高中物理DIS定量創新實驗教學與傳統實驗教學的比較研究

摘" "要：以“電磁感應定律”為例，開發了DIS定量創新實驗，以該實驗為基礎設計了對應的教案，并與傳統定性探究實驗教學進行對比，發現相比傳統定性探究實驗教學而言，DIS定量創新實驗教學在一定程度上更有利于科學探究的培養。

關鍵詞：物理核心素養；DIS定量創新實驗；傳統定性實驗

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A " " 文章編號：1003-6148（2024）2-0086-4

實驗在物理教學中具有重要地位和價值，一個創新、可視化的實驗更容易引起學生的興趣，通過實驗也能更好地培養學生的科學思維以及科學探究能力。有學者指出，傳統實驗在一定程度上限制了學生在科學探究上的深度和廣度，而DIS實驗由于具有操作簡便、數據分析迅速準確的特點恰好彌補了傳統實驗這方面的不足，能夠很好地培養學生的數據分析能力和創新能力［1-2］。

法拉第電磁感應定律作為電磁學部分的一條重要規律，揭示了電與磁之間的規律，同時也是學生學習電磁學的重點和難點。但傳統的探究實驗多是定性說明磁通量變化越快，感應電動勢越大，不能定量得到感應電動勢與磁通量變化率的具體關系，亦或只探究了感生電動勢的情況，而沒有探究動生電動勢的情況［3］。因此，有必要利用當下的信息技術手段對傳統實驗進行創新、改進，并用于實際教學。

1" " 設計理念

本實驗教學設計理念主要基于“高中物理核心素養”理論中的科學思維和科學探究［4］。

在科學思維方面，通過引導學生構建法拉第電磁感應定律，使學生進一步理解電與磁的關系，并能夠運用法拉第電磁感應定律解決相關的電磁問題，在整個過程中培養學生的類比推理能力是本節課的重要目標［5］。但由于電磁感應定律較為抽象，單純的講授并不能幫助學生對該定律有充分的理解，因此可借助實驗進行探究，而定性實驗更多是探究感應電動勢與哪些因素相關，很難得到電磁感應定律的具體形式，因此可以運用當下的信息技術手段對定性實驗進行改進，得到感應電動勢具體與這些量成怎樣的關系，最后通過生活中的一些電磁感應現象，引導學生分析解釋。經過完整的探究過程，使學生對電磁感應定律有充分的理解，并構建起相應的電磁感應定律物理模型，在這個過程中培養學生的模型建構能力。

在科學探究方面，讓學生通過經歷定性探究影響感應電動勢大小的因素的實驗，感受猜想假設、分析歸納等科學探究過程。然后，再引導學生參與電磁感應定律的定量探究過程，使其體驗如何利用控制變量法研究問題，在整個過程中逐步培養學生的科學探究能力。

2" " 實驗改進

為達成設計理念，本研究采用DIS數據收集裝置對傳統法拉第電磁感應定律實驗裝置進行改進，以得到電磁感應定律的定量表達式：E=n。首先，自制勵磁小車，采用的是四輪小車，以減小摩擦力，小車前端裝有電磁鐵，電磁鐵被勵磁線圈包裹，勵磁線圈接線柱接穩壓電源，勵磁線圈周圍會產生一個磁場，磁感線穿過感應線圈。把磁場強度與穿過一個平面面積的乘積定義為磁通量，感應線圈有n匝，有n個面，磁通量為φ=nBS。當電磁鐵靠近感應線圈時，磁場強度變大，引起感應線圈的磁通量變化。通過改變斜面的傾角來改變小車靠近感應線圈的速度，使得感應線圈中磁通量變化具有快慢之分。記錄時間用到光電門，電壓的采集用到電壓傳感器以及數據采集器。探究E與的關系時，保持n和Δφ不變，通過改變斜面傾角來改變Δt，電磁小車上有擋光片，擋光片遮擋光電門記錄時間，同時數據采集器和電壓傳感器記錄擋光時的感應線圈的電動勢，通過圖像可以得到E與的關系，即可幫助學生構建感應電動勢與時間成反比這一物理模型。探究E與Δφ的關系時，保持斜面傾角和感應線圈匝數不變以維持Δt和n不變，通過成比例改變勵磁線圈中的電流大小，改變感應線圈中磁通量的大小。規定流經電磁鐵電流為0.05 A時對應一個單位的φ，成比例改變電流大小，記錄相應的感應電動勢，通過圖像得到E與Δφ的關系，可以幫助學生構建感應電動勢與Δφ成正比這一物理模型。探究E與n的關系時，保持斜面傾角和流經電磁鐵的電流不變以維持Δt和Δφ不變，改變感應線圈匝數，通過圖像得到E與n的關系，可以幫助學生構建感應電動勢與n成正比這一物理模型。通過上述定量探究，得到法拉第電磁感應定律：E=n。整體實驗裝置如圖1所示。

