虛擬仿真軟件在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

劉芷余 秦宇飛 柴萬東

摘 要：物理學(xué)是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高中物理教學(xué)的基礎(chǔ)與主題。在教育信息化的浪潮下，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)作為一種以虛擬仿真技術(shù)為支撐的實(shí)驗(yàn)教學(xué)新形式，通過圖形化界面模擬實(shí)物實(shí)驗(yàn)的過程與效果，幫助學(xué)生直觀、形象地體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)操作過程，具有沉浸式、高仿真、突破時(shí)間和空間的限制等特點(diǎn)，與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相互補(bǔ)充，是目前國(guó)家推進(jìn)現(xiàn)代信息技術(shù)融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重點(diǎn)項(xiàng)目。為了提高物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新學(xué)習(xí)能力，形成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?、?shí)事求是的世界觀，本文以高中物理實(shí)驗(yàn)“伏安法”測(cè)電阻為例，利用Multisim 14.0進(jìn)行虛擬仿真，對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在高中物理教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真實(shí)驗(yàn)；中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)；Multisim 14.0

中圖分類號(hào)：G632? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1673-260X（2023）06-0060-04

收稿日期：2023-02-16

通訊作者：柴萬東（1971-），男，漢族，內(nèi)蒙古赤峰市人，碩士研究生導(dǎo)師，教授。研究方向：傳感器應(yīng)用，基本教育理論。

基金項(xiàng)目：內(nèi)蒙古自治區(qū)“十四五”教育規(guī)劃課題（2022JGH455）

1 前言

《“十四五”國(guó)家信息化規(guī)劃》明確指出，要針對(duì)各教育階段與教育類型的不同需求，建設(shè)支持育人全過程、動(dòng)態(tài)更新的高質(zhì)量數(shù)字教育資源體系。借助虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、人工智能等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)融合教學(xué)場(chǎng)景、智能導(dǎo)學(xué)系統(tǒng)、智能助教、智能學(xué)伴、教育機(jī)器人等新型資源開發(fā)，使數(shù)字教育資源更好地服務(wù)于師生的知識(shí)建構(gòu)、技能訓(xùn)練、交流協(xié)作、反饋評(píng)價(jià)等教學(xué)活動(dòng)[1]。

教育信息化可以滿足學(xué)生個(gè)性化學(xué)習(xí)的要求，使教育教學(xué)更加靈活。提高了學(xué)生運(yùn)用信息技術(shù)工具，掌握信息的檢索、整合、評(píng)估和利用能力。為學(xué)生提供更多的資源和平臺(tái)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力，更好地了解國(guó)際前沿的教育理念、方法和技術(shù)，提高學(xué)生的國(guó)際視野和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，為學(xué)生未來的發(fā)展打下良好的基礎(chǔ)。

2018年，教育部頒布了《教育部關(guān)于開展國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)工作的通知》，明確提出國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目是推進(jìn)現(xiàn)代信息技術(shù)融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目、拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容廣度和深度、延伸實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間和空間、提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和水平的重要舉措[2]。目前，全國(guó)各大高校都在建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。因此，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)受到了教育研究者的關(guān)注。

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡(jiǎn)稱“新課標(biāo)”）充分總結(jié)了我國(guó)高中物理課程改革的經(jīng)驗(yàn)，吸收了國(guó)內(nèi)外優(yōu)秀的教育理念，提出了物理學(xué)科核心素養(yǎng)[3]。新課標(biāo)明確強(qiáng)調(diào)了信息技術(shù)在物理教學(xué)中的實(shí)際應(yīng)用，要求關(guān)注信息化環(huán)境下的教學(xué)改革，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，及時(shí)更新教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)體系。將多媒體、仿真實(shí)驗(yàn)運(yùn)用于物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，是未來物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的趨勢(shì)[4]。

