劉丹瑜

(華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院 廣東 廣州 510006)

吳先球

(華南師范大學(xué)物理學(xué)科基礎(chǔ)課實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心 廣東 廣州 510006)

物理核心素養(yǎng)中有一重要組成部分——科學(xué)探究，而實(shí)驗(yàn)探究則是科學(xué)探究教學(xué)的主要方式，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)充分發(fā)揮其幫助學(xué)生學(xué)習(xí)物理本質(zhì)、形成科學(xué)思維，增強(qiáng)科學(xué)探究能力的功能.而在高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師在準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)器材、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作及分析均需要付出許多時(shí)間，因此如何提高課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率是值得思考的問(wèn)題.《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017 年版)》提出：“可適當(dāng)介紹一些有利于物理教學(xué)或物理實(shí)驗(yàn)的軟件工具，輔助學(xué)生學(xué)習(xí)物理或進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)”[1].然而值得注意的是，信息技術(shù)的運(yùn)用并不是排斥或否定傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，它的價(jià)值在于使得教學(xué)手段多樣化從而優(yōu)化與提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果.

基于此，本文提出虛擬儀器LabVIEW與真實(shí)的實(shí)驗(yàn)儀器相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)方式，由此進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)從物理量測(cè)量到數(shù)據(jù)分析的一體化，既能讓學(xué)生完成關(guān)鍵的操作，也能使得課堂教學(xué)效率得到提高，把更多時(shí)間放在引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注科學(xué)探究的整體思路和方法以及關(guān)注實(shí)驗(yàn)規(guī)律和本質(zhì)上[2].

1 教學(xué)分析

“描繪小燈泡的伏安特性曲線”是學(xué)生進(jìn)入高中后遇到的第一個(gè)電學(xué)實(shí)驗(yàn)，也是后面的電學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，其電路設(shè)計(jì)中涉及的“分壓、限流式電路”“電流表內(nèi)、外接法”“滑動(dòng)變阻器量程選擇”等問(wèn)題，以及在數(shù)據(jù)處理中涉及到的圖像法、誤差分析等，都是后面的電學(xué)實(shí)驗(yàn)所要涉及的基本方法.通過(guò)本節(jié)課的教學(xué)將有利于培養(yǎng)學(xué)生知識(shí)的應(yīng)用與遷移能力.

學(xué)生在初中階段已經(jīng)探究過(guò)用伏安法測(cè)小燈泡的電阻，但對(duì)測(cè)量電路及測(cè)量原理的學(xué)習(xí)僅是淺層的，會(huì)讓部分學(xué)生形成思維定勢(shì)，對(duì)高中的教學(xué)造成阻礙.在實(shí)驗(yàn)原理上，學(xué)生往往認(rèn)為滑動(dòng)變阻器的作用側(cè)重于保護(hù)電路，而不會(huì)從科學(xué)讀數(shù)、減少誤差等方面進(jìn)行更全面的考慮；再比如限流式、分壓式接法的選擇依據(jù)，學(xué)生往往一知半解.而在實(shí)驗(yàn)操作中，往往存在儀器容易損壞、數(shù)據(jù)處理繁瑣、學(xué)生體驗(yàn)感不強(qiáng)等不足之處[3,4].

2 教學(xué)目標(biāo)

新課標(biāo)從核心素養(yǎng)4個(gè)維度向高中物理課程目標(biāo)提出了要求，因此本教學(xué)設(shè)計(jì)基于物理核心素養(yǎng)提出教學(xué)目標(biāo)：

(1)了解描繪小燈泡伏安特性曲線的實(shí)驗(yàn)原理并分析其規(guī)律；

(2)通過(guò)進(jìn)階式問(wèn)題引發(fā)學(xué)生思考從而促進(jìn)科學(xué)思維發(fā)展；

(3)培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究、數(shù)據(jù)處理能力等科學(xué)探究素養(yǎng)；

(4)培養(yǎng)學(xué)生用科學(xué)、客觀、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度看待問(wèn)題的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任.

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)描繪小燈泡伏安特性曲線的實(shí)驗(yàn)原理，借助DAQ數(shù)據(jù)采集卡，將真實(shí)儀器與虛擬儀器LabVIEW相結(jié)合，真實(shí)實(shí)驗(yàn)儀器包括電源、小燈泡(電阻)、滑動(dòng)變阻器、電路、開(kāi)關(guān)、導(dǎo)線等部分.圖1為實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，圖2為計(jì)算機(jī)端操作及顯示面板.