3" " 與傳統電磁感應定律實驗教學比較研究

在前述設計理念指導下，利用改進后的實驗設計教案，進行教學實踐。從核心素養的視角對傳統電磁感應定律實驗教學與DIS電磁感應定律實驗教學進行對比研究，以進一步探究DIS實驗與傳統實驗在提升學生物理觀念、科學思維、科學探究以及科學態度與責任方面的差異。

3.1" " 理論框架

基于課標中物理核心素養相關內容構建評價框架。一級維度為物理觀念、科學思維、科學探究以及科學態度與責任，二級維度主要提煉自一級維度下的子維度，具體框架如表1所示。

3.2" " 實施過程

分別選擇“定性探究法拉第電磁感應定律”和“定量探究法拉第電磁感應定律”兩節課進行對比，“定量探究法拉第電磁感應定律”為一節省級公開課，由三位研究者對課堂錄像進行分析處理和討論，課堂教學內容主要包含兩部分，如圖2所示。

“定性探究法拉第電磁感應定律”選自一節部級優課，截取并分析其中電磁感應定律的探究教學部分，同樣由三位研究者對課堂實錄進行分析處理，課堂教學內容主要分為兩部分，如圖3所示。

3.3" " 數據處理和分析

由分析結果發現，探究法拉第電磁感應定律主要體現在核心素養的科學思維和科學探究維度上，因此筆者主要從這兩個維度進行編碼分析。編碼采用Nvivo11軟件（Nvivo是當前主流的質性分析軟件［6-7］）。

通過核心素養理論框架構建節點系統，如某堂課某個環節體現了核心素養某層次，則在該層次進行編碼。例如，在DIS定量探究實驗中，讓學生設計如何去記錄時間時，學生回答通過光電門，則體現了科學探究中設計實驗的理念，則在該部分編碼一次。由于本研究涉及大量的文本類編碼工作，容易受到編碼人員個人主觀因素的影響，因此為了盡可能消除這種主觀性，由三位研究者分別編碼，再進行對比匯總，對有歧義的編碼進行分析討論，邀請專家進行認證，保證編碼的準確性和一致性，編碼結果如表2、表3所示。

通過表2和表3的數據可知，DIS定量探究教學在科學探究上的參考點總數為28，而傳統的定性探究教學在科學探究上的參考點總數為16，說明DIS定量實驗相比傳統實驗來說可能能更全面地落實科學探究諸要素。進一步對兩節課科學探究部分的節點進行分析，結果如圖4、圖5所示。

由圖4可知，電磁感應定律定性探究實驗在科學探究維度上，提出問題、作出假設、設計實驗以及評價各占6.3%，進行實驗、交流與討論各占18.7%，得出結論占37.4%。

從以上數據可知，“定性探究法拉第電磁感應定律”教學更側重于結論的得出，而對探究過程側重不大，更多的是以學習進階的方式通過推理得出結論（由表2可知，定性探究教學在科學推理上參考點數為6）。以下以探究E與n關系的教學片段進行說明：

