信息技術(shù)賦能物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)的實(shí)施路徑研究

摘要：信息技術(shù)與物理學(xué)科實(shí)驗(yàn)的有機(jī)融合，為探索物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新模式帶來契機(jī)。本研究以信息技術(shù)與物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)融合的實(shí)施路徑為視角，重新定義了實(shí)驗(yàn)教學(xué)和學(xué)習(xí)形態(tài)，并在增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)體驗(yàn)、增進(jìn)協(xié)作分享、提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效能等方面發(fā)揮了積極作用。

關(guān)鍵詞：信息化工具；數(shù)據(jù)處理；電學(xué)實(shí)驗(yàn)

中圖分類號：G434" 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A" 論文編號：1674-2117（2024）06-0067-04

傳統(tǒng)教學(xué)手段的不足與信息技術(shù)的優(yōu)勢

在傳統(tǒng)電學(xué)實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生需要根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)并挑選器材。但在實(shí)際教學(xué)中學(xué)生會出現(xiàn)以下問題：

①真操作，假設(shè)計(jì)。由于分組實(shí)驗(yàn)需要的器材較多，實(shí)驗(yàn)室設(shè)備有限，教師常提前備好實(shí)驗(yàn)器材，學(xué)生可以跳過設(shè)計(jì)階段，直接操作。

②真記錄，假處理。由于實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)間、器材精度和穩(wěn)定性有限，學(xué)生在采集數(shù)據(jù)后，往往來不及處理，直接按照理論“亂編”結(jié)果和圖像，或者當(dāng)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)與理論不符后直接“修正”成理論值。

③真記憶，假理解。由于實(shí)驗(yàn)器材可調(diào)整的參數(shù)很少，學(xué)生在實(shí)際操作中難以感知到不同方案對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，甚至部分學(xué)生是通過“大內(nèi)偏大，小外偏小”“分壓選小的，限流選近的”之類的口訣來記憶。

想要避免出現(xiàn)以上問題，筆者認(rèn)為信息技術(shù)與物理實(shí)驗(yàn)學(xué)科應(yīng)進(jìn)行有效融合。

物理實(shí)驗(yàn)對信息技術(shù)的需求分析

①使用仿真實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)。仿真實(shí)驗(yàn)室是一種可以模擬和重現(xiàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的虛擬實(shí)驗(yàn)室。它通過信息技術(shù)手段，將實(shí)驗(yàn)所需的器材、儀表、試劑等物品以數(shù)字化的形式呈現(xiàn)在屏幕上，讓學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作和數(shù)據(jù)收集。由于仿真器材數(shù)量無限制，參數(shù)可根據(jù)需要調(diào)節(jié)，學(xué)生可以根據(jù)自己的想法現(xiàn)場設(shè)計(jì)方案，連接器材，并通過調(diào)整器材參數(shù)觀察實(shí)驗(yàn)方案對測量精度的影響。

②使用Excel軟件分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。Excel軟件中的可視化圖形模塊、數(shù)據(jù)挖掘性項(xiàng)目統(tǒng)計(jì)、即時(shí)性評價(jià)手段等，為電學(xué)實(shí)驗(yàn)的可視化提供了有力的支持。

實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)目標(biāo)就是掌握設(shè)計(jì)思路，學(xué)會器材連接和操作方法，采集數(shù)據(jù)并能進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和誤差分析。筆者在教學(xué)過程中，以實(shí)物器材操作為起點(diǎn)，以理論推導(dǎo)為依據(jù)，組織學(xué)生基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行猜想，設(shè)計(jì)驗(yàn)證方案，借助仿真實(shí)驗(yàn)室和Excel等信息化工具快速得出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并繪制圖線，依此進(jìn)行科學(xué)論證。最后，組織學(xué)生總結(jié)方案設(shè)計(jì)和器材選擇的方法。

信息技術(shù)與物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)融合的實(shí)施路徑

伏安法測電阻是最基礎(chǔ)、最重要的電學(xué)實(shí)驗(yàn)，更是其他電學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的重要模塊。學(xué)生在初中就能夠使用伏安法測量電阻，在高中階段，學(xué)生還要通過本實(shí)驗(yàn)掌握基本的電路設(shè)計(jì)方法、器材選擇和誤差分析思路。為了幫助學(xué)生達(dá)成學(xué)習(xí)目標(biāo)，筆者在本實(shí)驗(yàn)中深度融合了信息技術(shù)手段，教學(xué)流程如圖1所示。

1.以點(diǎn)擊面，確定項(xiàng)目主題

學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)電路圖（如圖2），連接實(shí)驗(yàn)器材，記錄電壓表和電流表的示數(shù)，計(jì)算定值電阻阻值，對照定值電阻的參數(shù)嘗試分析產(chǎn)生誤差的原因。

2.以研促思，議定實(shí)驗(yàn)方向

教師結(jié)合串并聯(lián)電路的特點(diǎn)，對內(nèi)接法與外接法的誤差成因進(jìn)行分析。

在仿真實(shí)驗(yàn)軟件中（如圖3），將待測電阻的阻值設(shè)置為30Ω，將電壓表的阻值設(shè)置為1kΩ，將電流表的阻值設(shè)置為10Ω。通過仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算測得的阻值，并計(jì)算相對誤差。保持測量電路兩端電壓恒為3V，調(diào)整電壓表和電流表的阻值，在Excel軟件中對應(yīng)位置輸入如下公式：

