資源簡介

第二章 知識與數字化學習
運用數字化工具探究數理知識的研究報告
—— 以探究物理中的歐姆定律為例
一、引言
在信息時代，學習者可以高效利用數字化工具與資源的優勢，在數字 化學習環境中，與同伴和老師高效開展自主、協作、探究學習，創造性地 完成具體的學習任務。
二、探究目的
推進教育數字化，是實現教育現代化的必由之路。未來教室里，教師 們運用Python、思維導圖、網絡畫板、虛擬仿真實驗室等各類數字化學習工 具，開展可視化教學，通過交互、協作的資源引導學生進行互動式學習， 使教學更加開放、直觀和易懂。同學們選擇自己喜歡的學習方式，利用數 字化學習工具進行個性化學習，不僅可以開闊視野、開發思維、啟迪智 慧，而且可以提高學習效率。
通過運用數字化工具探究物理知識的實驗，我們可以體驗數字化學習 的過程，理解數據、信息、知識與智慧的相互關系，感受利用數字化工具 和資源的優勢。
三、探究內容
探究內容：運用數字化工具探究物理中的歐姆定律。
實驗原理：歐姆在研究電流與電壓、電阻關系的實驗利用了控制變量 法，即保持電壓不變，探究電流和電阻的關系；或保持電阻不變，探究電 流和電壓的關系。
數字化創新學習：與傳統的實驗驗證方式不同的是，本次探究運用 數字化工具去處理和分析數據。在體驗“網絡畫板”模擬投針實驗的過程 中，我們感受到數字化學習的優勢；在探究歐姆定律的實驗中，我們運用 數字化工具Jupyter notebook繪制數據散點圖、數據曲線圖和擬合圖，研究當 導體電壓保持不變時，通過導體的電流隨導體電阻變化的規律。
四、探究過程
探究過程包括“收集實驗數據→分析數據→建立模型→實驗驗證模 型”這幾個步驟。
1．收集實驗數據
(1)搭建真實的物理器材，或者利用虛擬仿真實驗室平臺，連接電路 圖，如圖2-1所示。連接電路時注意：接線時開關要斷開；閉合開關前，滑 動變阻器的滑片要滑到最大阻值處。
圖 2-1 連接電路圖
(2)把電阻 R1 (記下阻值)接入電路，移動滑動變阻器的滑片，使電 壓表示數U=3 V，記錄電流表示數 I1。
(3)把電阻 R1 換成電阻 R2 (記下阻值)，再次移動滑動變阻器的滑
片使電壓表示數U=3 V，記錄電流表示數 I2。
(4)如此類推，把電阻 R9 換成電阻 R10 ，再次移動滑片使電壓表示數 U=3 V，記錄電流表示數 I10。
所得到實驗數據如表2-1所示。
表 2-1 歐姆定律實驗的觀察數據
電阻 R/Ω 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
電流 I/mA 586 291 198 143 101 98 72 68 59 55
2．分析數據
運用Jupyter notebook處理數據，繪制圖像。
(1) 繪制散點圖。把表2-1中的數據輸入Python“繪制散點圖”程序 中，執行程序后得到如圖2-2所示的電流 I 與電阻 R關系數據散點圖。
(2)在“繪制散點圖”程序中加上指令“plt.plot(x0,y0)”，執行程序 后，得到如圖2-3所示的電流 I 與電阻 R 關系數據曲線圖。
圖 2-2 電流與電阻關系數據散點圖 圖 2-3 電流與電阻關系數據曲線圖
3．建立模型
觀察電流 I 與電阻 R 關系數據曲線圖，猜想電流 I 與電阻 R 的關系是 反比例關系，于是建立 I = U ÷R 的數學模型。
4．實驗驗證模型
根據建立的數學模型對數據作曲線擬合。利用曲線擬合程序， 執行 后得 到如圖 2 -4所示的電 流I 與電 阻R 關系 數據曲 線擬 合圖， 其中， U =2905.67607341 mV與電壓表的示數基本吻合， 即： I = 2905.67607341÷R。
經過推理和實驗驗證，電流 I 與電阻 R 反比例關系成立，即 I = U ÷R。
圖 2-4 電流與電阻關系數據曲線擬合圖
五、探究收獲
1．通過理論學習和運用“網絡畫板”體驗模擬投針實驗，感受數字化 學習的優勢
數字化學習與創新是指個體通過評估并選用常見的數字化資源與工 具，有效地管理學習過程與學習資源，創造性地解決問題，從而完成學習 任務，形成創新作品的能力。具備數字化學習與創新能力的學生，能夠認 識數字化學習環境的優勢和局限，適應數字化學習環境，養成數字化學習 與創新的習慣；掌握數字化學習系統、學習資源與學習工具的操作技能， 用于開展自主學習、協同工作、知識分享與創新創造，助力終身學習能力 的提高。
數字化學習是伴隨計算機多媒體技術、互聯網通信技術的發展而產生
的，是信息社會的重要特征。數字化學習具有問題化、合作性、個性化、 創造性和再生性、開放性等特點，這是數字化學習與傳統學習的不同之 處，也是優勢所在。
2．通過探究歐姆定律實驗，體驗了數字化學習的過程，了解知識發現 的路徑，理解數據、信息、知識和智慧之間的關系
在人類的生產、生活和研究活動中，人們會不斷學習、總結、發現認 識自然、探究規律的方法。“做實驗→獲取觀察數據→分析處理數據→推 理建立數學模型→實驗驗證模型→形成知識→應用知識解決問題”是一條 非常有效的知識發現路徑。
數據是現實世界客觀事物的符號記錄；信息是經過加工處理的、具有 意義的數據；知識是人們運用大腦對獲取或積累的信息進行系統化提煉、 研究和分析的結果，能夠精確地反映事物的本質；智慧是達到預定目標， 所具有獲取、選擇、應用知識解決問題的實踐創新能力。
數據、信息、知識和智慧是逐漸遞進的關系，前者是后者的基礎和前 提，后者是前者的抽象與升華。數據、信息、知識和智慧的相互關系如圖 2-5所示。
圖 2-5 數據、信息、知識和智慧的相互關系
六、結語
因數字化學習環境和資源利用方式不同，學習工具、途徑和方法多 樣，數字化學習模式也不盡相同，我們要針對具體的學習任務，利用合適 的數字化工具去學習與創新。

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