2 虛擬仿真軟件在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

應(yīng)用虛擬仿真軟件輔助教學(xué)，能夠避免實(shí)驗(yàn)耗材量大、實(shí)驗(yàn)器材難搭建、老舊實(shí)驗(yàn)器材磨損，誤差增大等問題。部分實(shí)驗(yàn)器材比較昂貴，學(xué)校無法大量購入，教師上課時(shí)只能做演示實(shí)驗(yàn)或播放實(shí)驗(yàn)視頻，學(xué)生不能親自體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)過程，教學(xué)效果大打折扣。

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)器材較多，且都比較專業(yè)，學(xué)生只能在學(xué)校的實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行操作，并且通常只有一次做實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)。虛擬實(shí)驗(yàn)可以在手機(jī)上或電腦上進(jìn)行操作，學(xué)生能夠使用虛擬仿真軟件不斷地重復(fù)實(shí)驗(yàn)，大大提高了實(shí)驗(yàn)效果。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)有安全性高、成本低、可重復(fù)性好等優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)可以讓學(xué)生獲得實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，更好地理解理論知識(shí)，學(xué)生親身感受實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和變化，提高他們的興趣和參與度。若將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，能夠獲得更好的學(xué)習(xí)效果。

2.1 將Multisim 14.0應(yīng)用于中學(xué)“伏安法”測(cè)電阻實(shí)驗(yàn)

Multisim是一款專業(yè)的電子電路仿真軟件。包括電路原理的圖形輸入和電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力，可以交互式地搭建電路原理圖，并對(duì)電路進(jìn)行仿真[5]。該軟件具有大量的元器件和測(cè)量?jī)x器工具，其電路符號(hào)與實(shí)際應(yīng)用中的電路符號(hào)非常接近，學(xué)生在初中時(shí)就已經(jīng)熟練掌握基本電路元器件符號(hào)，非常容易上手。且這款軟件版本很多，可以安裝在電腦和平板電腦等智能終端上，因此使用很便利，在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中被廣泛使用。

“伏安法”測(cè)電阻實(shí)驗(yàn)是人教版高中物理必修三中的內(nèi)容，本節(jié)內(nèi)容是在學(xué)生已具有一定電路知識(shí)背景下，運(yùn)用歐姆定律，利用“伏安法”對(duì)未知電阻進(jìn)行測(cè)量計(jì)算。實(shí)驗(yàn)過程中由于電壓表的分流及電流表的分壓，使得對(duì)不同阻值的電阻進(jìn)行測(cè)量時(shí)產(chǎn)生誤差不同。為了使測(cè)量值更加接近于真實(shí)值，當(dāng)待測(cè)電阻值遠(yuǎn)大于電流表的內(nèi)阻時(shí)使用“內(nèi)接法”；待測(cè)電阻遠(yuǎn)小于電壓表的內(nèi)阻時(shí)，使用“外接法”。

在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生遇到的困難主要有：（1）忽視對(duì)內(nèi)接法和外接法的定義，把內(nèi)接法和外接法電路混淆，進(jìn)而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差和不確定性；（2）對(duì)測(cè)量值和真實(shí)值的概念理解不夠透徹，導(dǎo)致學(xué)生無法準(zhǔn)確地分析實(shí)驗(yàn)誤差和誤差來源，從而無法理解實(shí)驗(yàn)結(jié)論；（3）內(nèi)接法、外接法定量推導(dǎo)過程比較復(fù)雜，學(xué)生不易理解，導(dǎo)致學(xué)生無法靈活運(yùn)用所學(xué)到的知識(shí)；（4）在實(shí)物實(shí)驗(yàn)中，由于課堂時(shí)間限制，學(xué)生做實(shí)驗(yàn)時(shí)來不及選用多組不同阻值的電阻進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，且實(shí)驗(yàn)的精度受到電流表、電壓表的精度以及溫度等因素的影響，實(shí)驗(yàn)的誤差較大，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)論會(huì)產(chǎn)生懷疑。

2.2 利用Multisim 14.0進(jìn)行“伏安法”測(cè)電阻實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思路

