虚拟仪器LabVIEW在高中物理实验教学中的应用——以“描绘小灯泡伏安特性曲线”实验为例

刘丹瑜

(华南师范大学物理与电信工程学院 广东 广州 510006)

吴先球

(华南师范大学物理学科基础课实验教学示范中心 广东 广州 510006)

物理核心素养中有一重要组成部分——科学探究，而实验探究则是科学探究教学的主要方式，在实验教学中应充分发挥其帮助学生学习物理本质、形成科学思维，增强科学探究能力的功能.而在高中物理实验教学中，教师在准备实验器材、进行实验设计、引导学生进行实验操作及分析均需要付出许多时间，因此如何提高课堂实验教学效率是值得思考的问题.《普通高中物理课程标准(2017 年版)》提出：“可适当介绍一些有利于物理教学或物理实验的软件工具，辅助学生学习物理或进行物理实验”[1].然而值得注意的是，信息技术的运用并不是排斥或否定传统实验，它的价值在于使得教学手段多样化从而优化与提升实验教学效果.

基于此，本文提出虚拟仪器LabVIEW与真实的实验仪器相结合的实验方式，由此进行实验教学设计，实现从物理量测量到数据分析的一体化，既能让学生完成关键的操作，也能使得课堂教学效率得到提高，把更多时间放在引导学生关注科学探究的整体思路和方法以及关注实验规律和本质上[2].

1 教学分析

“描绘小灯泡的伏安特性曲线”是学生进入高中后遇到的第一个电学实验，也是后面的电学实验的基础，其电路设计中涉及的“分压、限流式电路”“电流表内、外接法”“滑动变阻器量程选择”等问题，以及在数据处理中涉及到的图像法、误差分析等，都是后面的电学实验所要涉及的基本方法.通过本节课的教学将有利于培养学生知识的应用与迁移能力.

学生在初中阶段已经探究过用伏安法测小灯泡的电阻，但对测量电路及测量原理的学习仅是浅层的，会让部分学生形成思维定势，对高中的教学造成阻碍.在实验原理上，学生往往认为滑动变阻器的作用侧重于保护电路，而不会从科学读数、减少误差等方面进行更全面的考虑；再比如限流式、分压式接法的选择依据，学生往往一知半解.而在实验操作中，往往存在仪器容易损坏、数据处理繁琐、学生体验感不强等不足之处[3,4].

2 教学目标

新课标从核心素养4个维度向高中物理课程目标提出了要求，因此本教学设计基于物理核心素养提出教学目标：

(1)了解描绘小灯泡伏安特性曲线的实验原理并分析其规律；

(2)通过进阶式问题引发学生思考从而促进科学思维发展；

(3)培养学生实验探究、数据处理能力等科学探究素养；

(4)培养学生用科学、客观、严谨的态度看待问题的科学态度与责任.

3 实验设计

根据描绘小灯泡伏安特性曲线的实验原理，借助DAQ数据采集卡，将真实仪器与虚拟仪器LabVIEW相结合，真实实验仪器包括电源、小灯泡(电阻)、滑动变阻器、电路、开关、导线等部分.图1为实验装置系统结构图，图2为计算机端操作及显示面板.

图1 实验装置系统结构图

图2 计算机端操作及显示面板

(1)本实验教学设计将传统实验仪器与虚拟仪器LabVIEW相结合：利用真实实验仪器构建实验电路，提供实现伏安特性曲线的描绘所需要的电压电流数据；通过虚拟仪器技术LabVIEW编程实现数据的处理和图像呈现，让学生把注意力更专注于探究实验规律上，提高了学生的体验感.

(2)该实验装置便于元件替换与测量电路的切换，如可将灯泡元件替换为定值电阻等其他待测元件，加一根导线可实现由限流式到分压式接法的切换等.

(3)对实验程序进行简单修改可用于测量电源电动势及内阻等实验中.

4 实验教学活动

4.1 创设情境 提出问题

环节1：认识实验对象

教师：PPT展示生活常用的灯泡，如图3所示.灯泡通过灯丝发热进行照明，灯丝具有电阻，那小灯泡的伏安特性曲线的形状如何？

(a) (b)

图3 生活中常见的灯泡

学生：思考、回答问题.学生用欧姆表测定灯泡电阻，并以灯泡铭牌的数值计算电阻，二者对比产生差异，猜想是灯泡在工作时灯丝温度变化导致电阻值的改变.

评析：从生活情境入手，让学生直观认识实验的研究对象，加强物理与生活的联系[5].

