刘芷余 秦宇飞 柴万东
摘 要：物理学是以实验为基础的自然科学，实验教学是高中物理教学的基础与主题。在教育信息化的浪潮下，虚拟仿真实验作为一种以虚拟仿真技术为支撑的实验教学新形式，通过图形化界面模拟实物实验的过程与效果，帮助学生直观、形象地体验实验操作过程，具有沉浸式、高仿真、突破时间和空间的限制等特点，与传统实验相互补充，是目前国家推进现代信息技术融入实验教学的重点项目。为了提高物理实验的教学效果，培养学生的创新学习能力，形成严谨的、实事求是的世界观，本文以高中物理实验“伏安法”测电阻为例，利用Multisim 14.0进行虚拟仿真，对虚拟仿真实验在高中物理教学中的应用进行探讨。
关键词：虚拟仿真实验；
中学物理实验教学；
Multisim 14.0
中图分类号：G632 文献标识码：A 文章编号：1673-260X（2023）06-0060-04
收稿日期：2023-02-16
通讯作者：柴万东（1971-），男，汉族，内蒙古赤峰市人，硕士研究生导师，教授。研究方向：传感器应用，基本教育理论。
基金项目：内蒙古自治区“十四五”教育规划课题（2022JGH455）
1 前言
《“十四五”国家信息化规划》明确指出，要针对各教育阶段与教育类型的不同需求，建设支持育人全过程、动态更新的高质量数字教育资源体系。借助虚拟现实、增强现实、人工智能等技术，实现虚实融合教学场景、智能导学系统、智能助教、智能学伴、教育机器人等新型资源开发，使数字教育资源更好地服务于师生的知识建构、技能训练、交流协作、反馈评价等教学活动[1]。
教育信息化可以满足学生个性化学习的要求，使教育教学更加灵活。提高了学生运用信息技术工具，掌握信息的检索、整合、评估和利用能力。为学生提供更多的资源和平台，培养学生的创新思维和创新能力，更好地了解国际前沿的教育理念、方法和技术，提高学生的国际视野和国际竞争力，为学生未来的发展打下良好的基础。
2018年，教育部颁布了《教育部关于开展国家虚拟仿真实验教学项目建设工作的通知》，明确提出国家虚拟仿真实验教学项目是推进现代信息技术融入实验教学项目、拓展实验教学内容广度和深度、延伸实验教学时间和空间、提升实验教学质量和水平的重要举措[2]。目前，全国各大高校都在建设虚拟仿真实验项目。因此，虚拟仿真实验受到了教育研究者的关注。
《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称“新课标”）充分总结了我国高中物理课程改革的经验，吸收了国内外优秀的教育理念，提出了物理学科核心素养[3]。新课标明确强调了信息技术在物理教学中的实际应用，要求关注信息化环境下的教学改革，随着科学技术的不断发展，及时更新教学内容和教学体系。将多媒体、仿真实验运用于物理实验教学中，是未来物理实验教学改革的趋势[4]。
2 虚拟仿真软件在物理实验教学中的应用
应用虚拟仿真软件辅助教学，能够避免实验耗材量大、实验器材难搭建、老旧实验器材磨损，误差增大等问题。部分实验器材比较昂贵，学校无法大量购入，教师上课时只能做演示實验或播放实验视频，学生不能亲自体验实验过程，教学效果大打折扣。
传统实验的实验器材较多，且都比较专业，学生只能在学校的实验室里进行操作，并且通常只有一次做实验的机会。虚拟实验可以在手机上或电脑上进行操作，学生能够使用虚拟仿真软件不断地重复实验，大大提高了实验效果。
虚拟仿真实验有安全性高、成本低、可重复性好等优势。传统实验可以让学生获得实际操作经验，更好地理解理论知识，学生亲身感受实验现象和变化，提高他们的兴趣和参与度。若将虚拟仿真实验与传统实验相结合，能够获得更好的学习效果。
2.1 将Multisim 14.0应用于中学“伏安法”测电阻实验
Multisim是一款专业的电子电路仿真软件。包括电路原理的图形输入和电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力，可以交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真[5]。该软件具有大量的元器件和测量仪器工具，其电路符号与实际应用中的电路符号非常接近，学生在初中时就已经熟练掌握基本电路元器件符号，非常容易上手。且这款软件版本很多，可以安装在电脑和平板电脑等智能终端上，因此使用很便利，在物理实验教学中被广泛使用。
“伏安法”测电阻实验是人教版高中物理必修三中的内容，本节内容是在学生已具有一定电路知识背景下，运用欧姆定律，利用“伏安法”对未知电阻进行测量计算。实验过程中由于电压表的分流及电流表的分压，使得对不同阻值的电阻进行测量时产生误差不同。为了使测量值更加接近于真实值，当待测电阻值远大于电流表的内阻时使用“内接法”；
待测电阻远小于电压表的内阻时，使用“外接法”。
在传统的实验教学中，学生遇到的困难主要有：（1）忽视对内接法和外接法的定义，把内接法和外接法电路混淆，进而导致实验结果的误差和不确定性；
（2）对测量值和真实值的概念理解不够透彻，导致学生无法准确地分析实验误差和误差来源，从而无法理解实验结论；
（3）内接法、外接法定量推导过程比较复杂，学生不易理解，导致学生无法灵活运用所学到的知识；
（4）在实物实验中，由于课堂时间限制，学生做实验时来不及选用多组不同阻值的电阻进行实验，且实验的精度受到电流表、电压表的精度以及温度等因素的影响，实验的误差较大，学生对实验结论会产生怀疑。
2.2 利用Multisim 14.0进行“伏安法”测电阻实验的设计思路