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 計(jì)算機(jī)端操作及顯示面板

(1)本實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器與虛擬儀器LabVIEW相結(jié)合：利用真實(shí)實(shí)驗(yàn)儀器構(gòu)建實(shí)驗(yàn)電路，提供實(shí)現(xiàn)伏安特性曲線的描繪所需要的電壓電流數(shù)據(jù)；通過(guò)虛擬儀器技術(shù)LabVIEW編程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理和圖像呈現(xiàn)，讓學(xué)生把注意力更專(zhuān)注于探究實(shí)驗(yàn)規(guī)律上，提高了學(xué)生的體驗(yàn)感.

(2)該實(shí)驗(yàn)裝置便于元件替換與測(cè)量電路的切換，如可將燈泡元件替換為定值電阻等其他待測(cè)元件，加一根導(dǎo)線可實(shí)現(xiàn)由限流式到分壓式接法的切換等.

(3)對(duì)實(shí)驗(yàn)程序進(jìn)行簡(jiǎn)單修改可用于測(cè)量電源電動(dòng)勢(shì)及內(nèi)阻等實(shí)驗(yàn)中.

4 實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)

4.1 創(chuàng)設(shè)情境 提出問(wèn)題

環(huán)節(jié)1：認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)對(duì)象

教師：PPT展示生活常用的燈泡，如圖3所示.燈泡通過(guò)燈絲發(fā)熱進(jìn)行照明，燈絲具有電阻，那小燈泡的伏安特性曲線的形狀如何？

(a) (b)

圖3 生活中常見(jiàn)的燈泡

學(xué)生：思考、回答問(wèn)題.學(xué)生用歐姆表測(cè)定燈泡電阻，并以燈泡銘牌的數(shù)值計(jì)算電阻，二者對(duì)比產(chǎn)生差異，猜想是燈泡在工作時(shí)燈絲溫度變化導(dǎo)致電阻值的改變.

評(píng)析：從生活情境入手，讓學(xué)生直觀認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)的研究對(duì)象，加強(qiáng)物理與生活的聯(lián)系[5].

環(huán)節(jié)2：初步設(shè)計(jì)方案

教師：展示實(shí)驗(yàn)器材，讓學(xué)生回憶初中的實(shí)驗(yàn)方案，通過(guò)進(jìn)階性問(wèn)題詢(xún)問(wèn)學(xué)生如何選擇器材去搭建電路完成小燈泡的伏安特性曲線測(cè)量.進(jìn)階性問(wèn)題設(shè)置如圖4所示.

圖4 進(jìn)階性問(wèn)題設(shè)置

學(xué)生：分組初步設(shè)計(jì)方案，基于初中的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)，提出通過(guò)表格記錄數(shù)據(jù)，圖像描繪曲線的方式來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理.

評(píng)析：在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)課中，教師通常直接給出實(shí)驗(yàn)方案，不知不覺(jué)中就把“探究”抹去了，變成了“驗(yàn)證性”實(shí)驗(yàn)，導(dǎo)致有的學(xué)生理解過(guò)于表面，只會(huì)機(jī)械性地照搬實(shí)驗(yàn)方案.在本設(shè)計(jì)中通過(guò)設(shè)計(jì)問(wèn)題鏈，以問(wèn)題為線索，將實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的各部分連接在一起，形成一串情境，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，為讓學(xué)生親歷實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的過(guò)程,打破思維定勢(shì)從而為逐步完善方案打下基礎(chǔ).

4.2 教師示范 呈現(xiàn)問(wèn)題

教師先給出借助基于LabVIEW的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行測(cè)量和數(shù)據(jù)處理這一方案，將圖1中的小燈泡換成待測(cè)電阻，進(jìn)行測(cè)量電阻的伏安特性曲線實(shí)驗(yàn)演示，為學(xué)生接下來(lái)進(jìn)行燈泡的伏安特性曲線實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及操作做示范.

環(huán)節(jié)1：演示限流及分壓電路

教師：分別操作限流式電路和分壓式電路進(jìn)行測(cè)量，得到如圖5和圖6所示的數(shù)據(jù)擬合曲線，讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題.

圖5 限流式電路數(shù)據(jù)擬合曲線

圖6 分壓式電路數(shù)據(jù)擬合曲線

學(xué)生:利用限流電路得出來(lái)的數(shù)據(jù)點(diǎn)集中在一起，即滑動(dòng)變阻器不能很好地改變燈泡兩端的電壓，而分壓式電路中的數(shù)據(jù)點(diǎn)則可以大范圍均勻分布在坐標(biāo)系中，且可以從零開(kāi)始調(diào)節(jié).

