Falstad CircuitJS软件在高中电路实验教学中的应用

摘   要：电路实验是高中物理的重要组成内容，也是高考物理实验部分的重要考查点。然而，由于诸多条件的限制，很多地区难以开展有效的实验教学。为了提升高中电路实验的教学水平，并有效培养学生的物理核心素养，通过分析2020年江苏省高考物理第10题，探讨了将Falstad CircuitJS仿真软件引入高中物理实验教学的方法。此举旨在探索电路实验教学的新模式，并引导学生进行自主探究和深度学习。

关键词：Falstad CircuitJS仿真软件；高中电路实验；电路故障；深度学习

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2025）2-0076-3

高中物理课程标准强调，在高中物理教学中应重视实验教学，以培养学生的探究能力和科学态度［１］。近年来，高考电学实验题趋向于贴近实际，侧重于考查基本实验技能和电路故障分析等［２］。在教学中，由于新高考“走班制”导致的师资调配需求［３］和课时限制，许多学生缺乏深入实验学习的时间。此外，现实生活中无法操作一些较为复杂、危险性较高的电路故障演示，而故障诊断问题对学生的分析推理能力要求较高。为了提升课堂教学效果，并为学生营造电学实验的深度学习环境，Ｆａｌｓｔａｄ ＣｉｒｃｕｉｔＪＳ软件可作为电路实验教学的辅助工具，帮助学生深化对电路的理解。通过将现代信息技术与物理教学相结合，可以提升教师的物理教学水平，培养学生的自主探究能力，并增强学生的物理学科核心素养。

１    仿真软件介绍

Ｆａｌｓｔａｄ ＣｉｒｃｕｉｔＪＳ是一款开源的电路仿真软件，可通过浏览器在线使用［４］。软件界面包含６个菜单栏，提供文件创建与保存、电路编辑、绘制电路、设置示波器、显示选项调整以及电路实例设置等功能。在“绘制”菜单下，有９个元件库，涵盖了高中电学实验中常用的滑动变阻器、电容器、二极管等元件，帮助学生安全地学习电路的连接顺序和基本结构。而“电路”菜单则包含了１８大类预设电路，如欧姆定律、电感串联与并联、变压器等，基本涵盖了高中电学实验的教学内容。软件界面中间区域是电路绘制区，将鼠标悬停在元件上时，会在屏幕右下角显示其参数和运行状态。界面右侧设有“重制”“运行／停止”按钮，以及控制仿真速度和电流速度的滑块。与ＮＯＢＯＯＫ、ＰｈＥＴ、Ｍｕｌｔｉｓｉｍ等专业仿真软件相比［５－７］，Ｆａｌｓｔａｄ ＣｉｒｃｕｉｔＪＳ软件操作简便，现象直观，且免费使用，无需下载。用户可以将实验结果保存到本地，便于后续分析和讨论。

２    利用Ｆａｌｓｔａｄ ＣｉｒｃｕｉｔＪＳ软件分析电路实验题

例题 （２０２０年江苏省高考第１０题）某同学绘制了一种电子元件的电流—电压（Ｉ－Ｕ）关系图像。采用的实验电路图如图１所示，其中为电压表，为电流表，Ｅ为电源（电动势约为６ Ｖ），Ｒ为滑动变阻器（最大阻值为２０ Ω），Ｒ０为定值电阻，Ｓ为开关。

