實驗手段“數字化” 實驗過程“可視化”

摘" 要：本文將數字化系統與物理實驗相結合，借助數字化實驗系統圖形編程計算機軟件LabVIEW與便攜性數據采集設備NI myDAQ，清晰地展示電容充放電過程中電流、電壓和電量隨時間變化的曲線關系，解決了高中電容充放電實驗過程難以觀察與記錄實驗現象，實驗演示成功率較小的問題，同時增加了實驗過程的圖像表征，實現了“宏觀—微觀—符號—曲線”的教學模式，將實驗由簡單的現象推結論轉化為對深層次物理原理的探索。

關鍵詞：電容充放電；暫態過程；虛擬儀器；LabVIEW

1" 引言

物理實驗只有不斷創新才能發揮出巨大的價值，《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課程標準》）列出21個學生必做實驗，并在活動建議中提到使用傳感器完成部分實驗。在教學中開發數字化實驗，開展數字化實驗教學是對國家教育數字化戰略的響應。［1］

2" 數字化實驗與物理實驗相結合的研究意義

《課程標準》強調要把信息技術與物理實驗相結合，將數字化實驗應用于電容充放電實驗的教學中的這一舉措深化了《課程標準》的要求，具有以下研究意義：①解決了高中電容充放電的實驗演示難以觀察與記錄、成功率較小的問題，加深了學生對這些瞬態變化中包含的物理概念和規律的理解；②《課程標準》對電容充放電實驗的實驗一般要求學生能夠理解和掌握物理量隨時間變化的圖像，并說出每段圖像中對應的狀態。應用數字化實驗能準確得到圖像，利于學生圖像認知能力的發展；③將數字化實驗融入電容充放電實驗過程教學，加強了實驗教學與現代社會以及科技發展的聯系，可以提高學生學習的興趣。［2］

3" 電容充放電數字化實驗平臺的構建

本研究應用的虛擬儀器是NI myDAQ，其具有極高的采樣率，能使短暫發生的物理現象更加直觀明顯，因此非常適合用在瞬間測量量產生變化的場合。它能獲取大量動態的信息，是研究瞬態過程的有力工具。

筆者開發的電容充放電實驗的總體結構如圖1所示，平臺采用圖形編程計算機軟件LabVIEW與便攜性數據采集設備NI myDAQ搭建。LabVIEW的編程數據并不是基于虛擬計算的結果，而是通過USB接口連接NI myDAQ進行真實的信號采集獲得。LabVIEW在其虛擬面板上提供了大量可視化儀表，方便學生進行個性化的數據記錄、數據顯示和圖像處理。NI myDAQ能夠用于虛擬儀器與實驗儀器的交互，方便學生進行數據采集，控制實驗儀器設備和各種執行器。

電容充放電實驗通常選用電流表顯示電路中的電流變化，由于電容充放電時間太短，實際上學生僅能看到電流表指針晃動，但是較難辨認電流方向。

圖2為平臺的整體裝置圖，下面將介紹該平臺的硬件設計、軟件設計以及性能測試方法。

圖3為電容充放電的實驗的原理圖，開關撥到“A”擋時，電源通過電阻向電容充電；將開關撥向“B”檔，電容通過電阻放電。學生可使用NI myDAQ采集電容兩端的電流和電壓，在LabVIEW中描畫出的充放電過程中電容兩端電流以及電壓隨時間的變化關系，從而進行可視化處理和個性化顯示。

為了更好地演示電容器的充電放電過程，筆者制作了多參數電容充電放電的電路板，電路如圖4所示，實物如圖5所示，用來對比不同參數的電阻和電容的充放電過程。

多參數電容充放電演示實物圖

4" 數字化實驗在電容充放電實驗教學中的應用

4.1" 探究充放電過程中電壓及電流的變化

本實驗硬件平臺的充放電LED指示燈既可以演示傳統實驗中燈泡閃亮以及慢慢變暗的現象［3］，又實現了對電壓值以及電流值的采集和可視化。圖6展示了實驗結果，圖6（a）表示電壓u隨時間t的變化趨勢，圖6（b）表示電流i隨時間t的變化趨勢。

（a）

（b）

充放電過程的u-t和i-t圖線

該平臺還能顯示兩極板上積累/釋放的電荷量，也有利于學生理解電容器“充放電”的概念。該實驗通過對電流電壓的可視化，可以讓學生對電流充放電過程中“緩慢變化”和“突變”等描述文字有更深入理解。［4］該平臺還能幫助學生理解電容具有充放電的本領：在充放電過程中，電壓并不是突變的，而是有一個非線性變化的瞬態過程，該瞬態過程中有電流流過，并且電流是突變的，而且充電和放電過程電流是反向的；充電穩定后，電路相當于斷路，電路中也就沒有了電流，可見電容有“隔直流”的特性。還可以看出，充電電荷量等于放電電荷量，充了多少電后面就放多少電。

4.2" 探究帶電量和電勢差的關系（電容概念的建立）

因為電容是用比值定義法定義的物理量，所以學生不容易理解這個抽象概念。傳統教學用容器類比顯得有些牽強，通過利用NI myDAQ獲得電荷量與電勢差的關系，從而得到電容的概念，可以將抽象的概念具象化，并且具有說服力。

以下是電源電壓分別是1.5V、3V、4.5V以及6V時獲得的充電電量與電勢差的變化關系，如圖7所示。

從結果可得，電勢差隨著帶電量的增大而增大，它們之間的比值是一個定值，我們把這個比值定義為電容。這個物理量是電容器本身的性質，不隨著帶電量及電壓改變而改變。

4.3" 探究電容及電阻的參數對于充放電時間的影響

數字化實驗能夠實時記錄實驗過程的數據，并且以圖像的方式展示。學生可以自主進行探究，借助數字化實驗，主動發現和建構知識，面對復雜困難的情境學會自主思辨，在這一過程中提高創新實踐能力，更好地掌握物理概念，突破學科教學難點。［5］

本平臺可以設置不同參數的電容、電阻，學生可以借此探究電容大小及電阻的大小對于充放電時間的影響。表1為利用控制變量法進行的幾組實驗的實驗數據。

當固定C＝470μF時，充放電時間和電阻的關系圖如圖8所示。可以發現充電時間比放電時間短，而且電阻越大，充電時間和放電時間的差距就越大，并且充電時間和放電時間長短和電阻大小成正相關。

當固定電阻R＝4.7kΩ時，充放電時間和電容的關系圖如圖9所示。可以發現充電時間比放電時間短，而且電容越大，充電時間和放電時間的差值越大，并且充電時間和放電時間長短和電容大小類似成正相關。

5" 結語

數字化實驗不僅能輔助教學，通過可視化的物理過程和數形結合的方式定量呈現物理規律，有助于學生學習能力和實踐能力的提升，真正落實實驗探究的物理學科核心素養。

參考文獻

［1］李進.初中物理實驗創新的數字化策略與案例［J］.中學物理，2024，42（10）：18-21．

［2］傅密.教育數字化賦能物理實驗教學的內涵意蘊、現實障礙及實踐進路［J］.中學物理，2024，42（5）：13-18．

［3］時子豪，張石友.基于提升科學探究能力的高中物理實驗教學——以“觀察電容器的充放電現象”實驗教學為例［J］.實驗教學與儀器，2023，40（9）：5-7．

［4］張瑜，陳耀龍，黃藝雯.探究電容器電容的自制教具［J］.實驗教學與儀器，2023，40（1）：70-73．

［5］付國富，吳衛鋒.數字化賦能初中物理實驗的應用與思考［J］.物理教學，2023，45（12）：25-28，32．