師：大家拿的線圈和我拿的線圈一樣嗎？

生：繞的匝數不同。

師：如果現在不拿線圈來做，直接拿一個圓環來做。穿過n匝和穿過1匝的磁通量一樣嗎？

生：一樣。

師：先解決這個磁通量概念，磁通量表示的是什么？

生：磁感應強度B與其所穿過的對應面積S的乘積。

師：磁通量的變化率一樣嗎？

生：一樣。

師：感應電動勢一樣嗎？

生：不一樣。

師：穿過1匝線圈產生的感應電動勢和穿過n匝線圈產生的感應電動勢分別為多少？

生：和n。

師：為什么要乘以n？磁通量變化率一樣，感應電動勢應該一樣啊！

生：還沒想到。

師：如果把1匝線圈拿出來，是不是一個獨立電源啊？

生：對。

師：現在n匝線圈是不是相當于n個獨立電源串聯。因此，線圈總的電動勢應乘以n。

由教學片斷中的內容，判定教師在探究過程中著重引導學生“得出結論”。編碼過程主要按此思路進行。

根據圖5可知，DIS定量探究法拉第電磁感應定律實驗在作出假設、評價上各占3.6%，進行實驗、交流與討論上各占10.7%，得出結論上占14.3%，提出問題上占21.4%，設計實驗上占35.7%。

從以上數據可知，“定量探究法拉第電磁感應定律”教學雖然也重視結論的得出，但同時注重探究過程中的問題提出、設計實驗等，例如在探究E與n的關系中有如下片斷：

師：要定量探究出E與n的關系，就必須把E與n測出來。

師：那么，此時要控制哪些量不變？

生：磁通量變化率保持不變。

師：如何保證磁通量變化率保持不變。

生：使勵磁小車在每次實驗從同一位置釋放。

師：如何把E測出來？

生：采用電壓傳感器與電腦相連。

師：改變n，要對哪個實驗器具進行操作？

生：線圈。

師：應該如何操作？

師：大家類比一下電阻箱，電阻箱是如何改變接入電路的電阻呢？

生：通過接入電路中的接線柱不同來改變。

師：所以應該怎么操作？

生：在線圈上加上接線柱，通過不同的接線柱來改變匝數n。

師：我們來進行實驗。

師：通過圖像得到感應電動勢與n有什么關系？

生：成正比。

由上述教學片斷中的內容判定，教師在科學探究過程中著重引導學生設計實驗，依此對相應內容進行編碼。

3.4" " 結" "論

基于上述分析可知：第一，傳統定性探究實驗側重于理論推導；第二，DIS定量創新實驗教學可能更強調實驗方案的設計。當然，以上結論受研究樣本的影響較大，和教學設計者的理論、風格也有密切關系。

4" " 啟示與展望

借助DIS技術的創新實驗能在一定程度上彌補傳統實驗的不足，值得我們進一步探索。而利用創新實驗開展的教學實踐對學生核心素養發展的效果也需要我們進一步研究。

參考文獻：

［1］夏良英，李永洪，張喜林.DIS實驗和傳統物理實驗在教學實踐中的對比研究［J］.物理教師，2014，35（4）：42-45，58.

［2］萬慧，趙振宇.DIS實驗與中學物理傳統實驗的有機結合［J］.中學物理，2018，36（7）：46-48.

［3］唐好杰.法拉第電磁感應定律實驗改進及其教學應用［J］.中國現代教育裝備，2022（22）：41-44.

［4］中華人民共和國教育部. 普通高中物理課程標準（2017年版）［S］.北京：人民教育出版社，2018：1.

［5］曹東.物理核心素養視角下的《法拉第電磁感應定律》教學設計［J］.湖南中學物理，2018，33（4）：86-88.

［6］楊季冬，王后雄.高中科學教育課程標準（2017版）中的課程價值取向——基于NVivo 11.0的編碼分析［J］.教育科學，2018，34（6）：38-43.

［7］張玲.論中小學有效教育科研特征指標的構建——基于54篇文本的NVivo編碼分析［J］.課程·教材·教法，2021，41（6）：136-143.

（欄目編輯" " 李富強）

收稿日期：2023-12-03

作者簡介：張瑯鈺（1986-），男，中學高級教師，研究方向為中學物理實驗教學。