信息技術賦能物理電學實驗的實施路徑研究

摘要：信息技術與物理學科實驗的有機融合，為探索物理實驗教學的新模式帶來契機。本研究以信息技術與物理電學實驗融合的實施路徑為視角，重新定義了實驗教學和學習形態，并在增強學生學習體驗、增進協作分享、提高實驗教學效能等方面發揮了積極作用。

關鍵詞：信息化工具；數據處理；電學實驗

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

傳統教學手段的不足與信息技術的優勢

在傳統電學實驗中，學生需要根據實際情況設計并挑選器材。但在實際教學中學生會出現以下問題：

①真操作，假設計。由于分組實驗需要的器材較多，實驗室設備有限，教師常提前備好實驗器材，學生可以跳過設計階段，直接操作。

②真記錄，假處理。由于實驗教學實驗時間、器材精度和穩定性有限，學生在采集數據后，往往來不及處理，直接按照理論“亂編”結果和圖像，或者當發現數據與理論不符后直接“修正”成理論值。

③真記憶，假理解。由于實驗器材可調整的參數很少，學生在實際操作中難以感知到不同方案對實驗結果的影響，甚至部分學生是通過“大內偏大，小外偏小”“分壓選小的，限流選近的”之類的口訣來記憶。

想要避免出現以上問題，筆者認為信息技術與物理實驗學科應進行有效融合。

物理實驗對信息技術的需求分析

①使用仿真實驗室進行實驗方案設計。仿真實驗室是一種可以模擬和重現真實實驗環境的虛擬實驗室。它通過信息技術手段，將實驗所需的器材、儀表、試劑等物品以數字化的形式呈現在屏幕上，讓學生可以在虛擬環境中進行實驗操作和數據收集。由于仿真器材數量無限制，參數可根據需要調節，學生可以根據自己的想法現場設計方案，連接器材，并通過調整器材參數觀察實驗方案對測量精度的影響。

②使用Excel軟件分析實驗數據。Excel軟件中的可視化圖形模塊、數據挖掘性項目統計、即時性評價手段等，為電學實驗的可視化提供了有力的支持。

實驗的學習目標就是掌握設計思路，學會器材連接和操作方法，采集數據并能進行數據處理和誤差分析。筆者在教學過程中，以實物器材操作為起點，以理論推導為依據，組織學生基于實驗數據進行猜想，設計驗證方案，借助仿真實驗室和Excel等信息化工具快速得出實驗數據并繪制圖線，依此進行科學論證。最后，組織學生總結方案設計和器材選擇的方法。

信息技術與物理電學實驗融合的實施路徑

伏安法測電阻是最基礎、最重要的電學實驗，更是其他電學實驗設計的重要模塊。學生在初中就能夠使用伏安法測量電阻，在高中階段，學生還要通過本實驗掌握基本的電路設計方法、器材選擇和誤差分析思路。為了幫助學生達成學習目標，筆者在本實驗中深度融合了信息技術手段，教學流程如圖1所示。

1.以點擊面，確定項目主題

學生根據實驗電路圖（如圖2），連接實驗器材，記錄電壓表和電流表的示數，計算定值電阻阻值，對照定值電阻的參數嘗試分析產生誤差的原因。

2.以研促思，議定實驗方向

教師結合串并聯電路的特點，對內接法與外接法的誤差成因進行分析。

在仿真實驗軟件中（如圖3），將待測電阻的阻值設置為30Ω，將電壓表的阻值設置為1kΩ，將電流表的阻值設置為10Ω。通過仿真實驗數據計算測得的阻值，并計算相對誤差。保持測量電路兩端電壓恒為3V，調整電壓表和電流表的阻值，在Excel軟件中對應位置輸入如下公式：

在G2格內輸入：=B2/（（C2*D2/（C2+D2））+E2）

在F2格內輸入：=G2*（C2*D2/（C2+D2））

在H2格內輸入：=F2/G2

在I2格內輸入：=（C2-H2）/C2

調整單元格的格式，即可快速得到如下頁圖4所示的結果。學生據此即可分析得出：①僅電壓表阻值逐漸增大時，相對誤差逐漸減小，由此推斷如果電壓表為理想電表（內阻無窮大），則相對誤差應該為0。②僅電流表阻值逐漸減小時，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電壓表測量的數據為電阻兩端的真實電壓，電流表測量的數據不是通過電阻的真實電流。④在使用外接法測量電阻時，測量值小于真實值。

如果使用傳統的實驗器材進行實驗，采集數據、處理數據就需要大量時間，而且受制于器材的精度和穩定性，學生得到的數據可能會有明顯波動，難以直觀看出變化規律。若使用仿真實驗軟件和Excel，學生可以快速、直觀地得出內接法測量電阻時的誤差情況、變化趨勢，從而分析誤差產生原因。

3.依據數據，確定實驗進程

在仿真實驗軟件中將電壓表的阻值設置為10kΩ，將電流表的阻值設置為1Ω。學生分別計算通過內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組的計算公式需做如下調整：

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

在F2格內輸入：=G22*（C22+E22）

在H2格內輸入：=F22/G22

在I2格內輸入：=（H22-C22）/C22

可得計算數據如圖5所示，并繪制待測電阻阻值與相對誤差的關系圖線，如下頁圖6所示。

學生通過分析實驗數據，歸納總結內外接法的選擇依據，結合仿真實驗的數據進行理論推導得出：

使用仿真實驗軟件和Excel分析數據，可以快速比較內接法與外接法對實驗結果的影響。通過觀察圖像，學生可以明確感知：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，內接法的誤差在逐漸減小。圖線還表明當測量阻值較小的電阻時外接法更精確，當測量阻值較大的電阻時內接法更精確，“小電阻”和“大電阻”的分界點正是兩條圖線的交點。

4.以驗替論，擬定實驗外因

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

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

時，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驗的理論精度，但卻對實驗操作有很大影響。通過仿真實驗軟件可以讓學生充分體驗到不同滑動變阻器對實驗的影響。在不斷調整滑動變阻器最大阻值的過程中，學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，使用Excel處理大量理論數據并繪制圖像，從而真正掌握如何選擇滑動變阻器的方法。

結語

合理利用好信息化工具可以突破實驗器材、儀器、試劑等物品的限制，極大提升實驗教學效率，還能將抽象的結論可視化，顯著降低理解難度，幫助學生建立感性認知，輔助學生驗證自己的改進方案，從而提升學生的科學論證能力和學科核心素養。但教師還需注意，有些實驗還是需要學生親手使用實物器材進行實驗，讓學生通過動手體會操作細節，進行誤差分析。

參考文獻：

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