高中物理DIS定量创新实验教学与传统实验教学的比较研究

摘   要：以“电磁感应定律”为例，开发了DIS定量创新实验，以该实验为基础设计了对应的教案，并与传统定性探究实验教学进行对比，发现相比传统定性探究实验教学而言，DIS定量创新实验教学在一定程度上更有利于科学探究的培养。

关键词：物理核心素养；DIS定量创新实验；传统定性实验

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2024）2-0086-4

实验在物理教学中具有重要地位和价值，一个创新、可视化的实验更容易引起学生的兴趣，通过实验也能更好地培养学生的科学思维以及科学探究能力。有学者指出，传统实验在一定程度上限制了学生在科学探究上的深度和广度，而DIS实验由于具有操作简便、数据分析迅速准确的特点恰好弥补了传统实验这方面的不足，能够很好地培养学生的数据分析能力和创新能力［1-2］。

法拉第电磁感应定律作为电磁学部分的一条重要规律，揭示了电与磁之间的规律，同时也是学生学习电磁学的重点和难点。但传统的探究实验多是定性说明磁通量变化越快，感应电动势越大，不能定量得到感应电动势与磁通量变化率的具体关系，亦或只探究了感生电动势的情况，而没有探究动生电动势的情况［3］。因此，有必要利用当下的信息技术手段对传统实验进行创新、改进，并用于实际教学。

1    设计理念

本实验教学设计理念主要基于“高中物理核心素养”理论中的科学思维和科学探究［4］。

在科学思维方面，通过引导学生构建法拉第电磁感应定律，使学生进一步理解电与磁的关系，并能够运用法拉第电磁感应定律解决相关的电磁问题，在整个过程中培养学生的类比推理能力是本节课的重要目标［5］。但由于电磁感应定律较为抽象，单纯的讲授并不能帮助学生对该定律有充分的理解，因此可借助实验进行探究，而定性实验更多是探究感应电动势与哪些因素相关，很难得到电磁感应定律的具体形式，因此可以运用当下的信息技术手段对定性实验进行改进，得到感应电动势具体与这些量成怎样的关系，最后通过生活中的一些电磁感应现象，引导学生分析解释。经过完整的探究过程，使学生对电磁感应定律有充分的理解，并构建起相应的电磁感应定律物理模型，在这个过程中培养学生的模型建构能力。

在科学探究方面，让学生通过经历定性探究影响感应电动势大小的因素的实验，感受猜想假设、分析归纳等科学探究过程。然后，再引导学生参与电磁感应定律的定量探究过程，使其体验如何利用控制变量法研究问题，在整个过程中逐步培养学生的科学探究能力。

2    实验改进

为达成设计理念，本研究采用DIS数据收集装置对传统法拉第电磁感应定律实验装置进行改进，以得到电磁感应定律的定量表达式：E=n。首先，自制励磁小车，采用的是四轮小车，以减小摩擦力，小车前端装有电磁铁，电磁铁被励磁线圈包裹，励磁线圈接线柱接稳压电源，励磁线圈周围会产生一个磁场，磁感线穿过感应线圈。把磁场强度与穿过一个平面面积的乘积定义为磁通量，感应线圈有n匝，有n个面，磁通量为φ=nBS。当电磁铁靠近感应线圈时，磁场强度变大，引起感应线圈的磁通量变化。通过改变斜面的倾角来改变小车靠近感应线圈的速度，使得感应线圈中磁通量变化具有快慢之分。记录时间用到光电门，电压的采集用到电压传感器以及数据采集器。探究E与的关系时，保持n和Δφ不变，通过改变斜面倾角来改变Δt，电磁小车上有挡光片，挡光片遮挡光电门记录时间，同时数据采集器和电压传感器记录挡光时的感应线圈的电动势，通过图像可以得到E与的关系，即可帮助学生构建感应电动势与时间成反比这一物理模型。探究E与Δφ的关系时，保持斜面倾角和感应线圈匝数不变以维持Δt和n不变，通过成比例改变励磁线圈中的电流大小，改变感应线圈中磁通量的大小。规定流经电磁铁电流为0.05 A时对应一个单位的φ，成比例改变电流大小，记录相应的感应电动势，通过图像得到E与Δφ的关系，可以帮助学生构建感应电动势与Δφ成正比这一物理模型。探究E与n的关系时，保持斜面倾角和流经电磁铁的电流不变以维持Δt和Δφ不变，改变感应线圈匝数，通过图像得到E与n的关系，可以帮助学生构建感应电动势与n成正比这一物理模型。通过上述定量探究，得到法拉第电磁感应定律：E=n。整体实验装置如图1所示。

3    与传统电磁感应定律实验教学比较研究

在前述设计理念指导下，利用改进后的实验设计教案，进行教学实践。从核心素养的视角对传统电磁感应定律实验教学与DIS电磁感应定律实验教学进行对比研究，以进一步探究DIS实验与传统实验在提升学生物理观念、科学思维、科学探究以及科学态度与责任方面的差异。

3.1    理论框架

基于课标中物理核心素养相关内容构建评价框架。一级维度为物理观念、科学思维、科学探究以及科学态度与责任，二级维度主要提炼自一级维度下的子维度，具体框架如表1所示。

3.2    实施过程

分别选择“定性探究法拉第电磁感应定律”和“定量探究法拉第电磁感应定律”两节课进行对比，“定量探究法拉第电磁感应定律”为一节省级公开课，由三位研究者对课堂录像进行分析处理和讨论，课堂教学内容主要包含两部分，如图2所示。

“定性探究法拉第电磁感应定律”选自一节部级优课，截取并分析其中电磁感应定律的探究教学部分，同样由三位研究者对课堂实录进行分析处理，课堂教学内容主要分为两部分，如图3所示。