在G2格內(nèi)輸入：=B2/（（C2*D2/（C2+D2））+E2）

在F2格內(nèi)輸入：=G2*（C2*D2/（C2+D2））

在H2格內(nèi)輸入：=F2/G2

在I2格內(nèi)輸入：=（C2-H2）/C2

調(diào)整單元格的格式，即可快速得到如下頁圖4所示的結(jié)果。學(xué)生據(jù)此即可分析得出：①僅電壓表阻值逐漸增大時(shí)，相對誤差逐漸減小，由此推斷如果電壓表為理想電表（內(nèi)阻無窮大），則相對誤差應(yīng)該為0。②僅電流表阻值逐漸減小時(shí)，相對誤差不變，由此推斷電流表的阻值不影響外接法的相對誤差。③電壓表測量的數(shù)據(jù)為電阻兩端的真實(shí)電壓，電流表測量的數(shù)據(jù)不是通過電阻的真實(shí)電流。④在使用外接法測量電阻時(shí)，測量值小于真實(shí)值。

如果使用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，采集數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)就需要大量時(shí)間，而且受制于器材的精度和穩(wěn)定性，學(xué)生得到的數(shù)據(jù)可能會有明顯波動，難以直觀看出變化規(guī)律。若使用仿真實(shí)驗(yàn)軟件和Excel，學(xué)生可以快速、直觀地得出內(nèi)接法測量電阻時(shí)的誤差情況、變化趨勢，從而分析誤差產(chǎn)生原因。

3.依據(jù)數(shù)據(jù)，確定實(shí)驗(yàn)進(jìn)程

在仿真實(shí)驗(yàn)軟件中將電壓表的阻值設(shè)置為10kΩ，將電流表的阻值設(shè)置為1Ω。學(xué)生分別計(jì)算通過內(nèi)接法與外接法測量不同阻值的定值電阻的相對誤差，第21～40組的計(jì)算公式需做如下調(diào)整：

在G22格內(nèi)輸入：=B22/（（D22*E22/（D22+E22）+C22））

在F2格內(nèi)輸入：=G22*（C22+E22）

在H2格內(nèi)輸入：=F22/G22

在I2格內(nèi)輸入：=（H22-C22）/C22

可得計(jì)算數(shù)據(jù)如圖5所示，并繪制待測電阻阻值與相對誤差的關(guān)系圖線，如下頁圖6所示。

學(xué)生通過分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，歸納總結(jié)內(nèi)外接法的選擇依據(jù)，結(jié)合仿真實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行理論推導(dǎo)得出：

使用仿真實(shí)驗(yàn)軟件和Excel分析數(shù)據(jù)，可以快速比較內(nèi)接法與外接法對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。通過觀察圖像，學(xué)生可以明確感知：在電表阻值不變的情況下，隨著待測電阻的阻值增大，外接法的誤差在增大，內(nèi)接法的誤差在逐漸減小。圖線還表明當(dāng)測量阻值較小的電阻時(shí)外接法更精確，當(dāng)測量阻值較大的電阻時(shí)內(nèi)接法更精確，“小電阻”和“大電阻”的分界點(diǎn)正是兩條圖線的交點(diǎn)。

4.以驗(yàn)替論，擬定實(shí)驗(yàn)外因

在仿真實(shí)驗(yàn)軟件中分別用分壓法和限流法連接控制電路，調(diào)整滑動變阻器的撥片位置，觀察電壓表和電流表的示數(shù)變化情況。調(diào)整滑動變阻器的最大阻值，對比不同滑動變阻器對實(shí)驗(yàn)控制的影響。

結(jié)合電路中其他元器件的阻值，分別計(jì)算分壓法與限流法（假設(shè)電表均為理想電表）中的撥片位置與電表指針偏轉(zhuǎn)角度的關(guān)系，并使用Excel做出關(guān)系圖線（如下頁圖7、圖8）。結(jié)合圖像，學(xué)生總結(jié)滑動變阻器的選擇方案：①采用分壓接法時(shí)，選擇阻值較小的滑動變阻器。②采用限流接法

時(shí)，選擇阻值與待測電阻接近或略大的滑動變阻器。

雖然滑動變阻器的最大阻值并不會影響實(shí)驗(yàn)的理論精度，但卻對實(shí)驗(yàn)操作有很大影響。通過仿真實(shí)驗(yàn)軟件可以讓學(xué)生充分體驗(yàn)到不同滑動變阻器對實(shí)驗(yàn)的影響。在不斷調(diào)整滑動變阻器最大阻值的過程中，學(xué)生也能找出適合分壓法和限流法的滑動變阻器。最后通過理論推導(dǎo)，使用Excel處理大量理論數(shù)據(jù)并繪制圖像，從而真正掌握如何選擇滑動變阻器的方法。

結(jié)語

合理利用好信息化工具可以突破實(shí)驗(yàn)器材、儀器、試劑等物品的限制，極大提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率，還能將抽象的結(jié)論可視化，顯著降低理解難度，幫助學(xué)生建立感性認(rèn)知，輔助學(xué)生驗(yàn)證自己的改進(jìn)方案，從而提升學(xué)生的科學(xué)論證能力和學(xué)科核心素養(yǎng)。但教師還需注意，有些實(shí)驗(yàn)還是需要學(xué)生親手使用實(shí)物器材進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生通過動手體會操作細(xì)節(jié)，進(jìn)行誤差分析。

參考文獻(xiàn)：

林豐.知識可視化在高中物理教學(xué)中的應(yīng)用研究——以Excel作為知識可視化工具為例[J].中學(xué)物理，2022（19）：62-65.