融合Excel圖表功能 促進實驗深度學習

劉明

摘? ?要：在電學實驗設計控制電路選擇中，模擬電路調節過程，融合Excel軟件計算和繪圖功能，通過復雜數學關系的圖象轉換，引導學生發現并提出問題，結合圖象分析待測電路調節過程，深刻理解分壓限流電路電壓變化規律，突破記憶式的淺層學習，化解分壓和限流電路及滑動變阻器選擇的學習難點。

關鍵詞：滑動變阻器;分壓;限流;深度

2017版《普通高中物理課程標準》中提到“提高物理教學水平，發展學生物理學科核心素養，離不開信息技術與物理學習的融合”[ 1 ]。信息技術與物理教學的深度融合體現在很多方面，如通過數字信息、DIS 實驗等綜合技術的運用構建多元化的學習環境和多樣化的學習方式，引導學習者積極主動的深度參與;應用技術手段展現一些常規方法難以實現的疑難問題、利用計算機軟件自動計算和數據分析并得到相關圖表等，促進學習者在信息整合與知識建構過程中發展高階思維。筆者在電路設計分壓限流電路選擇的教學中融合應用Excel軟件中的自動計算和圖表功能，引導學生在理解電路基本原理的基礎上，嘗試自主利用XY散點圖繪制待測電阻端電壓與滑動變阻器調節曲線圖，突破學生記憶式的淺層學習，取得教好的教學實效。

1? 基于學習基礎，合理構建問題

深度學習關注學習者基于知識內在結構，引導學習者在關聯原有知識基礎上對新知識的批判理解和重新構建[ 2 ]。電學實驗的控制電路有限流電路和分壓電路兩種電路結構（如圖1）。學生已經具備了串、并聯電路和歐姆定律的基礎知識，有能力在教師的引導下應用學習過的知識對兩種電路的電壓調節范圍進行分析。

1.1? 限流電路的電壓調節范圍分析

圖1限流電路中設電源電動勢為R，內阻r=0，待測電阻R與滑動變阻器觸頭左側電阻Rap成串聯關系，根據串聯分壓的特點，R的端電壓UR=E。結合電路調節中的電路保護知識，閉合開關后滑動變阻器滑片P從b端向a端調節時，電路中電流增大，待測電阻R的端電壓UR不斷增加。當Rap=R0時，UR=E;當Rap=0時，UR=E;待測電阻R的端電壓的變化范圍為E～E。由此可以得出，對于被測定值電阻R，R越大，待測電阻R的端電壓UR的變化范圍越大;反之則越小。

1.2? 分壓電路的電壓調節范圍分析

圖1分壓電路中設電源電動勢為E，內阻r=0，待測電阻R與滑動變阻器觸頭左側電阻Rap并聯，并聯整體再與滑動變阻器觸頭右側電阻Rbp串聯，根據串聯分壓的特點，并聯整體分得的電壓就是待測電阻R的端電壓：

UR=E=。

結合電路調節中的電路保護知識，閉合開關后滑動變阻器滑片P從a端向b端調節時，待測電阻R的端電壓UR不斷增加。當R=0時，UR=0;當R=R0時，UR=E;待測電阻R的端電壓UR的變化范圍為0～E。由此可以得出，待測電阻R的端電壓UR的調節范圍與R的大小無關。

1.3? 引導學生根據電路分析發現和提出問題

（1）根據限流電路電壓調節范圍的理論分析結果，對于被測定值電阻R，R0越大，待測電阻R的端電壓UR的變化范圍越大，那是否能說限流電路中R0越大越好呢？

（2）根據分壓電路電壓調節范圍的理論分析結果，無論選擇阻值R0為多大的滑動變阻器，電壓調節范圍均為0～E，那是否能說分壓電路中R0可以任意選取呢？

（3）分壓和限流電路中待測電阻R與滑動變阻器阻值R0的關系對UR調節究竟有何影響？

2? 結合數形轉換，引導深度思維

深度學習強調各學科知識信息及學科知識內部新舊知識信息的整合，學習者在這樣的學習過程中發展批判性思維、分析論證能力等高階思維。融合Excel軟件圖表自動計算及繪圖功能，模擬電路調節過程中，將形式復雜的數學關系，運用數值模擬的方法將代數形式轉化為數學圖形，即圖象，并動態地演示各變量對結果的影響，通過具體的動態圖象幫助學生強化直觀體驗，有效整合信息技術、數學關系、物理知識，引導學生高階思維發展。