教師：通過(guò)表格對(duì)比等方式，在學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后從理論的角度進(jìn)行分析，加深理解，如表1所示.

表1 滑動(dòng)變阻器限流式、分壓式接法對(duì)比

環(huán)節(jié)2：演示電流表的內(nèi)外接法

教師：對(duì)同一待測(cè)電阻，分別演示電流表的內(nèi)外接法，測(cè)出兩種電路讀數(shù)的差異.

表2 電流表外接法和內(nèi)接法對(duì)比

學(xué)生：兩種接法測(cè)量數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果都不同.

評(píng)析：通過(guò)實(shí)時(shí)呈現(xiàn)圖像，可以讓學(xué)生直觀看到限流電路和分壓電路的區(qū)別，加深學(xué)生對(duì)兩種電路的理解.通過(guò)電流表內(nèi)外接法的數(shù)據(jù)，讓學(xué)生直觀看到電表位置影響測(cè)量結(jié)果，打破學(xué)生對(duì)“理想電表”的認(rèn)識(shí)，認(rèn)識(shí)到電表也具有電阻的特性.在教師對(duì)電阻的動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)操作中，學(xué)生形成了用滑動(dòng)變阻器的分壓式接法測(cè)量燈泡的伏安特性曲線的實(shí)驗(yàn)方案.通過(guò)具體的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，從而創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，讓學(xué)生在觀察中形成方案，而不是空洞、抽象地進(jìn)行理論分析.

4.3 分組實(shí)驗(yàn) 自主探究

學(xué)生：按自己組內(nèi)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)電路圖，連接好實(shí)物電路部分進(jìn)行測(cè)量.拆除電路，整理儀器.

教師：指導(dǎo)學(xué)生完成基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集和處理部分：移動(dòng)滑動(dòng)變阻器，利用數(shù)據(jù)采集卡及LabVIEW的數(shù)據(jù)擬合功能，測(cè)量并記錄小燈泡在不同電壓下的電流，并繪制伏安特性曲線如圖7所示.

圖7 小燈泡的伏安特性曲線

教師：圖線的彎曲說(shuō)明什么？圖線的斜率表示什么？請(qǐng)同學(xué)們歸納、總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)論.

學(xué)生：圖線的彎曲說(shuō)明隨著U增大，I增大，但I(xiàn)隨U的增大變得緩慢了，溫度升高.圖像斜率減小，說(shuō)明R增大.實(shí)驗(yàn)表明，小燈泡的電阻隨溫度的升高而增大，故小燈泡的伏安特性曲線(I-U圖)為斜率變小的曲線.

評(píng)析：讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)操作中結(jié)合曲線變化情況得出結(jié)論，然后通過(guò)理論推導(dǎo)來(lái)解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并通過(guò)與定值電阻測(cè)量的區(qū)別加深對(duì)小燈泡元件與其伏安特性曲線特性的認(rèn)識(shí)，形成問(wèn)題、證據(jù)、解釋、交流的完整科學(xué)探究過(guò)程，促使學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)有較大提高.利用基于LabVIEW的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，一方面拓展學(xué)生的視野，另一方面節(jié)省數(shù)據(jù)處理時(shí)間，使得學(xué)生能把注意力集中在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象以及根據(jù)現(xiàn)象分析物理規(guī)律本身，發(fā)揮信息技術(shù)應(yīng)用到物理實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì).

5 總結(jié)

本文以基于LabVIEW平臺(tái)描繪小燈泡的伏安特性曲線實(shí)驗(yàn)為例，對(duì)“虛實(shí)結(jié)合”的實(shí)驗(yàn)方式進(jìn)行了初步的探究.這樣的實(shí)驗(yàn)方式做到了虛實(shí)結(jié)合，既保留了關(guān)鍵性的動(dòng)手操作步驟，讓學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)室的真實(shí)儀器進(jìn)行操作，使實(shí)驗(yàn)更貼合真實(shí)情境，讓學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力得到提升；又運(yùn)用虛擬技術(shù)簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)處理步驟，讓學(xué)生更好地關(guān)注實(shí)驗(yàn)規(guī)律.在順應(yīng)運(yùn)用信息技術(shù)進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)趨勢(shì)的同時(shí)，做到與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)在思想上借鑒、在操作技能上相結(jié)合[2].