环节2：初步设计方案

教师：展示实验器材，让学生回忆初中的实验方案，通过进阶性问题询问学生如何选择器材去搭建电路完成小灯泡的伏安特性曲线测量.进阶性问题设置如图4所示.

图4 进阶性问题设置

学生：分组初步设计方案，基于初中的知识经验，提出通过表格记录数据，图像描绘曲线的方式来进行数据处理.

评析：在传统的实验课中，教师通常直接给出实验方案，不知不觉中就把“探究”抹去了，变成了“验证性”实验，导致有的学生理解过于表面，只会机械性地照搬实验方案.在本设计中通过设计问题链，以问题为线索，将实验设计的各部分连接在一起，形成一串情境，激发学生的学习兴趣，为让学生亲历实验设计的过程,打破思维定势从而为逐步完善方案打下基础.

4.2 教师示范 呈现问题

教师先给出借助基于LabVIEW的虚拟实验平台进行测量和数据处理这一方案，将图1中的小灯泡换成待测电阻，进行测量电阻的伏安特性曲线实验演示，为学生接下来进行灯泡的伏安特性曲线实验设计及操作做示范.

环节1：演示限流及分压电路

教师：分别操作限流式电路和分压式电路进行测量，得到如图5和图6所示的数据拟合曲线，让学生发现问题.

图5 限流式电路数据拟合曲线

图6 分压式电路数据拟合曲线

学生:利用限流电路得出来的数据点集中在一起，即滑动变阻器不能很好地改变灯泡两端的电压，而分压式电路中的数据点则可以大范围均匀分布在坐标系中，且可以从零开始调节.

教师：通过表格对比等方式，在学生观察实验数据后从理论的角度进行分析，加深理解，如表1所示.

表1 滑动变阻器限流式、分压式接法对比

环节2：演示电流表的内外接法

教师：对同一待测电阻，分别演示电流表的内外接法，测出两种电路读数的差异.

表2 电流表外接法和内接法对比

学生：两种接法测量数据及计算结果都不同.

评析：通过实时呈现图像，可以让学生直观看到限流电路和分压电路的区别，加深学生对两种电路的理解.通过电流表内外接法的数据，让学生直观看到电表位置影响测量结果，打破学生对“理想电表”的认识，认识到电表也具有电阻的特性.在教师对电阻的动态实验操作中，学生形成了用滑动变阻器的分压式接法测量灯泡的伏安特性曲线的实验方案.通过具体的实验现象，从而创设真实情境，让学生在观察中形成方案，而不是空洞、抽象地进行理论分析.

4.3 分组实验 自主探究

学生：按自己组内设计的实验电路图，连接好实物电路部分进行测量.拆除电路，整理仪器.

教师：指导学生完成基于LabVIEW的数据采集和处理部分：移动滑动变阻器，利用数据采集卡及LabVIEW的数据拟合功能，测量并记录小灯泡在不同电压下的电流，并绘制伏安特性曲线如图7所示.

图7 小灯泡的伏安特性曲线

教师：图线的弯曲说明什么？图线的斜率表示什么？请同学们归纳、总结实验结论.

学生：图线的弯曲说明随着U增大，I增大，但I随U的增大变得缓慢了，温度升高.图像斜率减小，说明R增大.实验表明，小灯泡的电阻随温度的升高而增大，故小灯泡的伏安特性曲线(I-U图)为斜率变小的曲线.

评析：让学生在实验操作中结合曲线变化情况得出结论，然后通过理论推导来解释实验现象，并通过与定值电阻测量的区别加深对小灯泡元件与其伏安特性曲线特性的认识，形成问题、证据、解释、交流的完整科学探究过程，促使学生的科学素养有较大提高.利用基于LabVIEW的虚拟实验平台，一方面拓展学生的视野，另一方面节省数据处理时间，使得学生能把注意力集中在实验现象以及根据现象分析物理规律本身，发挥信息技术应用到物理实验的优势.

5 总结

本文以基于LabVIEW平台描绘小灯泡的伏安特性曲线实验为例，对“虚实结合”的实验方式进行了初步的探究.这样的实验方式做到了虚实结合，既保留了关键性的动手操作步骤，让学生对实验室的真实仪器进行操作，使实验更贴合真实情境，让学生的实验操作能力得到提升；又运用虚拟技术简化数据处理步骤，让学生更好地关注实验规律.在顺应运用信息技术进行物理实验趋势的同时，做到与传统实验在思想上借鉴、在操作技能上相结合[2].