2.1? 限流電路中待測電阻R與滑動變阻器阻值R0的關系對UR調節的影響

（1）圖表數據設置與分析

在Excel表格E4、F4、G4中設置電動勢、待測電阻、滑動變阻器阻值的值。如圖2所示，電源電動勢為E=10 V，待測電阻R=20 Ω，滑動變阻器阻值R0=200 Ω;表格中A、B、C三列數據分別為滑動變阻器長度調節比例、串聯接入電路中的阻值Rap、待測電阻R的端電壓UR。A列數據中滑動變阻器長度調節比例設置為均勻調節;B列數據中串聯接入電路中的阻值Rap的值由表格中G4數據R0值乘A列數據中對應的調節比例得出; C列數據中待測電阻R的端電壓UR根據表格中E4、F4、B列中Rap 的值及計算公式UR=E自動計算。引導學生分析圖2表格數據，電壓調節范圍大，但電壓UR隨滑動變阻器均勻調節過程中，電壓變化不均勻，存在調節過程中幾乎不變和突變的數據，不利于調節。

（2）繪制圖象，強化直觀體驗

選中“B3”至“C24”區域，點擊“插入”“圖表”“XY散點圖”“帶平滑曲線和數據點的散點圖”，單擊“確定”，即繪制出圖2中右下方的曲線圖。從圖象中可以直觀看出表格中數據分析的結論。

設電源電動勢為E=10 V，待測電阻R=20 Ω，滑動變阻器阻值R0（表G4格的值）分別為400 Ω、200 Ω、100 Ω、40 Ω、20 Ω、10 Ω，以滑動變阻器長度調節比例為橫坐標，將六個曲線繪制在一個圖中進行直觀比較（作圖時選擇沒有數據點的XY散點圖），如圖3所示。

（3）引導學生根據圖3分析總結：當R0=10 Ω時，雖然待測電阻R的端電壓UR隨滑動變阻器調節接近線性變化，但是電壓變化范圍太小;當R0>100 Ω時，隨著R0的增大，待測電阻R的端電壓UR隨滑動變阻器調節線性關系越來越弱，在滑動變阻器接入長度較大時，待測電阻R的端電壓UR幾乎不隨滑動變阻器接入長度的減小而增大，而在滑動變阻器接入長度較小時，待測電阻R的端電壓UR隨滑動變阻器接入長度的減小而迅速增大，不利于電路的調節控制。因此，限流電路中滑動變阻器阻值應選擇R0與待測電阻R相當或略大一些為宜，也可以說當滑動變阻器阻值R0與待測電阻R相當或略大一些時，宜選擇限流電路[ 3 ]。

2.2? 分壓電路中待測電阻R與滑動變阻器阻值R0的關系對UR調節的影響

圖表數據與圖象繪制方法與前面方法相同，若電源電動勢為E=10 V，待測電阻R=50 Ω，滑動變阻器阻值R0=200 Ω，根據表格數據繪制出圖象，如圖4。取滑動變阻器阻值R0分別為500 Ω、200 Ω、100 Ω、50 Ω、20 Ω、10 Ω，并將六個曲線圖繪制在一個圖中，如圖5所示。

引導學生根據圖4、圖5分析總結：無論選擇R0為多大，電壓調節范圍均為0～E;隨著R0的減小，待測電阻R的端電壓UR隨滑動變阻器調節線性關系越來越強;當R0

3? 設計多元對話，實現深度參與

深度學習提倡學習者在學習中積極、主動、持續地參與，不僅是形式上積極參與，更重要的是在自主構建問題基礎上，在問題的討論、交流、分析、歸納中的高階思維參與，通過多層次、推進式的思維進階，實現知識有意義的自主構建[ 4 ]。

3.1? 基于自主探究的人機對話互動

本節課在配備學生小組使用電腦的探究實驗室進行，可以滿足學生教學過程中在教師的指導下，利用Excel軟件進行自主探索，不僅讓學生積極參與到學習過程中，還能獲取更豐富的直觀數據和圖象，有利于學生思維廣度和深度的提升。

3.2? 指向問題的小組討論交流互動

以各小組獲得的實驗圖表為基礎，就兩種電路中待測電阻R與滑動變阻器阻值R0的關系對UR調節的影響這一核心問題，展開小組討論。學生根據實際獲取的數據和圖象，結合自己的理解進行表達與交流，激發學生的思維碰撞，進而歸納、分析、概括總結，實現思維品質的提升和知識的內化。

4? 結語

在實驗教學中融合Excel軟件強大的計算和圖表功能，有效解決實驗教學數據處理繁雜的問題，有助于激發和保持學生的學習動機，引導學生深度參與;有助于將復雜的數學方程轉化為直觀動態的圖象，讓學生在深度的直觀體驗中加深對物理規律的深度理解;有助于培養學生的問題意識和學習利用圖象分析解決問題的方法，促進學生的深度思維;有助于養成學生重視分析實驗數據的習慣，提升學生科學素養。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2007年版）[S].北京：人民教育出版社，2017.

[2]郭元祥.深度學習：本質與理念[J].新教師，2017（7）：11-14.

[3]翟孝影.從調節方便角度看分壓限流電路的選擇[J].物理教師，2010，31（5）：20.

[4]康淑敏.基于學科素養培育的深度學習研究[J].教育研究，2016（7）：111-117.