2.2.1 電路連接及參數(shù)設(shè)置

在Multisim的元器件庫中，選擇對(duì)應(yīng)的元器件，將其擺放到合適的位置上，用鼠標(biāo)右鍵選中一個(gè)元器件的一端，再將鼠標(biāo)移動(dòng)到另一個(gè)元器件的一端，點(diǎn)擊選中，就能完成兩個(gè)元器件的連接（起? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?到實(shí)物實(shí)驗(yàn)中導(dǎo)線的作用）。重復(fù)以上操作，即可完成電路連接。如圖1和圖2所示。

在Multisim 14.0中，可以方便地設(shè)定電流表、電壓表的內(nèi)阻以及待測(cè)電阻的阻值，雙擊某個(gè)元器件，即可更改其屬性值。待測(cè)電阻可以選擇的范圍是1mΩ-5TΩ，電流表的內(nèi)阻最小為1nΩ，電壓表的內(nèi)阻最大為1000TΩ；電流表的量程為0-1GA，電壓表的量程為0-1GV。另外，Multisim 14.0仿真軟件不存在安全隱患，即使學(xué)生不小心接錯(cuò)電路也沒有危險(xiǎn)，Multisim 14.0提示學(xué)生電路所出現(xiàn)的問題，學(xué)生能夠根據(jù)提示及時(shí)改正。

2.2.2 實(shí)驗(yàn)過程

在傳統(tǒng)“伏安法”測(cè)電阻實(shí)驗(yàn)中，根據(jù)被測(cè)電阻的阻值大小選擇外接法和內(nèi)接法。當(dāng)RX>時(shí)（即RX為大電阻），用內(nèi)接法；當(dāng)RX<時(shí)（即RX為小電阻），用外接法；當(dāng)RX=時(shí)，內(nèi)接法、外接法均可。為了驗(yàn)證該結(jié)論是否正確，可進(jìn)行兩組實(shí)驗(yàn)。

（1）在電壓表內(nèi)阻為2KΩ，電流表內(nèi)阻為1Ω的情況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)

Multisim14.0進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)的誤差極小，可以忽略不計(jì)，中學(xué)實(shí)驗(yàn)室中所用電壓表內(nèi)阻約為2KΩ，電流表的內(nèi)阻約為1Ω，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)將電壓表、電流表的內(nèi)阻設(shè)置為這兩個(gè)數(shù)值后，選取阻值分別2000Ω、1000Ω、500Ω、100Ω、50Ω、44.72Ω（即RX=時(shí)）、10Ω、5Ω、1Ω、0.1Ω的電阻，分別用內(nèi)接法和外接法進(jìn)行測(cè)量對(duì)比，并得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論（計(jì)算結(jié)果僅保留兩位小數(shù)）。點(diǎn)擊運(yùn)行“?”按鈕，電路開始運(yùn)行，記下電流表、電壓表顯示的值，如表1所示。

當(dāng)待測(cè)電阻阻值為44.72Ω時(shí)，內(nèi)接法所測(cè)得阻值為45.72Ω，外接法所測(cè)得阻值為43.72Ω，兩種方法的誤差均為1Ω，驗(yàn)證了當(dāng)RX=時(shí)，選用內(nèi)接法、外接法均可這一結(jié)論。以44.72Ω（RX=）為分界線，當(dāng)待測(cè)電阻較小且與電流表內(nèi)阻相近（即RX<）時(shí)，內(nèi)接法的誤差較大，而外接法的誤差較小，在測(cè)量時(shí)應(yīng)采用外接法；當(dāng)待測(cè)電阻較大且與電壓表內(nèi)阻相近（即RX>）時(shí)，外接法的誤差較大，內(nèi)接法的誤差較小，在測(cè)量時(shí)應(yīng)采用內(nèi)接法。

（2）在電壓表內(nèi)阻為10KΩ，電流表內(nèi)阻為0.1Ω的情況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)

