Falstad CircuitJS軟件在高中電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

摘" "要：電路實(shí)驗(yàn)是高中物理的重要組成內(nèi)容，也是高考物理實(shí)驗(yàn)部分的重要考查點(diǎn)。然而，由于諸多條件的限制，很多地區(qū)難以開展有效的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。為了提升高中電路實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)的方法。此舉旨在探索電路實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)；電路故障；深度學(xué)習(xí)

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

高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)調(diào)，在高中物理教學(xué)中應(yīng)重視實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)題趨向于貼近實(shí)際，側(cè)重于考查基本實(shí)驗(yàn)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(shí)限制，許多學(xué)生缺乏深入實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的時(shí)間。此外，現(xiàn)實(shí)生活中無法操作一些較為復(fù)雜、危險(xiǎn)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(shí)驗(yàn)的深度學(xué)習(xí)環(huán)境，Ｆａｌｓｔａｄ ＣｉｒｃｕｉｔＪＳ軟件可作為電路實(shí)驗(yàn)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(qiáng)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(gè)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(xiàng)調(diào)整以及電路實(shí)例設(shè)置等功能。在“繪制”菜單下，有９個(gè)元件庫，涵蓋了高中電學(xué)實(shí)驗(yàn)中常用的滑動(dòng)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(shí)驗(yàn)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(shí)，會(huì)在屏幕右下角顯示其參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)。界面右側(cè)設(shè)有“重制”“運(yùn)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(fèi)使用，無需下載。用戶可以將實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)電路圖如圖１所示，其中為電壓表，為電流表，Ｅ為電源（電動(dòng)勢約為６ Ｖ），Ｒ為滑動(dòng)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(dòng)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(huì)導(dǎo)致的兩個(gè)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(dòng)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(huì)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(dòng)勢為６ V，滑動(dòng)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(dòng)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(diǎn)擊“運(yùn)行／停止”按鈕，將滑動(dòng)變阻器的滑片移至左側(cè)，并閉合開關(guān)，如圖２所示。在動(dòng)態(tài)圖像中，移動(dòng)的黃點(diǎn)表示電流，黃點(diǎn)移動(dòng)速度快的部分形成模糊的黃線。因此，在靜態(tài)截圖中，黃點(diǎn)的密集程度與黃點(diǎn)的移動(dòng)速度相關(guān)，越密集表示黃點(diǎn)移動(dòng)速度越大，電流也就越大。

根據(jù)圖２，滑動(dòng)變阻器的滑片處于最左側(cè)時(shí)，由于模擬精度問題，存在０．１ Ω的滑動(dòng)變阻器電阻與待測元件并聯(lián)，再與１９．９ Ω的滑動(dòng)變阻器電阻串聯(lián)。此時(shí)，待測元件中幾乎沒有電流通過。因此，在實(shí)驗(yàn)中我們可以近似認(rèn)為滑動(dòng)變阻器滑片在最左側(cè)時(shí)，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(dòng)鼠標(biāo)將滑動(dòng)變阻器的滑片調(diào)節(jié)到適當(dāng)?shù)奈恢?，如圖３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(dòng)變阻器的右側(cè)，分為兩路：一路通過滑動(dòng)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?；瑒?dòng)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(shí)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(shí)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(shí)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(xiàng)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(dòng)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(shí)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(huì)因電流過大而損壞，Ｂ選項(xiàng)符合題意。同時(shí)，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(shí)現(xiàn)電路功能，將Ｒ０替換為導(dǎo)線后，滑動(dòng)變阻器的左側(cè)只能分得１ V以內(nèi)的電壓，因此滑動(dòng)變阻器的可調(diào)節(jié)范圍將減小，Ｃ選項(xiàng)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(xiàng)不符合題意。

３" " 引導(dǎo)學(xué)生開展電路實(shí)驗(yàn)的深度學(xué)習(xí)

在傳統(tǒng)課堂中，分析高考電路實(shí)驗(yàn)試題，要求學(xué)生觀察電壓和電流的數(shù)值，并分析滑動(dòng)變阻器各部分接入電路的情況以及電流表外接時(shí)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(dòng)變阻器每部分阻值變化時(shí)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(shí)驗(yàn)教學(xué)提供輔助。這種將信息化手段有效融入到傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)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(dòng)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(shí)驗(yàn)的實(shí)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(cuò)誤分析，突破實(shí)驗(yàn)難點(diǎn)。

結(jié)合對高考試題的分析，高考電路實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)技能的同時(shí)，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(shí)展示電路在不同條件下的工作狀態(tài)，動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)電流流動(dòng)，幫助學(xué)生觀察和分析電路結(jié)構(gòu)?？偟膩碚f，使用Ｆａｌｓｔａｄ ＣｉｒｃｕｉｔＪＳ軟件能夠加深學(xué)生對基礎(chǔ)概念的理解，同時(shí)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(xiàng)目式教學(xué)。其簡單直觀的操作界面提供了互動(dòng)式個(gè)性化體驗(yàn)，能夠有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新意識(shí)［９］。教師可鼓勵(lì)學(xué)生獨(dú)立（或小組合作）設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)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(shí)空限制地自主進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。將其應(yīng)用于高中物理實(shí)驗(yàn)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(shí)，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(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，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）