高中物理仿真演示實驗設計

李培學　馮永慶

摘 要 在高中物理教學中，仿真演示實驗的開展克服了傳統(tǒng)物理實驗中實驗抽象、具有危險性、物理實驗器材短缺、學生時間緊等缺點，能夠有效培養(yǎng)學生的動手實驗能力。以高中物理“動量守恒定律”教學為例，設計仿真演示實驗，希望為高中物理教師提供教學參考。

關鍵詞 高中物理；信息技術；仿真演示實驗

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2017）17-0141-02

1 高中物理實驗中存在的問題分析

高中物理新課程標準提出，在高中物理實驗教學中鼓勵教師采用多樣化的教學形式，支持學生積極參與實驗、自主進行探究性實驗，讓學生養(yǎng)成良好的科學精神。由于種種原因，目前在高中物理實驗教學中仍存在一些問題，影響了學生的學習[1]。

1）高中物理實驗過程中依然強調(diào)理論知識的傳授，不注重實踐技能培養(yǎng)。高中生面臨高考壓力，教師在實驗教學過程中重視提高學生的分數(shù)，忽視學生能力的培養(yǎng)，實驗教學過程中關心高考物理考綱中的內(nèi)容，要求學生熟記實驗原理、實驗器材、實驗步驟和實驗結(jié)論等，對于創(chuàng)新性實驗設計的題目，學生很難靈活運用知識進行解答[2]。

2）高中物理實驗教學方法比較單一[3]。一類是傳統(tǒng)的演示實驗，教師操作實驗，學生觀察實驗，完成實驗報告。這種實驗以教師活動為主，學生參與不積極，很難體會到實驗的樂趣。另一類物理實驗采用的教學方法是教師逐一講解實驗目的、實驗原理、實驗器材和實驗過程中的注意事項等，學生完全按照教師的講解重復實驗，驗證物理公式。這種實驗教學方法限制了學生的思維發(fā)展，也不利于學生進行創(chuàng)新性實驗。

3）高中物理實驗室條件落后及實驗器材短缺。目前，很多學校的高中物理實驗室仍滿足不了學生實驗課時的需求，只是針對一些比較重要的實驗開放實驗室；另外，實驗器材比較落后，滿足不了部分實驗對器材的需求，對于一些比較抽象的物理實驗，如電場的性質(zhì)實驗、磁場的性質(zhì)實驗、原子核的裂變實驗等，無法完成實驗教學。

因此，在信息技術廣泛應用的背景下，對高中物理實驗教學開展仿真演示實驗很有必要，充分利用計算機網(wǎng)絡進行虛擬實驗，培養(yǎng)學生的自主學習能力和創(chuàng)新能力。

2 仿真演示實驗的優(yōu)點

高中物理仿真演示實驗充分利用現(xiàn)代信息技術與高中物理實驗課程教學相整合，教學過程中充分利用計算機網(wǎng)絡進行虛擬實驗。在仿真演示實驗過程中，學生可以自主構(gòu)建各種仿真環(huán)境，選擇合適的實驗器材，自行設置一些物理數(shù)據(jù)，自主設計實驗步驟進行演示實驗。仿真演示實驗適用于很多比較抽象的物理實驗或者實驗器材比較復雜的實驗，如驗證動量守恒實驗、驗證機械能守恒實驗、真空中測光速實驗、雙縫干涉測光的波長實驗等。學生在仿真實驗過程中可以自己設計實驗參數(shù)，驗證實驗原理，進行探究性實驗，利用計算機技術實現(xiàn)圖像、動畫和用軟件計算數(shù)據(jù)的結(jié)合，提高參與實驗的積極性和自主學習能力，同時掌握了現(xiàn)代信息技術相關知識。

3 仿真演示實驗實施過程分析

動量守恒定律是高中物理教學中非常重要的一個內(nèi)容，每年高考試卷中都有涉及這方面的題目，是高中物理實驗教學中的難點和重點。動量守恒定律主要講述相互作用的物體，在不受外力的作用或者受到的合外力為零的情況下，物體的總動量保持不變。動量守恒定律適用范圍比較廣，小到微觀的粒子，大到宏觀的天體。動量守恒定律廣泛的適用范圍和動量的四性（矢量性、相對性、系統(tǒng)性和同時性）決定了其內(nèi)容比較抽象，學生難理解，高考丟分比較多。本文以動量守恒定律為教學案例，設計物理仿真演示實驗。

