基于數(shù)字化實驗的自感現(xiàn)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(xiàn)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(chǎn)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(guī)律，并給出自感現(xiàn)象的定義．人教版教材從互感過渡到自感，給出自感現(xiàn)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(guī)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(xiàn)象，同樣通過分析燈泡的亮度變化得到通斷電自感的規(guī)律，最終給出自感現(xiàn)象的概念．不過，人教版教材中將電流傳感器與計算機相結(jié)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(xiàn)象及其規(guī)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(shè)計產(chǎn)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(xiàn)象與斷電自感現(xiàn)象是分別獨立存在的現(xiàn)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(xiàn)明顯變化．

針對自感實驗編寫方面的不足，本文對該節(jié)教學內(nèi)容和教學過程進行了合理優(yōu)化．

2 基于數(shù)字化實驗的教學思路

計算機和傳感器的結(jié)合，可實現(xiàn)實時測量、處理實驗數(shù)據(jù)，分析實驗結(jié)果，這些信息技術(shù)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(xiàn)了良好的人機交互的優(yōu)點[1]．

教學中雖引入了數(shù)字化信息系統(tǒng)(DIS),但仍要根據(jù)學生的知識儲備，使學生經(jīng)歷實驗設(shè)計過程和認知過程，這樣才能充分調(diào)動學生的主動性和積極性，使學生學會探究．再結(jié)合理論分析和實驗觀察，培養(yǎng)學生分析問題、解決問題的能力，充分認識“自感現(xiàn)象的產(chǎn)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(xiàn)象之后，在教師的引導下，通過對自感現(xiàn)象的分析，猜想自感現(xiàn)象的存在，搭建認識自感現(xiàn)象的臺階．接著先通過觀察和分析傳統(tǒng)的自感現(xiàn)象，到引入數(shù)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(xiàn)象的認識．

3 基于DIS的自感現(xiàn)象演示及教學過程

3.1 基于支架式策略搭建認識自感現(xiàn)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(chǎn)生的變化的磁場在另一個線圈中會產(chǎn)生感應電動勢．教師此時可以設(shè)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(chǎn)生感應電動勢．

如圖1所示，通過直流電源供電，在閉合開關(guān)和斷開開關(guān)瞬間，發(fā)現(xiàn)電流表指針偏轉(zhuǎn)，說明小線圈中產(chǎn)生電流，仍有電磁感應現(xiàn)象發(fā)生．再將小線圈去掉，此時閉合和斷開開關(guān)，學生根據(jù)電磁感應理論分析出：自身電流變化→大線圈自身內(nèi)部磁場變化→通過該線圈的磁通量變化→產(chǎn)生感應電動勢．

圖1 通斷電互感現(xiàn)象演示電路圖

教師再結(jié)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(xiàn)象叫自感現(xiàn)象，產(chǎn)生的感應電動勢就叫做自感電動勢．

基于互感現(xiàn)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(shè)計演示教具變傳統(tǒng)實驗為數(shù)字化實驗

以上的理論分析需要通過實驗來驗證，自感現(xiàn)象的觀察，教材中是通過對比實驗的方法來實現(xiàn)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(xiàn)．在兩個并聯(lián)的電路中各串聯(lián)一個小燈泡，其中一個支路串聯(lián)線圈，另一個支路串聯(lián)與該線圈阻值相同的電阻，設(shè)計出如圖2所示的自感現(xiàn)象演示儀．

圖2 自感現(xiàn)象演示電路圖

當閉合和斷開開關(guān)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(guān)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(lián)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(xiàn)象數(shù)字化，這樣問題就能解決．根據(jù)這一思路，將兩個支路上都串聯(lián)接上電流傳感器，如圖3和圖4所示．

圖3 改進后的自感現(xiàn)象演示實物圖

圖4 自感現(xiàn)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(shù)據(jù)，閉合和斷開開關(guān)，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(shù)字化后，實驗現(xiàn)象非常直觀．教師通過引導學生分析圖像：閉合和斷開開關(guān)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(xiàn)暫時的反向電流，學生可結(jié)合電路圖做出分析：在斷開開關(guān)瞬間，線圈與電阻構(gòu)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(jù)楞次定律分析發(fā)現(xiàn)，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(shù)字化實驗系統(tǒng)改進傳統(tǒng)物理實驗，激發(fā)了學生探究物理概念和規(guī)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(xiàn)信息技術(shù)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(xiàn)象的認識

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

在前面的實驗中，因為電流已經(jīng)數(shù)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(guān)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(fā)現(xiàn)當電路中有燈泡時,斷電時產(chǎn)生的感應電流為0～0.14 A,而當電路中無燈泡時，斷電時產(chǎn)生的感應電流為0～0.23 A．后者產(chǎn)生的電流非常接近電路正常接通時的穩(wěn)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(xiàn)象的認識．例如，電動機等大功率用電器的開關(guān)應該裝在金屬殼中，最好使用油浸開關(guān)，避免出現(xiàn)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(chǎn)生的磁通量相互抵消，這種方法也從源頭上避免了自感現(xiàn)象引起的危害．

圖6 兩支路電流隨時間的變化圖線

4 總結(jié)與展望

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

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