调节滑动变阻器，记录电压表和电流表的示数，如表１所示。

在上述测量中，如果用导线代替电路中的定值电阻Ｒ０，会导致的两个后果是               。

Ａ.电压和电流的测量误差增大

Ｂ.可能因电流过大烧坏待测元件

Ｃ.滑动变阻器允许的调节范围变小

Ｄ.待测元件两端电压的可调节范围变小

２．１    例题分析

由表１可知，待测元件是非线性元件。当电压超过一定阈值后，电流会迅速增大，表明待测元件的电阻迅速减小。首先，利用Ｆａｌｓｔａｄ ＣｉｒｃｕｉｔＪＳ软件的“绘制”菜单创建电路图，如图２所示。根据题目要求，设置电源电动势为６ V，滑动变阻器的最大阻值为２０ Ω。假设待测元件是热敏电阻，通过调整右侧的滑动条，将定值电阻Ｒ０与热敏电阻的阻值分别设置为５００ Ω和１００ Ω，以使电流表和电压表的读数落在表１所列的范围内。随后，观察电路中各元件的工作状态。

然后，点击“运行／停止”按钮，将滑动变阻器的滑片移至左侧，并闭合开关，如图２所示。在动态图像中，移动的黄点表示电流，黄点移动速度快的部分形成模糊的黄线。因此，在静态截图中，黄点的密集程度与黄点的移动速度相关，越密集表示黄点移动速度越大，电流也就越大。

根据图２，滑动变阻器的滑片处于最左侧时，由于模拟精度问题，存在０．１ Ω的滑动变阻器电阻与待测元件并联，再与１９．９ Ω的滑动变阻器电阻串联。此时，待测元件中几乎没有电流通过。因此，在实验中我们可以近似认为滑动变阻器滑片在最左侧时，待测元件被短路，没有电流通过，从而起到了保护待测元件的作用。首先，通过拖动鼠标将滑动变阻器的滑片调节到适当的位置，如图３所示。然后，引导学生观察并分析电流的流向。从左侧的显示窗口可以看到，电流从电源的正极出发，经过滑动变阻器的右侧，分为两路：一路通过滑动变阻器的左侧回到电源的负极；另一路则依次通过Ｒ０、待测电阻和电流表，最终回到电源的负极。滑动变阻器的左侧与待测电阻及Ｒ０的串联电路并联。

２．２    例题求解

通过分析影响电压表和电流表示数的因素，发现电压表直接测量的是待测元件的真实电压。电压表仅分得了待测元件很小一部分的电流，因此电流表的读数实际上是电压表和待测电阻总电流的和，这导致测量值大于实际值。电压和电流的测量值与定值电阻Ｒ０无关，因此Ａ选项不符合题意。

由表１可知，待测元件的电压范围小于１ V，而电源电动势为６ V。首先，在菜单栏中选择用导线替换Ｒ０，如图４所示。从显示窗口右下方的数值对话框可以看出，此时待测电阻的分压变为２．８５７ V， 超出了其可承受的范围，因此待测元件可能会因电流过大而损坏，Ｂ选项符合题意。同时，从图４（ｂ）中可以看出，为了保证待测电阻的电压范围在１ V以内并实现电路功能，将Ｒ０替换为导线后，滑动变阻器的左侧只能分得１ V以内的电压，因此滑动变阻器的可调节范围将减小，Ｃ选项符合题意。待测元件两端电压的可调节范围仅与待测元件的性质有关，即小于１ V，不受Ｒ０的影响，Ｄ选项不符合题意。

３    引导学生开展电路实验的深度学习

在传统课堂中，分析高考电路实验试题，要求学生观察电压和电流的数值，并分析滑动变阻器各部分接入电路的情况以及电流表外接时电压表的分流效应。使用Ｆａｌｓｔａｄ ＣｉｒｃｕｉｔＪＳ软件，学生可以直接观察到滑动变阻器每部分阻值变化时电路的电流和电压变化情况，从而将理论分析和思考过程可视化，为电路实验教学提供辅助。这种将信息化手段有效融入到传统实验教学的教学模式探索，有利于学生自主探究物理规律，提升其对电路特性的学习效果，也有助于学生学科核心素养的培养［５］。

