李瑞环 吴先球
(华南师范大学物理与电信工程学院,广东 广州 510006)
教师在课堂演示电学实验时,因为仪表体积过大和电线连接交叉,学生难以清晰观察电路连接和实验现象.因此,设计一个能实时观察实验操作过程,显示电路连接的演示仪,能够提高实验的可视化和实时性,改善教学效果.在研究了多款演示仪的基础上,笔者设计、制作了一款可视化的电学实验演示仪.该演示仪与其他同类演示仪相比,具有电路连接可视化、实现多种接法等优势,以达到方便教师演示和讲解的同时,也能让所有学生观察到直观明显的实验现象的目的.
可视化、多种电路可选是本实验系统的设计理念,为了直观显示实验的操作过程与原理,基于以上构思,对实验装置进行以下相应设计.
(1)装置的整体设计.
为了方便观察,把仪器按照图1固定在木板上.在木板上切割恰当的面积,让电流表和电压表嵌入木板中,让电表的接线柱固定在面板上.
(2)电路连接的可视化设计.
图1
图2
为了让学生清晰地看到电路连接过程,按照图2制作夹层.用细小铁柱在中间固定木板和黑茶色有机玻璃板,在夹层按照不同的电路连接线路设计LED电路.当LED不亮时,黑茶色有机玻璃板挡住光线,面板没有显示电路连接;当LED亮时,透过黑茶色有机玻璃板可以观察到电路连接.
(3)电路连接的控制.
在木板的后面用电线连接实际的电路,用继电器电路来实现多种线路连接的变化,通过继电器的闭合和断开来实现LED的亮灭和电路的切换.
(1)选择电流表内外接法,按照电路控制继电器,闭合电路开关,如图3所示;
(2)让学生观察电路连接,多次改变滑动变阻器,记录电流和电压值;
(3)改变电流表接法,测量多组电流和电压值;
(4)计算被测电阻值,或电源电动势和内阻.
图3
图4为本演示仪实验测量的数据,通过图形化软件作图,描点拟合直线,求出电源的电动势和内阻,并让学生比较电流表内外接法的图形,和所求电动势和内阻的差异,分析产生差异的原因.
图4
该演示仪利用LED使电路的实际连线、实验过程直观明显地展现在学生面前,增强了可视化效果,有助于学生理解实验过程和方法,配合图形化处理软件进行数据分析,对教师的教学和学生的观察都能起到很好的辅助效果.该演示仪可以实现伏安法测电阻、测电源电动势和内阻实验,灵活变换电流表内外接法,能有效激发学生的学习兴趣,实际应用效果反应良好.
1 叶新风,范吉清.电学实验演示困境的解决方法[J].中国现代教育装备,2012(22):66-67.
2 部德才,吴先球,吕红英等.远程实验中RLC电路参数的计 算 机 控 制 [J].实 验 技 术 与 管 理,2005(9):71-73.
3 单美贤,李艺.虚拟实验原理与教育应用[M].北京:教育科学出版社,2005.