Falstad CircuitJS軟件在高中電路實驗教學中的應用

摘" "要：電路實驗是高中物理的重要組成內容，也是高考物理實驗部分的重要考查點。然而，由于諸多條件的限制，很多地區難以開展有效的實驗教學。為了提升高中電路實驗的教學水平，并有效培養學生的物理核心素養，通過分析2020年江蘇省高考物理第10題，探討了將Falstad CircuitJS仿真軟件引入高中物理實驗教學的方法。此舉旨在探索電路實驗教學的新模式，并引導學生進行自主探究和深度學習。

關鍵詞：Falstad CircuitJS仿真軟件；高中電路實驗；電路故障；深度學習

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A " " 文章編號：1003-6148（2025）2-0076-3

高中物理課程標準強調，在高中物理教學中應重視實驗教學，以培養學生的探究能力和科學態度［１］。近年來，高考電學實驗題趨向于貼近實際，側重于考查基本實驗技能和電路故障分析等［２］。在教學中，由于新高考“走班制”導致的師資調配需求［３］和課時限制，許多學生缺乏深入實驗學習的時間。此外，現實生活中無法操作一些較為復雜、危險性較高的電路故障演示，而故障診斷問題對學生的分析推理能力要求較高。為了提升課堂教學效果，并為學生營造電學實驗的深度學習環境，Ｆａｌｓｔａｄ ＣｉｒｃｕｉｔＪＳ軟件可作為電路實驗教學的輔助工具，幫助學生深化對電路的理解。通過將現代信息技術與物理教學相結合，可以提升教師的物理教學水平，培養學生的自主探究能力，并增強學生的物理學科核心素養。

１" " 仿真軟件介紹

Ｆａｌｓｔａｄ ＣｉｒｃｕｉｔＪＳ是一款開源的電路仿真軟件，可通過瀏覽器在線使用［４］。軟件界面包含６個菜單欄，提供文件創建與保存、電路編輯、繪制電路、設置示波器、顯示選項調整以及電路實例設置等功能。在“繪制”菜單下，有９個元件庫，涵蓋了高中電學實驗中常用的滑動變阻器、電容器、二極管等元件，幫助學生安全地學習電路的連接順序和基本結構。而“電路”菜單則包含了１８大類預設電路，如歐姆定律、電感串聯與并聯、變壓器等，基本涵蓋了高中電學實驗的教學內容。軟件界面中間區域是電路繪制區，將鼠標懸停在元件上時，會在屏幕右下角顯示其參數和運行狀態。界面右側設有“重制”“運行／停止”按鈕，以及控制仿真速度和電流速度的滑塊。與ＮＯＢＯＯＫ、ＰｈＥＴ、Ｍｕｌｔｉｓｉｍ等專業仿真軟件相比［５－７］，Ｆａｌｓｔａｄ ＣｉｒｃｕｉｔＪＳ軟件操作簡便，現象直觀，且免費使用，無需下載。用戶可以將實驗結果保存到本地，便于后續分析和討論。

２" " 利用Ｆａｌｓｔａｄ ＣｉｒｃｕｉｔＪＳ軟件分析電路實驗題

例題 （２０２０年江蘇省高考第１０題）某同學繪制了一種電子元件的電流—電壓（Ｉ－Ｕ）關系圖像。采用的實驗電路圖如圖１所示，其中為電壓表，為電流表，Ｅ為電源（電動勢約為６ Ｖ），Ｒ為滑動變阻器（最大阻值為２０ Ω），Ｒ０為定值電阻，Ｓ為開關。

