虛擬仿真軟件在中學物理實驗教學中的應用

劉芷余 秦宇飛 柴萬東

摘 要：物理學是以實驗為基礎的自然科學，實驗教學是高中物理教學的基礎與主題。在教育信息化的浪潮下，虛擬仿真實驗作為一種以虛擬仿真技術為支撐的實驗教學新形式，通過圖形化界面模擬實物實驗的過程與效果，幫助學生直觀、形象地體驗實驗操作過程，具有沉浸式、高仿真、突破時間和空間的限制等特點，與傳統實驗相互補充，是目前國家推進現代信息技術融入實驗教學的重點項目。為了提高物理實驗的教學效果，培養學生的創新學習能力，形成嚴謹的、實事求是的世界觀，本文以高中物理實驗“伏安法”測電阻為例，利用Multisim 14.0進行虛擬仿真，對虛擬仿真實驗在高中物理教學中的應用進行探討。

關鍵詞：虛擬仿真實驗；中學物理實驗教學；Multisim 14.0

中圖分類號：G632? 文獻標識碼：A? 文章編號：1673-260X（2023）06-0060-04

收稿日期：2023-02-16

通訊作者：柴萬東（1971-），男，漢族，內蒙古赤峰市人，碩士研究生導師，教授。研究方向：傳感器應用，基本教育理論。

基金項目：內蒙古自治區“十四五”教育規劃課題（2022JGH455）

1 前言

《“十四五”國家信息化規劃》明確指出，要針對各教育階段與教育類型的不同需求，建設支持育人全過程、動態更新的高質量數字教育資源體系。借助虛擬現實、增強現實、人工智能等技術，實現虛實融合教學場景、智能導學系統、智能助教、智能學伴、教育機器人等新型資源開發，使數字教育資源更好地服務于師生的知識建構、技能訓練、交流協作、反饋評價等教學活動[1]。

教育信息化可以滿足學生個性化學習的要求，使教育教學更加靈活。提高了學生運用信息技術工具，掌握信息的檢索、整合、評估和利用能力。為學生提供更多的資源和平臺，培養學生的創新思維和創新能力，更好地了解國際前沿的教育理念、方法和技術，提高學生的國際視野和國際競爭力，為學生未來的發展打下良好的基礎。

2018年，教育部頒布了《教育部關于開展國家虛擬仿真實驗教學項目建設工作的通知》，明確提出國家虛擬仿真實驗教學項目是推進現代信息技術融入實驗教學項目、拓展實驗教學內容廣度和深度、延伸實驗教學時間和空間、提升實驗教學質量和水平的重要舉措[2]。目前，全國各大高校都在建設虛擬仿真實驗項目。因此，虛擬仿真實驗受到了教育研究者的關注。

《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“新課標”）充分總結了我國高中物理課程改革的經驗，吸收了國內外優秀的教育理念，提出了物理學科核心素養[3]。新課標明確強調了信息技術在物理教學中的實際應用，要求關注信息化環境下的教學改革，隨著科學技術的不斷發展，及時更新教學內容和教學體系。將多媒體、仿真實驗運用于物理實驗教學中，是未來物理實驗教學改革的趨勢[4]。

2 虛擬仿真軟件在物理實驗教學中的應用

應用虛擬仿真軟件輔助教學，能夠避免實驗耗材量大、實驗器材難搭建、老舊實驗器材磨損，誤差增大等問題。部分實驗器材比較昂貴，學校無法大量購入，教師上課時只能做演示實驗或播放實驗視頻，學生不能親自體驗實驗過程，教學效果大打折扣。

傳統實驗的實驗器材較多，且都比較專業，學生只能在學校的實驗室里進行操作，并且通常只有一次做實驗的機會。虛擬實驗可以在手機上或電腦上進行操作，學生能夠使用虛擬仿真軟件不斷地重復實驗，大大提高了實驗效果。

