生疑惑.

二是將通電自感和斷電自感分成兩個實驗，容易給學生造成通電自感現象與斷電自感現象是分別獨立存在的現象.

三是對于教材中給出的自感演示實驗，由于電流變化幅度和時間都很短，不足以使實驗中燈泡的亮度出現明顯變化．

針對自感實驗編寫方面的不足，本文對該節教學內容和教學過程進行了合理優化．

2 基于數字化實驗的教學思路

計算機和傳感器的結合，可實現實時測量、處理實驗數據，分析實驗結果，這些信息技術手段應用到物理實驗中，自動、迅速和準確地采集和傳遞信息，極大地簡化了教學程序，體現了良好的人機交互的優點[1]．

教學中雖引入了數字化信息系統(DIS),但仍要根據學生的知識儲備，使學生經歷實驗設計過程和認知過程，這樣才能充分調動學生的主動性和積極性，使學生學會探究．再結合理論分析和實驗觀察，培養學生分析問題、解決問題的能力，充分認識“自感現象的產生原因”，突破難點．

基于支架式教學策略，在學生通過實驗和理論認識互感現象之后，在教師的引導下，通過對自感現象的分析，猜想自感現象的存在，搭建認識自感現象的臺階．接著先通過觀察和分析傳統的自感現象，到引入數字化實驗方法來改進演示實驗，最后進一步改進實驗方案，教學過程層層推進，不斷深化對自感現象的認識．

3 基于DIS的自感現象演示及教學過程

3.1 基于支架式策略搭建認識自感現象的臺階

通過互感的學習，學生認識到：當一個線圈中電流變化時，它所產生的變化的磁場在另一個線圈中會產生感應電動勢．教師此時可以設計這樣的問題情境：將交變電流換成直流，小線圈中是否會產生感應電動勢．

如圖1所示，通過直流電源供電，在閉合開關和斷開開關瞬間，發現電流表指針偏轉，說明小線圈中產生電流，仍有電磁感應現象發生．再將小線圈去掉，此時閉合和斷開開關，學生根據電磁感應理論分析出：自身電流變化→大線圈自身內部磁場變化→通過該線圈的磁通量變化→產生感應電動勢．

圖1 通斷電互感現象演示電路圖

教師再結合多媒體動畫，給出自感概念：由于線圈自身電流變化而引起的電磁感應現象叫自感現象，產生的感應電動勢就叫做自感電動勢．

基于互感現象的認識，搭建學習新知識的臺階，這種支架式的教學策略使學生明白互感和自感的共性都是由于電流變化引起的．

3.2 設計演示教具變傳統實驗為數字化實驗

以上的理論分析需要通過實驗來驗證，自感現象的觀察，教材中是通過對比實驗的方法來實現的．實驗效果演示器大多選用的是小燈泡，通過小燈泡的亮度變化來體現．在兩個并聯的電路中各串聯一個小燈泡，其中一個支路串聯線圈，另一個支路串聯與該線圈阻值相同的電阻，設計出如圖2所示的自感現象演示儀．

圖2 自感現象演示電路圖

當閉合和斷開開關瞬間，學生觀察兩個小燈泡的亮度變化，實際并無明顯差異．教師引導學生思考原因，猜測可能是開關閉合和斷開瞬間，電流的瞬時變化時間過短，肉眼無法分辨．

為了解決這一難題，教師這時可指出：電流傳感器具有實時采集電流的特點，將其串聯在電路中，再將傳感器連接計算機，這樣可把電流隨時間變化的過程記錄下來，從而把實驗現象數字化，這樣問題就能解決．根據這一思路，將兩個支路上都串聯接上電流傳感器，如圖3和圖4所示．

圖3 改進后的自感現象演示實物圖

圖4 自感現象演示電路圖

將傳感器連接計算機，打開DIS通用軟件開始記錄數據，閉合和斷開開關，計算機顯示出電流隨時間變化的圖像，如圖5所示．

圖5 兩支路電流隨時間的變化圖線

將電流數字化后，實驗現象非常直觀．教師通過引導學生分析圖像：閉合和斷開開關瞬間，電阻支路上的電流瞬間增大或瞬間減小,而線圈支路上的電流增大或減小得更緩慢一些．

在圖像中，電阻支路中出現暫時的反向電流，學生可結合電路圖做出分析：在斷開開關瞬間，線圈與電阻構成的閉合回路中仍有短暫電流通過，并且方向由線圈流向電阻．學生根據楞次定律分析發現，在斷電瞬間，感應電流的方向與原電流方向相同，阻礙電流的增大，電阻支路就會有短暫的反向電流流過．

運用數字化實驗系統改進傳統物理實驗，激發了學生探究物理概念和規律的欲望，擴大了科學探究的廣度，挖掘了科學探究的深度，實現信息技術與物理教學的有效整合[2]．

3.3 進一步改進實驗深化對自感現象的認識

通過以上實驗，驗證并觀察到自感現象的存在．教師可列舉一些自感現象在科學技術中的應用，讓學生體會物理與生活的緊密聯系．比如，收音機里的磁性天線、老式日光燈的鎮流器等等．

在前面的實驗中，因為電流已經數字化，所以圖3中兩支路的燈泡可以去掉，電路直接連通．去掉燈泡后，支路上的電阻減小，電流會增大，感應電流也會隨之增大．圖6是兩支路在沒有燈泡時，閉合和斷開開關后電流隨時間的變化圖線．

通過讓學生對比觀察圖5和圖6，可以發現當電路中有燈泡時,斷電時產生的感應電流為0～0.14 A,而當電路中無燈泡時，斷電時產生的感應電流為0～0.23 A．后者產生的電流非常接近電路正常接通時的穩定電流(0.30 A)，電路中自感電動勢很高，存在較大的安全隱患．對比實驗的引入，使學生認識到自感的防止也很重要，從而深化了他們對自感現象的認識．例如，電動機等大功率用電器的開關應該裝在金屬殼中，最好使用油浸開關，避免出現電火花．還可以采用雙線繞法的方式纏繞線圈，當電路中電流變化時，兩根線圈所產生的磁通量相互抵消，這種方法也從源頭上避免了自感現象引起的危害．

圖6 兩支路電流隨時間的變化圖線

4 總結與展望

傳統自感實驗的優勢在于操作簡便，實體感強，學生容易得到對自感現象的定性認知．而數字化實驗則是在傳統實驗的基礎上，增加了人與計算機的交互，能快速測量物理量，采集的數據經數字化處理后在計算機顯示器上定量地顯示出來．數字化實驗的引入改變了傳統的教學方式和實驗方式，是STS教育的重要體現．當然，在實際教學中，教師也應當根據學生以及教學設施的具體情況，選擇適合的實驗方式．

本文將傳統的定性實驗和數字化的定量實驗相結合，此方法對探究物理規律也有重要意義，也為科學概念的建立提供了新的思路[3]．