资源简介

第二章 知识与数字化学习
运用数字化工具探究数理知识的研究报告
—— 以探究物理中的欧姆定律为例
一、引言
在信息时代，学习者可以高效利用数字化工具与资源的优势，在数字 化学习环境中，与同伴和老师高效开展自主、协作、探究学习，创造性地 完成具体的学习任务。
二、探究目的
推进教育数字化，是实现教育现代化的必由之路。未来教室里，教师 们运用Python、思维导图、网络画板、虚拟仿真实验室等各类数字化学习工 具，开展可视化教学，通过交互、协作的资源引导学生进行互动式学习， 使教学更加开放、直观和易懂。同学们选择自己喜欢的学习方式，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，而且可以提高学习效率。
通过运用数字化工具探究物理知识的实验，我们可以体验数字化学习 的过程，理解数据、信息、知识与智慧的相互关系，感受利用数字化工具 和资源的优势。
三、探究内容
探究内容：运用数字化工具探究物理中的欧姆定律。
实验原理：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。
数字化创新学习：与传统的实验验证方式不同的是，本次探究运用 数字化工具去处理和分析数据。在体验“网络画板”模拟投针实验的过程 中，我们感受到数字化学习的优势；在探究欧姆定律的实验中，我们运用 数字化工具Jupyter notebook绘制数据散点图、数据曲线图和拟合图，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。
四、探究过程
探究过程包括“收集实验数据→分析数据→建立模型→实验验证模 型”这几个步骤。
1．收集实验数据
(1)搭建真实的物理器材，或者利用虚拟仿真实验室平台，连接电路 图，如图2-1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。
图 2-1 连接电路图
(2)把电阻 R1 (记下阻值)接入电路，移动滑动变阻器的滑片，使电 压表示数U=3 V，记录电流表示数 I1。
(3)把电阻 R1 换成电阻 R2 (记下阻值)，再次移动滑动变阻器的滑
片使电压表示数U=3 V，记录电流表示数 I2。
(4)如此类推，把电阻 R9 换成电阻 R10 ，再次移动滑片使电压表示数 U=3 V，记录电流表示数 I10。
所得到实验数据如表2-1所示。
表 2-1 欧姆定律实验的观察数据
电阻 R/Ω 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
电流 I/mA 586 291 198 143 101 98 72 68 59 55
2．分析数据
运用Jupyter notebook处理数据，绘制图像。
(1) 绘制散点图。把表2-1中的数据输入Python“绘制散点图”程序 中，执行程序后得到如图2-2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，得到如图2-3所示的电流 I 与电阻 R 关系数据曲线图。
图 2-2 电流与电阻关系数据散点图 图 2-3 电流与电阻关系数据曲线图
3．建立模型
观察电流 I 与电阻 R 关系数据曲线图，猜想电流 I 与电阻 R 的关系是 反比例关系，于是建立 I = U ÷R 的数学模型。
4．实验验证模型
根据建立的数学模型对数据作曲线拟合。利用曲线拟合程序， 执行 后得 到如图 2 -4所示的电 流I 与电 阻R 关系 数据曲 线拟 合图， 其中， U =2905.67607341 mV与电压表的示数基本吻合， 即： I = 2905.67607341÷R。
经过推理和实验验证，电流 I 与电阻 R 反比例关系成立，即 I = U ÷R。
图 2-4 电流与电阻关系数据曲线拟合图
五、探究收获
1．通过理论学习和运用“网络画板”体验模拟投针实验，感受数字化 学习的优势
数字化学习与创新是指个体通过评估并选用常见的数字化资源与工 具，有效地管理学习过程与学习资源，创造性地解决问题，从而完成学习 任务，形成创新作品的能力。具备数字化学习与创新能力的学生，能够认 识数字化学习环境的优势和局限，适应数字化学习环境，养成数字化学习 与创新的习惯；掌握数字化学习系统、学习资源与学习工具的操作技能， 用于开展自主学习、协同工作、知识分享与创新创造，助力终身学习能力 的提高。
数字化学习是伴随计算机多媒体技术、互联网通信技术的发展而产生
的，是信息社会的重要特征。数字化学习具有问题化、合作性、个性化、 创造性和再生性、开放性等特点，这是数字化学习与传统学习的不同之 处，也是优势所在。
2．通过探究欧姆定律实验，体验了数字化学习的过程，了解知识发现 的路径，理解数据、信息、知识和智慧之间的关系
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。“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。
数据是现实世界客观事物的符号记录；信息是经过加工处理的、具有 意义的数据；知识是人们运用大脑对获取或积累的信息进行系统化提炼、 研究和分析的结果，能够精确地反映事物的本质；智慧是达到预定目标， 所具有获取、选择、应用知识解决问题的实践创新能力。
数据、信息、知识和智慧是逐渐递进的关系，前者是后者的基础和前 提，后者是前者的抽象与升华。数据、信息、知识和智慧的相互关系如图 2-5所示。
图 2-5 数据、信息、知识和智慧的相互关系
六、结语
因数字化学习环境和资源利用方式不同，学习工具、途径和方法多 样，数字化学习模式也不尽相同，我们要针对具体的学习任务，利用合适 的数字化工具去学习与创新。

展开更多......

收起↑