Ｅｄｉｓｏｎ仿真實驗軟件在中學電路課程中的案例探究

湯躍明　職衛(wèi)星　張錦華

摘 要：Edison仿真實驗軟件以其優(yōu)越性在中學電路課程的教學中有廣闊的前景，但許多一線教師對仿真實驗的教學效果持懷疑的態(tài)度。針對此問題， 筆者分析了Edison仿真實驗軟件在中學電路課程中運用的可行性，并結合案例探究Edison仿真實驗軟件在教學中實際應用的過程，提出在應用過程中應注意的問題。

關鍵詞：Edison仿真軟件；電路課程；應用

中圖分類號：G434文獻標識碼：A文章編號：1673-8454（2009）02-0036-03

一、引言

實驗可以幫助學生學習比較抽象的科學知識，鍛煉他們的動手能力和解決問題的能力。但由于經(jīng)費、場地、安全等原因的限制，真實實驗很難完全開放，學生沒有更多機會設計和操作實驗。Edison仿真實驗軟件的出現(xiàn)突破了傳統(tǒng)實驗的局限性，可以彌補實驗儀器少及儀器、元器件損壞的不足，凸顯實驗的開放性，便于學生自主學習和研究學習，激發(fā)學生的學習興趣。

有不少教師擔心，仿真實驗通過實物的虛擬化提供的虛擬化的實驗環(huán)境會影響教學效果。但從目前的研究結果來看，對仿真實驗的研究大多局限在仿真實驗的設計和開發(fā)上，對類似Edison的仿真軟件在教學實踐中的應用研究相對較少。中學教師沒有必要也沒有精力設計和開發(fā)這些軟件，成熟的商業(yè)仿真軟件功能強大，根據(jù)教學需要選擇適合的軟件進行應用研究顯然更加有效和切合實際。

二、可行性分析

1.Edison仿真實驗軟件的優(yōu)越性

Edison仿真實驗軟件是專用于電子線路仿真的“虛擬電子工作平臺”軟件工具，該軟件擁有仿真度很高的常用電工電子元器件模型庫，能對實際電路進行有效的模擬仿真分析。Edison仿真軟件將原理圖的創(chuàng)建，電路的測試分析和結果的圖表顯示等，全部集成到同一個電路窗口中。測試儀表和某些仿真元件的外形非常接近，且仿真元件的操作開關、按鍵與實際儀表也極為相似，因此通過電路的仿真設計，既能熟悉電路，又能熟悉儀器儀表的使用方法，同時與實驗操作不脫節(jié)。

Edison仿真軟件在實驗過程中會出現(xiàn)有趣的聲光效果，如在電路中有發(fā)光的燈泡，可以看到燈泡光線強弱的變化。又如電動機，可以看到其轉動的快慢及方向，并可聽到電動機運轉的聲音，使操作者有進行游戲的感覺，從而在不知不覺中掌握電學知識，激發(fā)學生學習電學的積極性。

Edison仿真軟件的另一個很大的優(yōu)點是該軟件提供了中文版本，全中文模擬操作環(huán)境能使學生的學習效率大大提高，有利于該軟件在電路課程教學中的使用和推廣。

2.信息化教育在中學的推廣和應用

近年來，隨著信息化教育在中學的推廣和應用，政府對中小學信息化建設的支持也不斷加大，中小學的教育技術裝備在不斷地更新，新的教育教學手段層出不窮。電子化的教育媒體使教學過程更加靈活，各種信息通過文本、聲音、圖像等直觀形式傳遞給學生，具有豐富的手法和巨大的表現(xiàn)力，能夠更好地吸引學生的注意力，加深他們的理解和記憶。

從硬件上來看，新鄉(xiāng)市中學大都配備了一定數(shù)量的多媒體教室和學生機房，給教師的演示實驗和學生的分組實驗提供了物質(zhì)基礎。從軟件上來看，教師通過培訓和實踐應用，掌握了計算機的基本操作技能和技巧；市級中學都開設了《信息技術》必修課程，學生的計算機基本操作也能夠過關。此外，隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展與普及，我們可以很容易地獲得Edison仿真軟件的試用版。試用版雖然沒有保存和打印功能，并且只能適用于小規(guī)模電路，但對中學實驗來說已經(jīng)是綽綽有余了。

三、案例探究——Edison仿真實驗軟件在《歐姆定律》一課中的應用

1.教學內(nèi)容分析

《歐姆定律》是人教版物理義務教育八年級下冊第六章“歐姆定律”的第四節(jié)內(nèi)容。歐姆定律是電學中的基本定律,是進一步學習電學知識和分析電路的基礎。本次課的邏輯性、理論性很強,重點是學生要通過自己的實驗得出歐姆定律,最關鍵的是兩個方面:一個是實驗方法,另一個就是歐姆定律。

歐姆定律的含義主要是靠學生在實驗的過程中逐漸理解,而定律的形式也很簡單,所以是重點而不是難點。學生對實驗方法的掌握既是重點也是難點,這個實驗難度比較大,主要在實驗的設計、數(shù)據(jù)的記錄以及數(shù)據(jù)的分析方面。由于實驗的難度比較大,學生出現(xiàn)錯誤的可能性也比較大,所以第一次實驗課在多媒體教室上，學生利用Edison仿真實驗軟件可以反復實驗，不用擔心儀器缺少和損壞的問題。