虛擬仿真實驗有安全性高、成本低、可重復性好等優勢。傳統實驗可以讓學生獲得實際操作經驗，更好地理解理論知識，學生親身感受實驗現象和變化，提高他們的興趣和參與度。若將虛擬仿真實驗與傳統實驗相結合，能夠獲得更好的學習效果。

2.1 將Multisim 14.0應用于中學“伏安法”測電阻實驗

Multisim是一款專業的電子電路仿真軟件。包括電路原理的圖形輸入和電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力，可以交互式地搭建電路原理圖，并對電路進行仿真[5]。該軟件具有大量的元器件和測量儀器工具，其電路符號與實際應用中的電路符號非常接近，學生在初中時就已經熟練掌握基本電路元器件符號，非常容易上手。且這款軟件版本很多，可以安裝在電腦和平板電腦等智能終端上，因此使用很便利，在物理實驗教學中被廣泛使用。

“伏安法”測電阻實驗是人教版高中物理必修三中的內容，本節內容是在學生已具有一定電路知識背景下，運用歐姆定律，利用“伏安法”對未知電阻進行測量計算。實驗過程中由于電壓表的分流及電流表的分壓，使得對不同阻值的電阻進行測量時產生誤差不同。為了使測量值更加接近于真實值，當待測電阻值遠大于電流表的內阻時使用“內接法”；待測電阻遠小于電壓表的內阻時，使用“外接法”。

在傳統的實驗教學中，學生遇到的困難主要有：（1）忽視對內接法和外接法的定義，把內接法和外接法電路混淆，進而導致實驗結果的誤差和不確定性；（2）對測量值和真實值的概念理解不夠透徹，導致學生無法準確地分析實驗誤差和誤差來源，從而無法理解實驗結論；（3）內接法、外接法定量推導過程比較復雜，學生不易理解，導致學生無法靈活運用所學到的知識；（4）在實物實驗中，由于課堂時間限制，學生做實驗時來不及選用多組不同阻值的電阻進行實驗，且實驗的精度受到電流表、電壓表的精度以及溫度等因素的影響，實驗的誤差較大，學生對實驗結論會產生懷疑。

2.2 利用Multisim 14.0進行“伏安法”測電阻實驗的設計思路

2.2.1 電路連接及參數設置

在Multisim的元器件庫中，選擇對應的元器件，將其擺放到合適的位置上，用鼠標右鍵選中一個元器件的一端，再將鼠標移動到另一個元器件的一端，點擊選中，就能完成兩個元器件的連接（起? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?到實物實驗中導線的作用）。重復以上操作，即可完成電路連接。如圖1和圖2所示。

在Multisim 14.0中，可以方便地設定電流表、電壓表的內阻以及待測電阻的阻值，雙擊某個元器件，即可更改其屬性值。待測電阻可以選擇的范圍是1mΩ-5TΩ，電流表的內阻最小為1nΩ，電壓表的內阻最大為1000TΩ；電流表的量程為0-1GA，電壓表的量程為0-1GV。另外，Multisim 14.0仿真軟件不存在安全隱患，即使學生不小心接錯電路也沒有危險，Multisim 14.0提示學生電路所出現的問題，學生能夠根據提示及時改正。

2.2.2 實驗過程

在傳統“伏安法”測電阻實驗中，根據被測電阻的阻值大小選擇外接法和內接法。當RX>時（即RX為大電阻），用內接法；當RX<時（即RX為小電阻），用外接法；當RX=時，內接法、外接法均可。為了驗證該結論是否正確，可進行兩組實驗。

（1）在電壓表內阻為2KΩ，電流表內阻為1Ω的情況下進行實驗

Multisim14.0進行仿真實驗的誤差極小，可以忽略不計，中學實驗室中所用電壓表內阻約為2KΩ，電流表的內阻約為1Ω，在進行實驗時將電壓表、電流表的內阻設置為這兩個數值后，選取阻值分別2000Ω、1000Ω、500Ω、100Ω、50Ω、44.72Ω（即RX=時）、10Ω、5Ω、1Ω、0.1Ω的電阻，分別用內接法和外接法進行測量對比，并得出實驗結論（計算結果僅保留兩位小數）。點擊運行“?”按鈕，電路開始運行，記下電流表、電壓表顯示的值，如表1所示。

