基于數(shù)字化實驗的自感現(xiàn)象的教學(xué)*

程福蘭 徐平川 聶雅瑞

(西華師范大學(xué)物理與空間科學(xué)學(xué)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(yīng)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(yīng)電動勢和感應(yīng)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(yīng)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(xué)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(xué)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(xué)內(nèi)容和教學(xué)過程進行了合理優(yōu)化．

2 基于數(shù)字化實驗的教學(xué)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(yīng)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(xué)程序，體現(xiàn)了良好的人機交互的優(yōu)點[1]．

教學(xué)中雖引入了數(shù)字化信息系統(tǒng)(DIS),但仍要根據(jù)學(xué)生的知識儲備，使學(xué)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(xué)生的主動性和積極性，使學(xué)生學(xué)會探究．再結(jié)合理論分析和實驗觀察，培養(yǎng)學(xué)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(xué)策略，在學(xué)生通過實驗和理論認識互感現(xiàn)象之后，在教師的引導(dǎo)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(xué)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(xué)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(xué)習(xí)，學(xué)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(yīng)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(yīng)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(yīng)現(xiàn)象發(fā)生．再將小線圈去掉，此時閉合和斷開開關(guān)，學(xué)生根據(jù)電磁感應(yīng)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(yīng)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(yīng)現(xiàn)象叫自感現(xiàn)象，產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢就叫做自感電動勢．

基于互感現(xiàn)象的認識，搭建學(xué)習(xí)新知識的臺階，這種支架式的教學(xué)策略使學(xué)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(xué)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(dǎo)學(xué)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(dǎo)學(xué)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(xué)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(xué)生根據(jù)楞次定律分析發(fā)現(xiàn)，在斷電瞬間，感應(yīng)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(xué)生探究物理概念和規(guī)律的欲望，擴大了科學(xué)探究的廣度，挖掘了科學(xué)探究的深度，實現(xiàn)信息技術(shù)與物理教學(xué)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(xué)技術(shù)中的應(yīng)用，讓學(xué)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(yīng)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(xué)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(yīng)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(yīng)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(xué)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(yīng)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(xué)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(xué)方式和實驗方式，是STS教育的重要體現(xiàn)．當然，在實際教學(xué)中，教師也應(yīng)當根據(jù)學(xué)生以及教學(xué)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(xué)概念的建立提供了新的思路[3]．