3.3    数据处理和分析

由分析结果发现，探究法拉第电磁感应定律主要体现在核心素养的科学思维和科学探究维度上，因此笔者主要从这两个维度进行编码分析。编码采用Nvivo11软件（Nvivo是当前主流的质性分析软件［6-7］）。

通过核心素养理论框架构建节点系统，如某堂课某个环节体现了核心素养某层次，则在该层次进行编码。例如，在DIS定量探究实验中，让学生设计如何去记录时间时，学生回答通过光电门，则体现了科学探究中设计实验的理念，则在该部分编码一次。由于本研究涉及大量的文本类编码工作，容易受到编码人员个人主观因素的影响，因此为了尽可能消除这种主观性，由三位研究者分别编码，再进行对比汇总，对有歧义的编码进行分析讨论，邀请专家进行认证，保证编码的准确性和一致性，编码结果如表2、表3所示。

通过表2和表3的数据可知，DIS定量探究教学在科学探究上的参考点总数为28，而传统的定性探究教学在科学探究上的参考点总数为16，说明DIS定量实验相比传统实验来说可能能更全面地落实科学探究诸要素。进一步对两节课科学探究部分的节点进行分析，结果如图4、图5所示。

由图4可知，电磁感应定律定性探究实验在科学探究维度上，提出问题、作出假设、设计实验以及评价各占6.3%，进行实验、交流与讨论各占18.7%，得出结论占37.4%。

从以上数据可知，“定性探究法拉第电磁感应定律”教学更侧重于结论的得出，而对探究过程侧重不大，更多的是以学习进阶的方式通过推理得出结论（由表2可知，定性探究教学在科学推理上参考点数为6）。以下以探究E与n关系的教学片段进行说明：

师：大家拿的线圈和我拿的线圈一样吗？

生：绕的匝数不同。

师：如果现在不拿线圈来做，直接拿一个圆环来做。穿过n匝和穿过1匝的磁通量一样吗？

生：一样。

师：先解决这个磁通量概念，磁通量表示的是什么？

生：磁感应强度B与其所穿过的对应面积S的乘积。

师：磁通量的变化率一样吗？

生：一样。

师：感应电动势一样吗？

生：不一样。

师：穿过1匝线圈产生的感应电动势和穿过n匝线圈产生的感应电动势分别为多少？

生：和n。

师：为什么要乘以n？磁通量变化率一样，感应电动势应该一样啊！

生：还没想到。

师：如果把1匝线圈拿出来，是不是一个独立电源啊？

生：对。

师：现在n匝线圈是不是相当于n个独立电源串联。因此，线圈总的电动势应乘以n。

由教学片断中的内容，判定教师在探究过程中着重引导学生“得出结论”。编码过程主要按此思路进行。

根据图5可知，DIS定量探究法拉第电磁感应定律实验在作出假设、评价上各占3.6%，进行实验、交流与讨论上各占10.7%，得出结论上占14.3%，提出问题上占21.4%，设计实验上占35.7%。

从以上数据可知，“定量探究法拉第电磁感应定律”教学虽然也重视结论的得出，但同时注重探究过程中的问题提出、设计实验等，例如在探究E与n的关系中有如下片断：

师：要定量探究出E与n的关系，就必须把E与n测出来。

师：那么，此时要控制哪些量不变？

生：磁通量变化率保持不变。

师：如何保证磁通量变化率保持不变。

生：使励磁小车在每次实验从同一位置释放。

师：如何把E测出来？

生：采用电压传感器与电脑相连。

师：改变n，要对哪个实验器具进行操作？

生：线圈。

师：应该如何操作？

师：大家类比一下电阻箱，电阻箱是如何改变接入电路的电阻呢？

生：通过接入电路中的接线柱不同来改变。

师：所以应该怎么操作？

生：在线圈上加上接线柱，通过不同的接线柱来改变匝数n。

师：我们来进行实验。

师：通过图像得到感应电动势与n有什么关系？

生：成正比。

由上述教学片断中的内容判定，教师在科学探究过程中着重引导学生设计实验，依此对相应内容进行编码。

3.4    结   论

基于上述分析可知：第一，传统定性探究实验侧重于理论推导；第二，DIS定量创新实验教学可能更强调实验方案的设计。当然，以上结论受研究样本的影响较大，和教学设计者的理论、风格也有密切关系。

4    启示与展望

借助DIS技术的创新实验能在一定程度上弥补传统实验的不足，值得我们进一步探索。而利用创新实验开展的教学实践对学生核心素养发展的效果也需要我们进一步研究。

参考文献：

［1］夏良英，李永洪，张喜林.DIS实验和传统物理实验在教学实践中的对比研究［J］.物理教师，2014，35（4）：42-45，58.

［2］万慧，赵振宇.DIS实验与中学物理传统实验的有机结合［J］.中学物理，2018，36（7）：46-48.

［3］唐好杰.法拉第电磁感应定律实验改进及其教学应用［J］.中国现代教育装备，2022（22）：41-44.

［4］中华人民共和国教育部. 普通高中物理课程标准（2017年版）［S］.北京：人民教育出版社，2018：1.

［5］曹东.物理核心素养视角下的《法拉第电磁感应定律》教学设计［J］.湖南中学物理，2018，33（4）：86-88.

［6］杨季冬，王后雄.高中科学教育课程标准（2017版）中的课程价值取向——基于NVivo 11.0的编码分析［J］.教育科学，2018，34（6）：38-43.

［7］张玲.论中小学有效教育科研特征指标的构建——基于54篇文本的NVivo编码分析［J］.课程·教材·教法，2021，41（6）：136-143.

（栏目编辑    李富强）

收稿日期：2023-12-03

作者简介：张琅钰（1986-），男，中学高级教师，研究方向为中学物理实验教学。