當待測電阻阻值為44.72Ω時，內接法所測得阻值為45.72Ω，外接法所測得阻值為43.72Ω，兩種方法的誤差均為1Ω，驗證了當RX=時，選用內接法、外接法均可這一結論。以44.72Ω（RX=）為分界線，當待測電阻較小且與電流表內阻相近（即RX<）時，內接法的誤差較大，而外接法的誤差較小，在測量時應采用外接法；當待測電阻較大且與電壓表內阻相近（即RX>）時，外接法的誤差較大，內接法的誤差較小，在測量時應采用內接法。

（2）在電壓表內阻為10KΩ，電流表內阻為0.1Ω的情況下進行實驗

將Multisim中的電壓表的內阻調整到10KΩ，將電流表的內阻調整到0.1Ω，然后分別用內接法和外接法測量電阻值為2000Ω、1000Ω、500Ω、100Ω、50Ω、31.62Ω（即RX=時）、10Ω、5Ω、1Ω、0.1Ω的電阻，由這兩種方法得出的測量值計算出電阻的阻值（計算結果僅保留兩位小數）。點擊運行“?”按鈕，電路開始運行，記下電流表、電壓表顯示的值，如表2所示。

當待測電阻阻值為31.62Ω時，內接法所測得阻值為31.72Ω，外接法所測得阻值為31.52Ω，兩種方法的誤差均為0.1Ω，并且以44.72Ω（RX=）為分界線，再次驗證了公式推論是正確的。

對比表1和表2，表2的實驗誤差要比表1的小，也就是說當電壓表的內阻較大，電流表的內阻較小時，實驗的誤差更小，測量出來的電阻阻值更加精確。學生們可以利用課余時間，繼續改變電壓表、電流表的內阻，分別用內接法和外接法測量幾種電阻值不同的電阻從而驗證該結論是正確的。

根據上述兩個實驗可以看出利用Multisim進行“伏安法”測電阻實驗，能夠讓學生領會大電阻、小電阻的說法是相對于電流表、電壓表的內阻。學生在多次進行測量并通過歐姆定律算出阻值后與自己設定的電阻阻值相比較，就能檢驗兩種方法的誤差分析是否正確，驗證公式推導是否正確，能夠加深學生對伏安法測電阻原理的理解，幫助學生記憶，在遇到這類問題時能夠選擇合適的方法。

3 結語

隨著科技的不斷發展，信息化教學正在走進大眾的視野，對教育教學起著非常重要的作用。在這些信息化教學方式沖擊傳統教學的同時，也為教師提供了課堂改革的機遇[6]。在這種簡單直觀的仿真實驗中，學生更加輕松地掌握物理知識，培養學生的科學探究能力，充分發揮了在物理實驗教學中教師的主導作用，體現了學生的主體地位。

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參考文獻：

〔1〕國家互聯網信息辦公室.“十四五”國家信息化規劃[EB/OL].http：//www.cac.gov.cn/2022-03/08/c_1648363725755324.html.

〔2〕教育部.教育部關于開展國家虛擬仿真實驗教學項目建設工作的通知[EB/OL].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7945/s7946/201806/t20 180607_338713.html.

〔3〕教育部.普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）[M].北京，人民教育出版社，2017.

〔4〕高爍.虛擬仿真技術在初中物理實驗教學中的應用[D].湖南，湖南理工學院，2020.

〔5〕張景俊.基于Multisim仿真的中學物理實驗教學改革[J].濰坊學院學報，2020，20（02）：81.

〔6〕趙凱.虛擬方針技術在電子技術信息化實踐教學中的應用——以Multisim為例[J].西部素質教育，2020，6（06）：118-119.