虛擬儀器LabVIEW在高中物理實驗教學中的應用
——以“描繪小燈泡伏安特性曲線”實驗為例

劉丹瑜

(華南師范大學物理與電信工程學院 廣東 廣州 510006)

吳先球

(華南師范大學物理學科基礎課實驗教學示范中心 廣東 廣州 510006)

物理核心素養中有一重要組成部分——科學探究，而實驗探究則是科學探究教學的主要方式，在實驗教學中應充分發揮其幫助學生學習物理本質、形成科學思維，增強科學探究能力的功能.而在高中物理實驗教學中，教師在準備實驗器材、進行實驗設計、引導學生進行實驗操作及分析均需要付出許多時間，因此如何提高課堂實驗教學效率是值得思考的問題.《普通高中物理課程標準(2017 年版)》提出：“可適當介紹一些有利于物理教學或物理實驗的軟件工具，輔助學生學習物理或進行物理實驗”[1].然而值得注意的是，信息技術的運用并不是排斥或否定傳統實驗，它的價值在于使得教學手段多樣化從而優化與提升實驗教學效果.

基于此，本文提出虛擬儀器LabVIEW與真實的實驗儀器相結合的實驗方式，由此進行實驗教學設計，實現從物理量測量到數據分析的一體化，既能讓學生完成關鍵的操作，也能使得課堂教學效率得到提高，把更多時間放在引導學生關注科學探究的整體思路和方法以及關注實驗規律和本質上[2].

1 教學分析

“描繪小燈泡的伏安特性曲線”是學生進入高中后遇到的第一個電學實驗，也是后面的電學實驗的基礎，其電路設計中涉及的“分壓、限流式電路”“電流表內、外接法”“滑動變阻器量程選擇”等問題，以及在數據處理中涉及到的圖像法、誤差分析等，都是后面的電學實驗所要涉及的基本方法.通過本節課的教學將有利于培養學生知識的應用與遷移能力.

學生在初中階段已經探究過用伏安法測小燈泡的電阻，但對測量電路及測量原理的學習僅是淺層的，會讓部分學生形成思維定勢，對高中的教學造成阻礙.在實驗原理上，學生往往認為滑動變阻器的作用側重于保護電路，而不會從科學讀數、減少誤差等方面進行更全面的考慮；再比如限流式、分壓式接法的選擇依據，學生往往一知半解.而在實驗操作中，往往存在儀器容易損壞、數據處理繁瑣、學生體驗感不強等不足之處[3,4].

2 教學目標

新課標從核心素養4個維度向高中物理課程目標提出了要求，因此本教學設計基于物理核心素養提出教學目標：

(1)了解描繪小燈泡伏安特性曲線的實驗原理并分析其規律；

(2)通過進階式問題引發學生思考從而促進科學思維發展；

(3)培養學生實驗探究、數據處理能力等科學探究素養；

(4)培養學生用科學、客觀、嚴謹的態度看待問題的科學態度與責任.

3 實驗設計

根據描繪小燈泡伏安特性曲線的實驗原理，借助DAQ數據采集卡，將真實儀器與虛擬儀器LabVIEW相結合，真實實驗儀器包括電源、小燈泡(電阻)、滑動變阻器、電路、開關、導線等部分.圖1為實驗裝置系統結構圖，圖2為計算機端操作及顯示面板.

圖1 實驗裝置系統結構圖

圖2 計算機端操作及顯示面板

(1)本實驗教學設計將傳統實驗儀器與虛擬儀器LabVIEW相結合：利用真實實驗儀器構建實驗電路，提供實現伏安特性曲線的描繪所需要的電壓電流數據；通過虛擬儀器技術LabVIEW編程實現數據的處理和圖像呈現，讓學生把注意力更專注于探究實驗規律上，提高了學生的體驗感.

(2)該實驗裝置便于元件替換與測量電路的切換，如可將燈泡元件替換為定值電阻等其他待測元件，加一根導線可實現由限流式到分壓式接法的切換等.

(3)對實驗程序進行簡單修改可用于測量電源電動勢及內阻等實驗中.

4 實驗教學活動

4.1 創設情境 提出問題

環節1：認識實驗對象

教師：PPT展示生活常用的燈泡，如圖3所示.燈泡通過燈絲發熱進行照明，燈絲具有電阻，那小燈泡的伏安特性曲線的形狀如何？

(a) (b)

圖3 生活中常見的燈泡

學生：思考、回答問題.學生用歐姆表測定燈泡電阻，并以燈泡銘牌的數值計算電阻，二者對比產生差異，猜想是燈泡在工作時燈絲溫度變化導致電阻值的改變.

評析：從生活情境入手，讓學生直觀認識實驗的研究對象，加強物理與生活的聯系[5].