明確教學設計 教學設計依據(jù)教學內(nèi)容、教學目標和學生的認知水平進行確定，動量守恒定律實驗的主要目的是進一步驗證鐵球A和鐵球B在進行碰撞的過程中，依然保持動量守恒。動量守恒定律的實驗原理是質(zhì)量相同的鐵球A和鐵球B進行碰撞，假設鐵球A在碰撞前的速度為v1，鐵球B處于靜止狀態(tài)，在碰撞過程中質(zhì)量相等的兩個球進行了速度的交換，即鐵球A靜止，鐵球B以速度v1進行運動。通過播放課件創(chuàng)設有效的教學情境，激發(fā)學生的實驗興趣，引導學生運用仿真演示實驗進行探索實驗，最終掌握動量守恒定律的內(nèi)容、動量守恒定律的使用范圍和適用條件。實驗前引導學生明確實驗重點，即動量守恒定律的應用；需要注意的實驗難點，即動量守恒定律的內(nèi)容和實驗過程。

實驗理論依據(jù) 本實驗的理論依據(jù)是動量守恒定律，仿真演示實驗過程中需要注意：1）物體碰撞前后受到的合外力為零；2）不同條件下物體的質(zhì)量和速度都要記錄好，平拋運動的小球在平拋方向上是勻速直線運動，水平方向的合外力為零，滿足動量守恒定律。

優(yōu)化教學策略 本實驗主要采用分組—合作教學策略和探究—發(fā)現(xiàn)教學策略，全班學生每六人為一組進行仿真演示實驗。學生自主探究影響動量守恒定律實驗的因素，不斷地改變實驗參數(shù)進行多次實驗；記錄每次實驗數(shù)值，運用計算機軟件對實驗數(shù)據(jù)進行整理；掌握動量守恒定律的內(nèi)容和實驗原理，并學會應用到日常生活中，達到學以致用的教學目的。

演示實驗教學過程

1）創(chuàng)設教學情境，激發(fā)學生的學習興趣。教師在每組學生面前的電腦中播放視頻：小時候同學們都比較喜歡玩碰碰車，碰碰車前面都安裝有厚厚的膠皮，所以怎么碰也不會壞；兩個雞蛋從桌子上掉下來，掉到地面的雞蛋摔碎

了，但是落到海綿上的雞蛋完好無損。提出問題：演示一下兩個質(zhì)量相等的小球在碰撞過程中，動量發(fā)生什么樣的變化？帶著問題，學生開始進行動量守恒定律實驗。

2）仿真演示運動和靜止的物體碰撞后動量守恒。首先演示在光滑的水平地面上有兩個質(zhì)量相同的鐵球A和鐵球B，鐵球B保持靜止，鐵球A在碰撞前的速度為v1，發(fā)生碰撞后，鐵球A和鐵球B的狀態(tài)是怎樣變化的。接著演示兩個質(zhì)量不同的鐵球A和鐵球B，鐵球B保持靜止，鐵球A在碰撞前的速度為v1，發(fā)生碰撞后鐵球A和鐵球B的狀態(tài)是怎樣變化的。每組學生都需要多次重復這兩種情況并記錄好實驗數(shù)據(jù)，計算這兩種情況下動量的變化是否遵從動量守恒定律。endprint

3）仿真演示兩個運動的物體在碰撞過程中動量守恒，斜面下滑的小球在碰撞過程中動量守恒。在電腦中模擬實驗桌進行斜槽固定，安裝過程中注意保證斜槽末端和導軌保持水平，也就是保證小球平滑地從斜面滑入導軌平面。仿真操作鐵球A和鐵球B在碰撞過程中動量守恒。首先，設置鐵球A和鐵球B的質(zhì)量和位置坐標，設置摩擦因數(shù)為零（光滑沒有摩擦力）的軌道，設置軌道的長度。其次，把鐵球A和鐵球B分別放在直線軌道的兩頭，以相同的初速度進行相向運動，發(fā)生碰撞后記錄鐵球A和鐵球B的速

