摘" "要：電路實驗是高中物理的重要組成內(nèi)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(qū)難以開展有效的實驗教學(xué)。為了提升高中電路實驗的教學(xué)水平，并有效培養(yǎng)學(xué)生的物理核心素養(yǎng)，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(xué)的方法。此舉旨在探索電路實驗教學(xué)的新模式，并引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主探究和深度學(xué)習(xí)。

關(guān)鍵詞：Falstad CircuitJS仿真軟件；高中電路實驗；電路故障；深度學(xué)習(xí)

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

高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)強調(diào)，在高中物理教學(xué)中應(yīng)重視實驗教學(xué)，以培養(yǎng)學(xué)生的探究能力和科學(xué)態(tài)度［１］。近年來，高考電學(xué)實驗題趨向于貼近實際，側(cè)重于考查基本實驗技能和電路故障分析等［２］。在教學(xué)中，由于新高考“走班制”導(dǎo)致的師資調(diào)配需求［３］和課時限制，許多學(xué)生缺乏深入實驗學(xué)習(xí)的時間。此外，現(xiàn)實生活中無法操作一些較為復(fù)雜、危險性較高的電路故障演示，而故障診斷問題對學(xué)生的分析推理能力要求較高。為了提升課堂教學(xué)效果，并為學(xué)生營造電學(xué)實驗的深度學(xué)習(xí)環(huán)境，Ｆａｌｓｔａｄ ＣｉｒｃｕｉｔＪＳ軟件可作為電路實驗教學(xué)的輔助工具，幫助學(xué)生深化對電路的理解。通過將現(xiàn)代信息技術(shù)與物理教學(xué)相結(jié)合，可以提升教師的物理教學(xué)水平，培養(yǎng)學(xué)生的自主探究能力，并增強學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

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(chuàng)建與保存、電路編輯、繪制電路、設(shè)置示波器、顯示選項調(diào)整以及電路實例設(shè)置等功能。在“繪制”菜單下，有９個元件庫，涵蓋了高中電學(xué)實驗中常用的滑動變阻器、電容器、二極管等元件，幫助學(xué)生安全地學(xué)習(xí)電路的連接順序和基本結(jié)構(gòu)。而“電路”菜單則包含了１８大類預(yù)設(shè)電路，如歐姆定律、電感串聯(lián)與并聯(lián)、變壓器等，基本涵蓋了高中電學(xué)實驗的教學(xué)內(nèi)容。軟件界面中間區(qū)域是電路繪制區(qū)，將鼠標(biāo)懸停在元件上時，會在屏幕右下角顯示其參數(shù)和運行狀態(tài)。界面右側(cè)設(shè)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(yè)仿真軟件相比［５－７］，Ｆａｌｓｔａｄ ＣｉｒｃｕｉｔＪＳ軟件操作簡便，現(xiàn)象直觀，且免費使用，無需下載。用戶可以將實驗結(jié)果保存到本地，便于后續(xù)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(xué)繪制了一種電子元件的電流—電壓（Ｉ－Ｕ）關(guān)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(guān)。

調(diào)節(jié)滑動變阻器，記錄電壓表和電流表的示數(shù)，如表１所示。

在上述測量中，如果用導(dǎo)線代替電路中的定值電阻Ｒ０，會導(dǎo)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(diào)節(jié)范圍變小

Ｄ.待測元件兩端電壓的可調(diào)節(jié)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(dāng)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(chuàng)建電路圖，如圖２所示。根據(jù)題目要求，設(shè)置電源電動勢為６ V，滑動變阻器的最大阻值為２０ Ω。假設(shè)待測元件是熱敏電阻，通過調(diào)整右側(cè)的滑動條，將定值電阻Ｒ０與熱敏電阻的阻值分別設(shè)置為５００ Ω和１００ Ω，以使電流表和電壓表的讀數(shù)落在表１所列的范圍內(nèi)。隨后，觀察電路中各元件的工作狀態(tài)。

