信息技术赋能物理电学实验的实施路径研究

摘要：信息技术与物理学科实验的有机融合，为探索物理实验教学的新模式带来契机。本研究以信息技术与物理电学实验融合的实施路径为视角，重新定义了实验教学和学习形态，并在增强学生学习体验、增进协作分享、提高实验教学效能等方面发挥了积极作用。

关键词：信息化工具；数据处理；电学实验

中图分类号：G434  文献标识码：A  论文编号：1674-2117（2024）06-0067-04

传统教学手段的不足与信息技术的优势

在传统电学实验中，学生需要根据实际情况设计并挑选器材。但在实际教学中学生会出现以下问题：

①真操作，假设计。由于分组实验需要的器材较多，实验室设备有限，教师常提前备好实验器材，学生可以跳过设计阶段，直接操作。

②真记录，假处理。由于实验教学实验时间、器材精度和稳定性有限，学生在采集数据后，往往来不及处理，直接按照理论“乱编”结果和图像，或者当发现数据与理论不符后直接“修正”成理论值。

③真记忆，假理解。由于实验器材可调整的参数很少，学生在实际操作中难以感知到不同方案对实验结果的影响，甚至部分学生是通过“大内偏大，小外偏小”“分压选小的，限流选近的”之类的口诀来记忆。

想要避免出现以上问题，笔者认为信息技术与物理实验学科应进行有效融合。

物理实验对信息技术的需求分析

①使用仿真实验室进行实验方案设计。仿真实验室是一种可以模拟和重现真实实验环境的虚拟实验室。它通过信息技术手段，将实验所需的器材、仪表、试剂等物品以数字化的形式呈现在屏幕上，让学生可以在虚拟环境中进行实验操作和数据收集。由于仿真器材数量无限制，参数可根据需要调节，学生可以根据自己的想法现场设计方案，连接器材，并通过调整器材参数观察实验方案对测量精度的影响。

②使用Excel软件分析实验数据。Excel软件中的可视化图形模块、数据挖掘性项目统计、即时性评价手段等，为电学实验的可视化提供了有力的支持。

实验的学习目标就是掌握设计思路，学会器材连接和操作方法，采集数据并能进行数据处理和误差分析。笔者在教学过程中，以实物器材操作为起点，以理论推导为依据，组织学生基于实验数据进行猜想，设计验证方案，借助仿真实验室和Excel等信息化工具快速得出实验数据并绘制图线，依此进行科学论证。最后，组织学生总结方案设计和器材选择的方法。

信息技术与物理电学实验融合的实施路径

伏安法测电阻是最基础、最重要的电学实验，更是其他电学实验设计的重要模块。学生在初中就能够使用伏安法测量电阻，在高中阶段，学生还要通过本实验掌握基本的电路设计方法、器材选择和误差分析思路。为了帮助学生达成学习目标，笔者在本实验中深度融合了信息技术手段，教学流程如图1所示。

1.以点击面，确定项目主题

学生根据实验电路图（如图2），连接实验器材，记录电压表和电流表的示数，计算定值电阻阻值，对照定值电阻的参数尝试分析产生误差的原因。

2.以研促思，议定实验方向

教师结合串并联电路的特点，对内接法与外接法的误差成因进行分析。

在仿真实验软件中（如图3），将待测电阻的阻值设置为30Ω，将电压表的阻值设置为1kΩ，将电流表的阻值设置为10Ω。通过仿真实验数据计算测得的阻值，并计算相对误差。保持测量电路两端电压恒为3V，调整电压表和电流表的阻值，在Excel软件中对应位置输入如下公式：

在G2格内输入：=B2/（（C2*D2/（C2+D2））+E2）

在F2格内输入：=G2*（C2*D2/（C2+D2））

在H2格内输入：=F2/G2

在I2格内输入：=（C2-H2）/C2

调整单元格的格式，即可快速得到如下页图4所示的结果。学生据此即可分析得出：①仅电压表阻值逐渐增大时，相对误差逐渐减小，由此推断如果电压表为理想电表（内阻无穷大），则相对误差应该为0。②仅电流表阻值逐渐减小时，相对误差不变，由此推断电流表的阻值不影响外接法的相对误差。③电压表测量的数据为电阻两端的真实电压，电流表测量的数据不是通过电阻的真实电流。④在使用外接法测量电阻时，测量值小于真实值。

如果使用传统的实验器材进行实验，采集数据、处理数据就需要大量时间，而且受制于器材的精度和稳定性，学生得到的数据可能会有明显波动，难以直观看出变化规律。若使用仿真实验软件和Excel，学生可以快速、直观地得出内接法测量电阻时的误差情况、变化趋势，从而分析误差产生原因。

3.依据数据，确定实验进程

在仿真实验软件中将电压表的阻值设置为10kΩ，将电流表的阻值设置为1Ω。学生分别计算通过内接法与外接法测量不同阻值的定值电阻的相对误差，第21～40组的计算公式需做如下调整：

在G22格内输入：=B22/（（D22*E22/（D22+E22）+C22））

在F2格内输入：=G22*（C22+E22）

在H2格内输入：=F22/G22

在I2格内输入：=（H22-C22）/C22

可得计算数据如图5所示，并绘制待测电阻阻值与相对误差的关系图线，如下页图6所示。

学生通过分析实验数据，归纳总结内外接法的选择依据，结合仿真实验的数据进行理论推导得出：

使用仿真实验软件和Excel分析数据，可以快速比较内接法与外接法对实验结果的影响。通过观察图像，学生可以明确感知：在电表阻值不变的情况下，随着待测电阻的阻值增大，外接法的误差在增大，内接法的误差在逐渐减小。图线还表明当测量阻值较小的电阻时外接法更精确，当测量阻值较大的电阻时内接法更精确，“小电阻”和“大电阻”的分界点正是两条图线的交点。

4.以验替论，拟定实验外因

在仿真实验软件中分别用分压法和限流法连接控制电路，调整滑动变阻器的拨片位置，观察电压表和电流表的示数变化情况。调整滑动变阻器的最大阻值，对比不同滑动变阻器对实验控制的影响。

结合电路中其他元器件的阻值，分别计算分压法与限流法（假设电表均为理想电表）中的拨片位置与电表指针偏转角度的关系，并使用Excel做出关系图线（如下页图7、图8）。结合图像，学生总结滑动变阻器的选择方案：①采用分压接法时，选择阻值较小的滑动变阻器。②采用限流接法

时，选择阻值与待测电阻接近或略大的滑动变阻器。

虽然滑动变阻器的最大阻值并不会影响实验的理论精度，但却对实验操作有很大影响。通过仿真实验软件可以让学生充分体验到不同滑动变阻器对实验的影响。在不断调整滑动变阻器最大阻值的过程中，学生也能找出适合分压法和限流法的滑动变阻器。最后通过理论推导，使用Excel处理大量理论数据并绘制图像，从而真正掌握如何选择滑动变阻器的方法。

结语

合理利用好信息化工具可以突破实验器材、仪器、试剂等物品的限制，极大提升实验教学效率，还能将抽象的结论可视化，显著降低理解难度，帮助学生建立感性认知，辅助学生验证自己的改进方案，从而提升学生的科学论证能力和学科核心素养。但教师还需注意，有些实验还是需要学生亲手使用实物器材进行实验，让学生通过动手体会操作细节，进行误差分析。

参考文献：

林丰.知识可视化在高中物理教学中的应用研究——以Excel作为知识可视化工具为例[J].中学物理，2022（19）：62-65.