2.2.1 电路连接及参数设置
在Multisim的元器件库中，选择对应的元器件，将其摆放到合适的位置上，用鼠标右键选中一个元器件的一端，再将鼠标移动到另一个元器件的一端，点击选中，就能完成两个元器件的连接（起 到实物实验中导线的作用）。重复以上操作，即可完成电路连接。如图1和图2所示。
在Multisim 14.0中，可以方便地设定电流表、电压表的内阻以及待测电阻的阻值，双击某个元器件，即可更改其属性值。待测电阻可以选择的范围是1mΩ-5TΩ，电流表的内阻最小为1nΩ，电压表的内阻最大为1000TΩ；
电流表的量程为0-1GA，电压表的量程为0-1GV。另外，Multisim 14.0仿真软件不存在安全隐患，即使学生不小心接错电路也没有危险，Multisim 14.0提示学生电路所出现的问题，学生能够根据提示及时改正。
2.2.2 实验过程
在传统“伏安法”测电阻实验中，根据被测电阻的阻值大小选择外接法和内接法。当RX>时（即RX为大电阻），用内接法；
当RX<时（即RX为小电阻），用外接法；
当RX=时，内接法、外接法均可。为了验证该结论是否正确，可进行两组实验。
（1）在电压表内阻为2KΩ，电流表内阻为1Ω的情况下进行实验
Multisim14.0进行仿真实验的误差极小，可以忽略不计，中学实验室中所用电压表内阻约为2KΩ，电流表的内阻约为1Ω，在进行实验时将电压表、电流表的内阻设置为这两个数值后，选取阻值分别2000Ω、1000Ω、500Ω、100Ω、50Ω、44.72Ω（即RX=时）、10Ω、5Ω、1Ω、0.1Ω的电阻，分别用内接法和外接法进行测量对比，并得出实验结论（计算结果仅保留两位小数）。点击运行“?”按钮，电路开始运行，记下电流表、电压表显示的值，如表1所示。
当待测电阻阻值为44.72Ω时，内接法所测得阻值为45.72Ω，外接法所测得阻值为43.72Ω，两种方法的误差均为1Ω，验证了当RX=时，选用内接法、外接法均可这一结论。以44.72Ω（RX=）为分界线，当待测电阻较小且与电流表内阻相近（即RX<）时，内接法的误差较大，而外接法的误差较小，在测量时应采用外接法；
当待测电阻较大且与电压表内阻相近（即RX>）时，外接法的误差较大，内接法的误差较小，在测量时应采用内接法。
（2）在电压表内阻为10KΩ，电流表内阻为0.1Ω的情况下进行实验
将Multisim中的电压表的内阻调整到10KΩ，将电流表的内阻调整到0.1Ω，然后分别用内接法和外接法测量电阻值为2000Ω、1000Ω、500Ω、100Ω、50Ω、31.62Ω（即RX=时）、10Ω、5Ω、1Ω、0.1Ω的电阻，由这两种方法得出的测量值计算出电阻的阻值（计算结果仅保留两位小数）。点击运行“?”按钮，电路开始运行，记下电流表、电压表显示的值，如表2所示。
当待测电阻阻值为31.62Ω时，内接法所测得阻值为31.72Ω，外接法所測得阻值为31.52Ω，两种方法的误差均为0.1Ω，并且以44.72Ω（RX=）为分界线，再次验证了公式推论是正确的。
对比表1和表2，表2的实验误差要比表1的小，也就是说当电压表的内阻较大，电流表的内阻较小时，实验的误差更小，测量出来的电阻阻值更加精确。学生们可以利用课余时间，继续改变电压表、电流表的内阻，分别用内接法和外接法测量几种电阻值不同的电阻从而验证该结论是正确的。
根据上述两个实验可以看出利用Multisim进行“伏安法”测电阻实验，能够让学生领会大电阻、小电阻的说法是相对于电流表、电压表的内阻。学生在多次进行测量并通过欧姆定律算出阻值后与自己设定的电阻阻值相比较，就能检验两种方法的误差分析是否正确，验证公式推导是否正确，能够加深学生对伏安法测电阻原理的理解，帮助学生记忆，在遇到这类问题时能够选择合适的方法。
3 结语
随着科技的不断发展，信息化教学正在走进大众的视野，对教育教学起着非常重要的作用。在这些信息化教学方式冲击传统教学的同时，也为教师提供了课堂改革的机遇[6]。在这种简单直观的仿真实验中，学生更加轻松地掌握物理知识，培养学生的科学探究能力，充分发挥了在物理实验教学中教师的主导作用，体现了学生的主体地位。
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参考文献：
〔1〕国家互联网信息办公室.“十四五”国家信息化规划[EB/OL].http：//www.cac.gov.cn/2022-03/08/c_1648363725755324.html.
〔2〕教育部.教育部关于开展国家虚拟仿真实验教学项目建设工作的通知[EB/OL].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7945/s7946/201806/t20 180607_338713.html.
〔3〕教育部.普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）[M].北京，人民教育出版社，2017.
〔4〕高烁.虚拟仿真技术在初中物理实验教学中的应用[D].湖南，湖南理工学院，2020.
〔5〕张景俊.基于Multisim仿真的中学物理实验教学改革[J].潍坊学院学报，2020，20（02）：81.
〔6〕赵凯.虚拟方针技术在电子技术信息化实践教学中的应用——以Multisim为例[J].西部素质教育，2020，6（06）：118-119.
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