調節滑動變阻器，記錄電壓表和電流表的示數，如表１所示。

在上述測量中，如果用導線代替電路中的定值電阻Ｒ０，會導致的兩個后果是" " " " " " " "。

Ａ.電壓和電流的測量誤差增大

Ｂ.可能因電流過大燒壞待測元件

Ｃ.滑動變阻器允許的調節范圍變小

Ｄ.待測元件兩端電壓的可調節范圍變小

２．１" " 例題分析

由表１可知，待測元件是非線性元件。當電壓超過一定閾值后，電流會迅速增大，表明待測元件的電阻迅速減小。首先，利用Ｆａｌｓｔａｄ ＣｉｒｃｕｉｔＪＳ軟件的“繪制”菜單創建電路圖，如圖２所示。根據題目要求，設置電源電動勢為６ V，滑動變阻器的最大阻值為２０ Ω。假設待測元件是熱敏電阻，通過調整右側的滑動條，將定值電阻Ｒ０與熱敏電阻的阻值分別設置為５００ Ω和１００ Ω，以使電流表和電壓表的讀數落在表１所列的范圍內。隨后，觀察電路中各元件的工作狀態。

然后，點擊“運行／停止”按鈕，將滑動變阻器的滑片移至左側，并閉合開關，如圖２所示。在動態圖像中，移動的黃點表示電流，黃點移動速度快的部分形成模糊的黃線。因此，在靜態截圖中，黃點的密集程度與黃點的移動速度相關，越密集表示黃點移動速度越大，電流也就越大。

根據圖２，滑動變阻器的滑片處于最左側時，由于模擬精度問題，存在０．１ Ω的滑動變阻器電阻與待測元件并聯，再與１９．９ Ω的滑動變阻器電阻串聯。此時，待測元件中幾乎沒有電流通過。因此，在實驗中我們可以近似認為滑動變阻器滑片在最左側時，待測元件被短路，沒有電流通過，從而起到了保護待測元件的作用。首先，通過拖動鼠標將滑動變阻器的滑片調節到適當的位置，如圖３所示。然后，引導學生觀察并分析電流的流向。從左側的顯示窗口可以看到，電流從電源的正極出發，經過滑動變阻器的右側，分為兩路：一路通過滑動變阻器的左側回到電源的負極；另一路則依次通過Ｒ０、待測電阻和電流表，最終回到電源的負極。滑動變阻器的左側與待測電阻及Ｒ０的串聯電路并聯。

２．２" " 例題求解

通過分析影響電壓表和電流表示數的因素，發現電壓表直接測量的是待測元件的真實電壓。電壓表僅分得了待測元件很小一部分的電流，因此電流表的讀數實際上是電壓表和待測電阻總電流的和，這導致測量值大于實際值。電壓和電流的測量值與定值電阻Ｒ０無關，因此Ａ選項不符合題意。

由表１可知，待測元件的電壓范圍小于１ V，而電源電動勢為６ V。首先，在菜單欄中選擇用導線替換Ｒ０，如圖４所示。從顯示窗口右下方的數值對話框可以看出，此時待測電阻的分壓變為２．８５７ V， 超出了其可承受的范圍，因此待測元件可能會因電流過大而損壞，Ｂ選項符合題意。同時，從圖４（ｂ）中可以看出，為了保證待測電阻的電壓范圍在１ V以內并實現電路功能，將Ｒ０替換為導線后，滑動變阻器的左側只能分得１ V以內的電壓，因此滑動變阻器的可調節范圍將減小，Ｃ選項符合題意。待測元件兩端電壓的可調節范圍僅與待測元件的性質有關，即小于１ V，不受Ｒ０的影響，Ｄ選項不符合題意。

３" " 引導學生開展電路實驗的深度學習

在傳統課堂中，分析高考電路實驗試題，要求學生觀察電壓和電流的數值，并分析滑動變阻器各部分接入電路的情況以及電流表外接時電壓表的分流效應。使用Ｆａｌｓｔａｄ ＣｉｒｃｕｉｔＪＳ軟件，學生可以直接觀察到滑動變阻器每部分阻值變化時電路的電流和電壓變化情況，從而將理論分析和思考過程可視化，為電路實驗教學提供輔助。這種將信息化手段有效融入到傳統實驗教學的教學模式探索，有利于學生自主探究物理規律，提升其對電路特性的學習效果，也有助于學生學科核心素養的培養［５］。