此外，在传统教学中，通常不方便直接将Ｒ０替换成导线。学生往往需要先通过分析电流流向来判断电路结构，才能明确滑动变阻器和Ｒ０的阻值是如何影响待测元件的电压。这样的推理过程要求学生具备较高的综合分析能力。与之相比，利用Ｆａｌｓｔａｄ ＣｉｒｃｕｉｔＪＳ软件可以直观展示电路实验的实际情况，方便学生在仿真条件下检测电路故障，并通过交互式操作排除错误分析，突破实验难点。

结合对高考试题的分析，高考电路实验题主要考查学生的科学思维和探究能力［８］。学生需要在掌握基本实验技能的同时，具备良好的电路分析能力，并能通过数据分析进行合理推理。Ｆａｌｓｔａｄ ＣｉｒｃｕｉｔＪＳ软件能够实时展示电路在不同条件下的工作状态，动态呈现电流流动，帮助学生观察和分析电路结构。总的来说，使用Ｆａｌｓｔａｄ ＣｉｒｃｕｉｔＪＳ软件能够加深学生对基础概念的理解，同时帮助他们在掌握元件连接方法和电路基本结构的基础上，提升诊断电路故障所需的综合高阶思维能力［８］。

此外，Ｆａｌｓｔａｄ ＣｉｒｃｕｉｔＪＳ软件适用于项目式教学。其简单直观的操作界面提供了互动式个性化体验，能够有效激发学生的学习兴趣和创新意识［９］。教师可鼓励学生独立（或小组合作）设计实验，并使用软件“电路”菜单中的典型仿真电路进行自主探究和深入学习，引导学生在实验中不断尝试和总结，激发他们挑战思维极限，有效培养批判性思维和创新能力。

４    结  论

Ｆａｌｓｔａｄ ＣｉｒｃｕｉｔＪＳ软件作为一种交互式学习工具，允许学生不受时空限制地自主进行实验探究。将其应用于高中物理实验教学，既能丰富课程内涵、提升课堂效果，又通过交互式操作帮助学生深入理解和应用所学知识，从而提升他们的物理学科核心素养。需要注意的是，在将信息化技术融入传统实验教学时，教师应避免直接给出答案。相反，建议引导学生进行自我观察和总结，通过分析和讨论得出答案，有助于学生进行自主探究和深度学习。

参考文献：

［１］中华人民共和国教育部．普通高中物理课程标准（２０１７年版２０２０年修订）［Ｓ］．北京：人民教育出版社，２０２０．

［２］教育部考试中心．中国高考评价体系［Ｍ］．北京：人民教育出版社，２０１９．

［３］黄晓，骆康康．新高考选考对高校与中学物理教学的影响［Ｊ］．物理教学探讨，２０２２，４０（７）：１－６．

［４］万嘉誉，毕皓天，蔡武德．融合虚拟仿真技术 优化中学电路教学——以ＣｉｒｃｕｉｔＪＳ１在线开源仿真软件为例［Ｊ］．湖南中学物理，２０２３（４）：７５－７９，９８．

［５］陈荣清，杨晨琳．虚拟实验室（ＮＯＢＯＯＫ）融入初中物理习题课教学的探索［Ｊ］．物理教师，２０２２，４３（３）：５３－５５．

［６］韩薇，杨晓梅．ＰｈＥＴ互动仿真模型平台在高中物理建模教学中的应用［Ｊ］．物理教学探讨，２０２０，３８（３）：６７－６９，７２．

［７］高方绮，谢晓康．基于Ｍｕｌｔｉｓｉｍ与Ｏｒｉｇｉｎ的中学物理实验——以“测定电源的电动势和内阻”为例［Ｊ］．物理教学探讨，２０２３，４１（８）：６５－６８．

［８］张萍，胡小波．近６年江苏高考物理电学实验题命题特点研究［Ｊ］．实验教学与仪器，２０２０，37（５）：１７－２０．

［９］张立蓉．信息技术在高中物理教学中的运用［Ｊ］．多媒体教学，２０２４（９）：１１７－１１９．

（栏目编辑    贾伟尧）