然后，點擊“運行／停止”按鈕，將滑動變阻器的滑片移至左側(cè)，并閉合開關(guān)，如圖２所示。在動態(tài)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(tài)截圖中，黃點的密集程度與黃點的移動速度相關(guān)，越密集表示黃點移動速度越大，電流也就越大。

根據(jù)圖２，滑動變阻器的滑片處于最左側(cè)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(lián)，再與１９．９ Ω的滑動變阻器電阻串聯(lián)。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(rèn)為滑動變阻器滑片在最左側(cè)時，待測元件被短路，沒有電流通過，從而起到了保護(hù)待測元件的作用。首先，通過拖動鼠標(biāo)將滑動變阻器的滑片調(diào)節(jié)到適當(dāng)?shù)奈恢茫鐖D３所示。然后，引導(dǎo)學(xué)生觀察并分析電流的流向。從左側(cè)的顯示窗口可以看到，電流從電源的正極出發(fā)，經(jīng)過滑動變阻器的右側(cè)，分為兩路：一路通過滑動變阻器的左側(cè)回到電源的負(fù)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(fù)極。滑動變阻器的左側(cè)與待測電阻及Ｒ０的串聯(lián)電路并聯(lián)。

２．２" " 例題求解

通過分析影響電壓表和電流表示數(shù)的因素，發(fā)現(xiàn)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(shù)實際上是電壓表和待測電阻總電流的和，這導(dǎo)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(guān)，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(dǎo)線替換Ｒ０，如圖４所示。從顯示窗口右下方的數(shù)值對話框可以看出，此時待測電阻的分壓變?yōu)椋玻福担?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(nèi)并實現(xiàn)電路功能，將Ｒ０替換為導(dǎo)線后，滑動變阻器的左側(cè)只能分得１ V以內(nèi)的電壓，因此滑動變阻器的可調(diào)節(jié)范圍將減小，Ｃ選項符合題意。待測元件兩端電壓的可調(diào)節(jié)范圍僅與待測元件的性質(zhì)有關(guān)，即小于１ V，不受Ｒ０的影響，Ｄ選項不符合題意。

３" " 引導(dǎo)學(xué)生開展電路實驗的深度學(xué)習(xí)

在傳統(tǒng)課堂中，分析高考電路實驗試題，要求學(xué)生觀察電壓和電流的數(shù)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(yīng)。使用Ｆａｌｓｔａｄ ＣｉｒｃｕｉｔＪＳ軟件，學(xué)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(xué)提供輔助。這種將信息化手段有效融入到傳統(tǒng)實驗教學(xué)的教學(xué)模式探索，有利于學(xué)生自主探究物理規(guī)律，提升其對電路特性的學(xué)習(xí)效果，也有助于學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)［５］。

此外，在傳統(tǒng)教學(xué)中，通常不方便直接將Ｒ０替換成導(dǎo)線。學(xué)生往往需要先通過分析電流流向來判斷電路結(jié)構(gòu)，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(xué)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(xué)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(jié)合對高考試題的分析，高考電路實驗題主要考查學(xué)生的科學(xué)思維和探究能力［８］。學(xué)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(shù)據(jù)分析進(jìn)行合理推理。Ｆａｌｓｔａｄ ＣｉｒｃｕｉｔＪＳ軟件能夠?qū)崟r展示電路在不同條件下的工作狀態(tài)，動態(tài)呈現(xiàn)電流流動，幫助學(xué)生觀察和分析電路結(jié)構(gòu)。總的來說，使用Ｆａｌｓｔａｄ ＣｉｒｃｕｉｔＪＳ軟件能夠加深學(xué)生對基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)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(xué)。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(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新意識［９］。教師可鼓勵學(xué)生獨立（或小組合作）設(shè)計實驗，并使用軟件“電路”菜單中的典型仿真電路進(jìn)行自主探究和深入學(xué)習(xí)，引導(dǎo)學(xué)生在實驗中不斷嘗試和總結(jié)，激發(fā)他們挑戰(zhàn)思維極限，有效培養(yǎng)批判性思維和創(chuàng)新能力。

４" " 結(jié)" 論

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

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（欄目編輯" " 賈偉堯）