此外，在傳統教學中，通常不方便直接將Ｒ０替換成導線。學生往往需要先通過分析電流流向來判斷電路結構，才能明確滑動變阻器和Ｒ０的阻值是如何影響待測元件的電壓。這樣的推理過程要求學生具備較高的綜合分析能力。與之相比，利用Ｆａｌｓｔａｄ ＣｉｒｃｕｉｔＪＳ軟件可以直觀展示電路實驗的實際情況，方便學生在仿真條件下檢測電路故障，并通過交互式操作排除錯誤分析，突破實驗難點。

結合對高考試題的分析，高考電路實驗題主要考查學生的科學思維和探究能力［８］。學生需要在掌握基本實驗技能的同時，具備良好的電路分析能力，并能通過數據分析進行合理推理。Ｆａｌｓｔａｄ ＣｉｒｃｕｉｔＪＳ軟件能夠實時展示電路在不同條件下的工作狀態，動態呈現電流流動，幫助學生觀察和分析電路結構。總的來說，使用Ｆａｌｓｔａｄ ＣｉｒｃｕｉｔＪＳ軟件能夠加深學生對基礎概念的理解，同時幫助他們在掌握元件連接方法和電路基本結構的基礎上，提升診斷電路故障所需的綜合高階思維能力［８］。

此外，Ｆａｌｓｔａｄ ＣｉｒｃｕｉｔＪＳ軟件適用于項目式教學。其簡單直觀的操作界面提供了互動式個性化體驗，能夠有效激發學生的學習興趣和創新意識［９］。教師可鼓勵學生獨立（或小組合作）設計實驗，并使用軟件“電路”菜單中的典型仿真電路進行自主探究和深入學習，引導學生在實驗中不斷嘗試和總結，激發他們挑戰思維極限，有效培養批判性思維和創新能力。

４" " 結" 論

Ｆａｌｓｔａｄ ＣｉｒｃｕｉｔＪＳ軟件作為一種交互式學習工具，允許學生不受時空限制地自主進行實驗探究。將其應用于高中物理實驗教學，既能豐富課程內涵、提升課堂效果，又通過交互式操作幫助學生深入理解和應用所學知識，從而提升他們的物理學科核心素養。需要注意的是，在將信息化技術融入傳統實驗教學時，教師應避免直接給出答案。相反，建議引導學生進行自我觀察和總結，通過分析和討論得出答案，有助于學生進行自主探究和深度學習。

參考文獻：

［１］中華人民共和國教育部．普通高中物理課程標準（２０１７年版２０２０年修訂）［Ｓ］．北京：人民教育出版社，２０２０．

［２］教育部考試中心．中國高考評價體系［Ｍ］．北京：人民教育出版社，２０１９．

［３］黃曉，駱康康．新高考選考對高校與中學物理教學的影響［Ｊ］．物理教學探討，２０２２，４０（７）：１－６．

［４］萬嘉譽，畢皓天，蔡武德．融合虛擬仿真技術 優化中學電路教學——以ＣｉｒｃｕｉｔＪＳ１在線開源仿真軟件為例［Ｊ］．湖南中學物理，２０２３（４）：７５－７９，９８．

［５］陳榮清，楊晨琳．虛擬實驗室（ＮＯＢＯＯＫ）融入初中物理習題課教學的探索［Ｊ］．物理教師，２０２２，４３（３）：５３－５５．

［６］韓薇，楊曉梅．ＰｈＥＴ互動仿真模型平臺在高中物理建模教學中的應用［Ｊ］．物理教學探討，２０２０，３８（３）：６７－６９，７２．

［７］高方綺，謝曉康．基于Ｍｕｌｔｉｓｉｍ與Ｏｒｉｇｉｎ的中學物理實驗——以“測定電源的電動勢和內阻”為例［Ｊ］．物理教學探討，２０２３，４１（８）：６５－６８．

［８］張萍，胡小波．近６年江蘇高考物理電學實驗題命題特點研究［Ｊ］．實驗教學與儀器，２０２０，37（５）：１７－２０．

［９］張立蓉．信息技術在高中物理教學中的運用［Ｊ］．多媒體教學，２０２４（９）：１１７－１１９．

（欄目編輯" " 賈偉堯）