環節2：初步設計方案

教師：展示實驗器材，讓學生回憶初中的實驗方案，通過進階性問題詢問學生如何選擇器材去搭建電路完成小燈泡的伏安特性曲線測量.進階性問題設置如圖4所示.

圖4 進階性問題設置

學生：分組初步設計方案，基于初中的知識經驗，提出通過表格記錄數據，圖像描繪曲線的方式來進行數據處理.

評析：在傳統的實驗課中，教師通常直接給出實驗方案，不知不覺中就把“探究”抹去了，變成了“驗證性”實驗，導致有的學生理解過于表面，只會機械性地照搬實驗方案.在本設計中通過設計問題鏈，以問題為線索，將實驗設計的各部分連接在一起，形成一串情境，激發學生的學習興趣，為讓學生親歷實驗設計的過程,打破思維定勢從而為逐步完善方案打下基礎.

4.2 教師示范 呈現問題

教師先給出借助基于LabVIEW的虛擬實驗平臺進行測量和數據處理這一方案，將圖1中的小燈泡換成待測電阻，進行測量電阻的伏安特性曲線實驗演示，為學生接下來進行燈泡的伏安特性曲線實驗設計及操作做示范.

環節1：演示限流及分壓電路

教師：分別操作限流式電路和分壓式電路進行測量，得到如圖5和圖6所示的數據擬合曲線，讓學生發現問題.

圖5 限流式電路數據擬合曲線

圖6 分壓式電路數據擬合曲線

學生:利用限流電路得出來的數據點集中在一起，即滑動變阻器不能很好地改變燈泡兩端的電壓，而分壓式電路中的數據點則可以大范圍均勻分布在坐標系中，且可以從零開始調節.

教師：通過表格對比等方式，在學生觀察實驗數據后從理論的角度進行分析，加深理解，如表1所示.

表1 滑動變阻器限流式、分壓式接法對比

環節2：演示電流表的內外接法

教師：對同一待測電阻，分別演示電流表的內外接法，測出兩種電路讀數的差異.

表2 電流表外接法和內接法對比

學生：兩種接法測量數據及計算結果都不同.

評析：通過實時呈現圖像，可以讓學生直觀看到限流電路和分壓電路的區別，加深學生對兩種電路的理解.通過電流表內外接法的數據，讓學生直觀看到電表位置影響測量結果，打破學生對“理想電表”的認識，認識到電表也具有電阻的特性.在教師對電阻的動態實驗操作中，學生形成了用滑動變阻器的分壓式接法測量燈泡的伏安特性曲線的實驗方案.通過具體的實驗現象，從而創設真實情境，讓學生在觀察中形成方案，而不是空洞、抽象地進行理論分析.

4.3 分組實驗 自主探究

學生：按自己組內設計的實驗電路圖，連接好實物電路部分進行測量.拆除電路，整理儀器.

教師：指導學生完成基于LabVIEW的數據采集和處理部分：移動滑動變阻器，利用數據采集卡及LabVIEW的數據擬合功能，測量并記錄小燈泡在不同電壓下的電流，并繪制伏安特性曲線如圖7所示.

圖7 小燈泡的伏安特性曲線

教師：圖線的彎曲說明什么？圖線的斜率表示什么？請同學們歸納、總結實驗結論.

學生：圖線的彎曲說明隨著U增大，I增大，但I隨U的增大變得緩慢了，溫度升高.圖像斜率減小，說明R增大.實驗表明，小燈泡的電阻隨溫度的升高而增大，故小燈泡的伏安特性曲線(I-U圖)為斜率變小的曲線.

評析：讓學生在實驗操作中結合曲線變化情況得出結論，然后通過理論推導來解釋實驗現象，并通過與定值電阻測量的區別加深對小燈泡元件與其伏安特性曲線特性的認識，形成問題、證據、解釋、交流的完整科學探究過程，促使學生的科學素養有較大提高.利用基于LabVIEW的虛擬實驗平臺，一方面拓展學生的視野，另一方面節省數據處理時間，使得學生能把注意力集中在實驗現象以及根據現象分析物理規律本身，發揮信息技術應用到物理實驗的優勢.

5 總結

本文以基于LabVIEW平臺描繪小燈泡的伏安特性曲線實驗為例，對“虛實結合”的實驗方式進行了初步的探究.這樣的實驗方式做到了虛實結合，既保留了關鍵性的動手操作步驟，讓學生對實驗室的真實儀器進行操作，使實驗更貼合真實情境，讓學生的實驗操作能力得到提升；又運用虛擬技術簡化數據處理步驟，讓學生更好地關注實驗規律.在順應運用信息技術進行物理實驗趨勢的同時，做到與傳統實驗在思想上借鑒、在操作技能上相結合[2].