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运用数字化工具探究数理知识的实验报告

一、引言

在人类的生产、生活和研究活动中,人们会不断学习、总结、发现认识自然、

探究规律的方法。而“做实验→获取观察数据→分析处理数据→推理建立数学模

型→实验验证模型→形成知识→应用知识解决问题”是一条非常有效的知识发现

路径。

二、实验目的

未来教室里,教师们运用Python、思维导图、网络画板等各类数字化学习工

具进行个性化教学,使教学更加形象、直观、易懂;同学们利用数字化学习工具

进行个性化学习,不仅可以开阔视野、开发思维、启迪智慧,而且可以直观地感

受知识形成的过程,提高学习效率。

体验数字化学习过程,理解数据、信息与知识的相互关系,感受利用数字化

工具和资源的优势。

三、实验内容与步骤

1.实验内容

运用数字化工具探究数理知识的实验内容包括:

(1)探究电流与电压、电阻的关系。

(2)用“网络画板”体验投针实验。

2.实验步骤

运用数字化工具探究数理知识的实验步骤包括:

(1)收集实验数据。

(2)分析数据,建立模型。

(3)实验验证模型。

(4)利用数字化工具进行数学实验。

四、实验工具与方法

利用思维导图工具和“头脑风暴”的方法组建团队、明确任务;

采用结构化的系统分析方法,使用可视化分析工具,实施探究。

五、实施实验过程

实验1:欧姆在研究电流与电压、电阻关系的实验利用了控制变量法,即

保持电压不变,探究电流和电阻的关系;或保持电阻不变,探究电流和电压的

关系。我们运用Python工具,利用控制变量法采集实验数据,研究当导体电压

保持不变时,通过导体的电流随导体电阻变化的规律。

1.收集实验数据

(1)连接电路图如右图所

示。连接电路时注意:接线时开关

要断开;闭合开关前,滑动变阻器

的滑片要滑到最大阻值处。

(2)把电阻R(记下阻值)

1

接入电路,移动滑动变阻器的滑

U

片,使电压表示数=3V,记录电

流表示数I。

1

(3)把电阻R换成电阻R(记下阻值),再次移动滑动变阻器的滑片使

12

UI

电压表示数=3V,记录电流表示数。

2

RRU

(4)如此类推,把电阻换成电阻,再次移动滑片使电压表示数=3

910

V,记录电流表示数I。

10

所得到实验数据如表2-2所示。

2.分析数据,建立模型

运用Python工具处理数据,绘制图像。

(1)绘制散点图。把表2-2中的数据输入Python绘制散点图程序(程序

如图中所示)中,执行程序后得到如下图所示的电流I与电阻R关系数据散

点图。

(2)在“绘制散点图”程序中加上指令“plt.plot(x0,y0)”,

执行程序后,得到如下图所示的电流I与电阻R关系数据曲线图。

3.实验验证模型

观察电流I与电阻R关系数据曲线图后,猜想电流I与电阻R的关系

是反比例关系,于是按ᵃ=ᵄ÷ᵄ的关系对数据作曲线拟合。利用曲线拟合程

序,执行后得到如下图所示的电流I与电阻R关系数据曲线拟合图。其中,

U=2905mV与电压表的示数基本吻合,即:

ᵃ=2905.67÷ᵄ

经过推理和实验验证,电流I与电阻R反比例关系成立,即ᵃ=ᵄ÷ᵄ。

4.利用数字化工具进行数学实验

数字化工具是指能够采集、获取、检索、表示、传输、存储和加

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