度；然后把鐵球A和鐵球B放在直線軌道的一頭，鐵球A在后面，鐵球B在前面，但是鐵球A的初速度大于鐵球B，記錄在運動過程中鐵球A和鐵球B發(fā)生碰撞后的速度分別是多少。最后，多次改變鐵球A和鐵球B的質(zhì)量和初速度，重復進行以上兩個實驗，記錄實驗數(shù)據(jù)。

4）彩色小球運動碰撞實驗。為了進一步激發(fā)學生的物理實驗興趣，仿真實驗設置紅色和綠色兩個固定在彈簧上的小球，紅色小球不動，設置綠色小球以一定的初速度向紅色小球方向運動并碰撞紅色小球；碰撞后，紅色小球和綠色小球交換速度，紅色小球開始壓縮彈簧運動后，又向反方向運動并碰撞綠色小球……紅色小球和綠色小球不停地交換速度，不停地碰撞。學生設想這兩個彩色小球會不會一直這樣運動碰撞？

5）學生整理實驗數(shù)據(jù)，利用Excel軟件進行數(shù)據(jù)處理，總結(jié)仿真演示實驗過程中遇到的問題和動量守恒定律的內(nèi)容。

教學評價 教學評價包括教師對教學過程的評價、教學內(nèi)容的評價和學生學習效果的評價。在本次仿真演示實驗中，學生動手動腦設計實驗過程，通過不斷地改變實驗參數(shù)（小球的質(zhì)量、運動速度和運動距離等），記錄實驗數(shù)據(jù)，總結(jié)實驗結(jié)果，自己推導出動量守恒定律，創(chuàng)新能力和自主學習能力都有很大提高；并且熟悉了計算機軟件相關知識，鍛煉了分析問題的能力和創(chuàng)新能力。

4 仿真演示實驗教學效果分析

激發(fā)了學生的學習興趣 在仿真演示實驗過程中充分利用現(xiàn)代信息技術，借助多媒體教學，原本抽象的理論知識變得形象生動，讓學生通過清晰的視頻畫面了解了實驗原理；在實驗數(shù)據(jù)整理過程中運用計算機軟件方便快捷，節(jié)約了大量的運算時間；實驗盡量接近日常生活，大大激發(fā)了學生的學習興趣[4]。

學生的創(chuàng)新能力大大提高 2016年高中物理新課程標準要求提高學生的創(chuàng)新能力，創(chuàng)新能力包括創(chuàng)新思維和創(chuàng)新意識。在仿真演示實驗過程中，學生充滿好奇心，自主設置實驗數(shù)據(jù)，培養(yǎng)創(chuàng)新意識，通過高中物理知識遷移和理論知識應用進行實驗設計[5]，推導出實驗結(jié)論。

學生自主學習能力大大提高 自主學習作為一種現(xiàn)代化學習方式，是每個學生都應該具備的一種能力。自主學習就是培養(yǎng)學生可以根據(jù)自己的學習實際確定學習目標、制訂學習計劃、選擇學習策略、自我監(jiān)控學習過程、自我評價學習效果等。在高中物理仿真演示實驗過程中，學生根據(jù)實驗內(nèi)容和實驗原理設計實驗過程，并且不斷改變實驗條件、實驗變量等，自主學習能力大大提高。

參考文獻

[1]何克抗，李克東，謝幼如，等.“主導——主體”教學模式的理論基礎[J].湖南第一師范學院學報，1999（2）：3-9.

[2]李璐.虛擬仿真實驗室應用于初中物理實驗教學的理論與實踐研究[D].西安：陜西師范大學，2009.

[3]張開揚.虛擬儀器在中學物理實驗教學的應用初探[D].南京：南京師范大學，2007.

[4]王伶俐，王建中，等.基于虛擬儀器技術的高中物理實驗教學設計初探[J].高等函授學報，2010，23（1）：88-90.

[5]陳國徽.“仿真物理實驗室”在物理復習教學中的應用及績效研究[J].教育信息技術，2010（8）：30-31.endprint