2.教學對象分析

選取河南師范大學附屬中學八年級的40名同學參加了教學研究。通過前幾節(jié)課的學習發(fā)現(xiàn)，學生們普遍喜歡電路實驗，枯燥的講解難以激發(fā)學生們的興趣。實驗室由于器材和場地的限制，只有把學生分成小組，而這樣就很難保證每個學生都有操作的機會。而在裝有Edison仿真實驗軟件的多媒體教室，每個學生都可以用自己的計算機進行自主的實驗探究，充分調(diào)動了學生的積極性。課前調(diào)查表明，學生們自小學四年級就開始上信息技術課，并且大多數(shù)家里都有電腦。通過計算機能力測試確保參加教學研究的學生都熟悉計算機的基本操作，為本節(jié)課的學習打下了良好的基礎。

3.教學目標

根據(jù)教學內(nèi)容和教學對象分析,確定以下教學目標:

（1）知識與技能目標：通過實驗探究電流、電壓、電阻的關系,理解歐姆定律的物理意義；學會同時使用電流電壓表測量導體兩端的電壓和其中的電流,并通過數(shù)據(jù)分析歸納其中的物理規(guī)律。

（2）過程與方法目標：引導學生有依據(jù)地進行合理的猜想,學習用不同的方法研究物理問題。

（3）情感態(tài)度和價值觀目標：培養(yǎng)學生大膽猜想,小心求證,形成嚴謹?shù)目茖W精神。

4.教學資源和教學準備工作

計算機能力測試：采取“任務驅(qū)動法”（在規(guī)定的時間內(nèi)，要求學生錄入、編輯同一文檔，最后存放在指定位置），以確定學生計算機實際操作能力不影響使用Edison仿真實驗軟件。

Edison仿真實驗軟件預備課：通過上預備課，一方面讓同學們熟悉Edison的基本操作，另一方面確保多媒體教室所有安裝Edison的計算機運行正常。

教學效果的評估：我們從學業(yè)成績、學習效率、學習的趣味性、信息技術應用能力四個方面設計調(diào)查問卷，以評估教學的效果。

5.學習活動設計

（1） 連接電路：首先，從左窗口元器件庫中拖動一個穩(wěn)壓直流電源放在工作臺適當位置，然后依次拖入開關、電流表和定值電阻并合理擺放。接下來的連線也非常容易，只要將鼠標指針移到接線柱上單擊左鍵再移動到另一接線柱單擊即可，連接好的電路如圖1。在元器件拖入工作臺后，我們可以看到右窗口會同時出現(xiàn)對應的電路圖符號，連線結束時對應的電路圖如圖 2。

（2）電阻不變時，測電流與電壓的關系：雙擊電阻圖形，在參數(shù)項目中將其阻值修改為10歐。調(diào)節(jié)電源旋鈕使電阻兩端電壓分別為U=2V、4V、6V、8V時，打開開關，電流表立即顯示數(shù)值，記錄實驗數(shù)據(jù)。實驗完畢，斷開開關，保留電路。分析表中實驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：在電阻一定的條件下，導體中的電流跟導體兩端的電壓成正比。

（3）電壓不變時，測電流與電阻的關系：電源電壓保持不變（U=4V），雙擊電阻圖形，將其阻值分別改為5歐、10歐、20歐、40歐，記錄電流表對應的數(shù)值。分析實驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：在電壓不變的條件下，導體中的電流跟導體的電阻成反比。

6.教學效果的評估

問卷調(diào)查的實施時間為2008年9月20日。由研究者直接到班級發(fā)放問卷，當場收集問卷的方式進行。問卷調(diào)查共發(fā)放問卷40份，收回問卷40份，回收率為100%，統(tǒng)計結果如表1所示。

根據(jù)表1，學生對基于Edison實驗的學習普遍反映比較好，92.5%的學生認為達到了教學目標；50%的學生認為學習的效率得到提高，這主要因為在實驗室的條件限制，學生3-4人組成的實驗小組可以分工合作，而基于Edison實驗每個人需要做所有的工作；90%的學生認為基于Edison實驗的實驗趣味性強，學生們在完成教學任務后會發(fā)揮想象力設計一些電路，而不用擔心器材限制；65%的學生認為自己的信息技術應用能力得到提高，通過座談也發(fā)現(xiàn)，被同學們譽為“計算機高手”的學生認為，操作Edison對他們來說沒有多大的挑戰(zhàn)性，比玩游戲簡單多了。

四、存在的問題和展望

從上面的實例我們可以看出Edison電子仿真實驗軟件使用十分方便，又很有趣味性，教學效果明顯，為教師提供了一條實驗教學的便捷之路，為學生提供了一個廣闊的學習空間，有利于學生在實驗中自主學習和探究。但在使用過程中還是存在一些問題。

第一，仿真實驗并不能完全代替實物實驗，接線等技能只有通過真實的操作訓練學生才能真正掌握。一味追求仿真，那只能是走向一個新的誤區(qū)。

第二，不是所有實驗都能使用Edison仿真軟件，如電流表、電壓表等。原因是Edison中的儀表都是數(shù)字式的，能直接顯示讀數(shù)，而目前教材中所使用的儀表還是傳統(tǒng)的，需要通過刻度來讀數(shù)。

第三，Edison仿真軟件中的元器件即使損壞了也可以用“修復”命令立即修復，這一優(yōu)點在某種程度上也是一種缺點。很多學生因此在仿真實驗中忘記了實驗的操作規(guī)范，并把這種壞習慣帶到實物實驗中，不利于培養(yǎng)學生的動手實驗能力的提高。故而不論是在仿真實驗還是在實物實驗時，教師都應時刻強調(diào)實驗操作的規(guī)范性。

隨著Edison仿真實驗軟件和類似軟件的應用，實驗儀器的數(shù)字化、虛擬化的發(fā)展趨勢越來越明顯。運用虛擬儀器技術，以計算機為基礎，構建集成化測試平臺，不但可以滿足中學實驗教學的需要，大大提高設備利用率，而且降低了實驗室建設的成本。

參考文獻：

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(編輯：隗爽）