將Multisim中的電壓表的內(nèi)阻調(diào)整到10KΩ，將電流表的內(nèi)阻調(diào)整到0.1Ω，然后分別用內(nèi)接法和外接法測(cè)量電阻值為2000Ω、1000Ω、500Ω、100Ω、50Ω、31.62Ω（即RX=時(shí)）、10Ω、5Ω、1Ω、0.1Ω的電阻，由這兩種方法得出的測(cè)量值計(jì)算出電阻的阻值（計(jì)算結(jié)果僅保留兩位小數(shù)）。點(diǎn)擊運(yùn)行“?”按鈕，電路開始運(yùn)行，記下電流表、電壓表顯示的值，如表2所示。

當(dāng)待測(cè)電阻阻值為31.62Ω時(shí)，內(nèi)接法所測(cè)得阻值為31.72Ω，外接法所測(cè)得阻值為31.52Ω，兩種方法的誤差均為0.1Ω，并且以44.72Ω（RX=）為分界線，再次驗(yàn)證了公式推論是正確的。

對(duì)比表1和表2，表2的實(shí)驗(yàn)誤差要比表1的小，也就是說當(dāng)電壓表的內(nèi)阻較大，電流表的內(nèi)阻較小時(shí)，實(shí)驗(yàn)的誤差更小，測(cè)量出來的電阻阻值更加精確。學(xué)生們可以利用課余時(shí)間，繼續(xù)改變電壓表、電流表的內(nèi)阻，分別用內(nèi)接法和外接法測(cè)量幾種電阻值不同的電阻從而驗(yàn)證該結(jié)論是正確的。

根據(jù)上述兩個(gè)實(shí)驗(yàn)可以看出利用Multisim進(jìn)行“伏安法”測(cè)電阻實(shí)驗(yàn)，能夠讓學(xué)生領(lǐng)會(huì)大電阻、小電阻的說法是相對(duì)于電流表、電壓表的內(nèi)阻。學(xué)生在多次進(jìn)行測(cè)量并通過歐姆定律算出阻值后與自己設(shè)定的電阻阻值相比較，就能檢驗(yàn)兩種方法的誤差分析是否正確，驗(yàn)證公式推導(dǎo)是否正確，能夠加深學(xué)生對(duì)伏安法測(cè)電阻原理的理解，幫助學(xué)生記憶，在遇到這類問題時(shí)能夠選擇合適的方法。

3 結(jié)語

隨著科技的不斷發(fā)展，信息化教學(xué)正在走進(jìn)大眾的視野，對(duì)教育教學(xué)起著非常重要的作用。在這些信息化教學(xué)方式?jīng)_擊傳統(tǒng)教學(xué)的同時(shí)，也為教師提供了課堂改革的機(jī)遇[6]。在這種簡(jiǎn)單直觀的仿真實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生更加輕松地掌握物理知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力，充分發(fā)揮了在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中教師的主導(dǎo)作用，體現(xiàn)了學(xué)生的主體地位。

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參考文獻(xiàn)：

〔1〕國(guó)家互聯(lián)網(wǎng)信息辦公室.“十四五”國(guó)家信息化規(guī)劃[EB/OL].http：//www.cac.gov.cn/2022-03/08/c_1648363725755324.html.

〔2〕教育部.教育部關(guān)于開展國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)工作的通知[EB/OL].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7945/s7946/201806/t20 180607_338713.html.

〔3〕教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）[M].北京，人民教育出版社，2017.

〔4〕高爍.虛擬仿真技術(shù)在初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[D].湖南，湖南理工學(xué)院，2020.

〔5〕張景俊.基于Multisim仿真的中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革[J].濰坊學(xué)院學(xué)報(bào)，2020，20（02）：81.

〔6〕趙凱.虛擬方針技術(shù)在電子技術(shù)信息化實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用——以Multisim為例[J].西部素質(zhì)教育，2020，6（06）：118-119.