仿真實(shí)驗(yàn)輔助高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐

白凡

摘 要 在高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用仿真實(shí)驗(yàn)，不僅能夠突破時(shí)間、空間的限制，擴(kuò)大學(xué)生和教師選擇器材的范圍，而且能培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神，啟迪學(xué)生和教師設(shè)計(jì)新的實(shí)驗(yàn)方案。在闡述仿真實(shí)驗(yàn)輔助高中物理教學(xué)優(yōu)勢(shì)、高中物理教學(xué)構(gòu)建仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的基礎(chǔ)上，以動(dòng)量守恒定律實(shí)驗(yàn)為例，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)輔助高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐探索。

關(guān)鍵詞 仿真實(shí)驗(yàn)；高中物理；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；實(shí)驗(yàn)器材；仿真物理實(shí)驗(yàn)室

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2018）01-0039-03

1 前言

作為學(xué)習(xí)物理知識(shí)的重要方法，物理實(shí)驗(yàn)在具體教學(xué)中具有不可替代的作用，而如何提高物理實(shí)驗(yàn)的有效性一直是一線物理教育者所關(guān)注的焦點(diǎn)。所謂物理仿真實(shí)驗(yàn)，就是依靠計(jì)算機(jī)和仿真實(shí)驗(yàn)軟件，模擬真實(shí)物理實(shí)驗(yàn)情境而采用的一種實(shí)驗(yàn)方法。在高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，應(yīng)用仿真實(shí)驗(yàn)不僅能夠突破時(shí)間、空間的限制，擴(kuò)大學(xué)生和教師選擇器材的范圍，而且能培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神，啟迪學(xué)生和教師設(shè)計(jì)新的實(shí)驗(yàn)方案。因此，合理利用仿真實(shí)驗(yàn)輔助高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有重要意義。

2 仿真實(shí)驗(yàn)輔助高中物理教學(xué)的優(yōu)勢(shì)

能夠保證實(shí)驗(yàn)的數(shù)量 在現(xiàn)有物理實(shí)驗(yàn)條件下，常常會(huì)出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)器材缺乏或者實(shí)驗(yàn)條件難以滿足而無(wú)法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象，而仿真實(shí)驗(yàn)突破了實(shí)驗(yàn)器材的限制，能夠提供充足的實(shí)驗(yàn)器材，并通過(guò)一些參數(shù)的設(shè)置有效滿足實(shí)驗(yàn)條件，可以非常逼真地呈現(xiàn)物理實(shí)驗(yàn)情境，因此有效保證了學(xué)生探究、接觸的實(shí)驗(yàn)數(shù)量。

有效保證實(shí)驗(yàn)的可視性 觀察實(shí)驗(yàn)器材結(jié)構(gòu)和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是物理教學(xué)中必不可少的環(huán)節(jié)，而由于真實(shí)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中實(shí)驗(yàn)器材較小，加之實(shí)驗(yàn)過(guò)程中離實(shí)驗(yàn)較遠(yuǎn)學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)的可視性較差，學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)的效果往往不佳。仿真實(shí)驗(yàn)是在計(jì)算機(jī)上完成的，可以實(shí)現(xiàn)每人一臺(tái)計(jì)算機(jī)，并且可以充分利用仿真實(shí)驗(yàn)軟件上的放大鏡功能，對(duì)實(shí)驗(yàn)器材的某一部位進(jìn)行單獨(dú)放大，有效增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的可視性。

有助于實(shí)驗(yàn)信息的及時(shí)反饋 在仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生可以根據(jù)自己的實(shí)際需求，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)的練習(xí)或探究模式進(jìn)行操作，并根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)軟件反饋出的實(shí)驗(yàn)步驟、錯(cuò)誤操作以及注意事項(xiàng)進(jìn)行重復(fù)練習(xí)。這種仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)程中及時(shí)反饋的信息有助于學(xué)生及時(shí)了解錯(cuò)誤之所在，有效強(qiáng)化學(xué)生對(duì)物理知識(shí)的認(rèn)識(shí)。

生動(dòng)形象且能有效避免危險(xiǎn) 仿真實(shí)驗(yàn)不僅可以模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)中的磁感線、電流等一些看不見、摸不著的事物，而且可以形象生動(dòng)地模擬出海市蜃樓、月食等現(xiàn)有條件下難以實(shí)現(xiàn)的物理現(xiàn)象。采用仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式有助于提高學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，幫助學(xué)生理解物理現(xiàn)象，更為重要的是能夠有效避免因?qū)嶒?yàn)操作不當(dāng)或者實(shí)驗(yàn)本身存在的危險(xiǎn)性帶來(lái)的危險(xiǎn)。

滿足學(xué)生主動(dòng)探究的需要 仿真實(shí)驗(yàn)不受空間、時(shí)間、實(shí)驗(yàn)器材等條件的限制，在智能手機(jī)、平板電腦上均可進(jìn)行，學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣愛好、教學(xué)中實(shí)驗(yàn)要求隨時(shí)進(jìn)行探究。同時(shí)，學(xué)生還可以在真實(shí)實(shí)驗(yàn)軟件中自主嘗試自己的想法，有效滿足主動(dòng)探究的興趣，從而提高對(duì)物理知識(shí)的學(xué)習(xí)質(zhì)量。

3 在高中物理教學(xué)中構(gòu)建仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

仿真物理實(shí)驗(yàn)室是在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下實(shí)施的，需要教師精心設(shè)計(jì)出實(shí)驗(yàn)情境，指導(dǎo)和啟發(fā)學(xué)生思考，而學(xué)生需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。筆者結(jié)合多年教學(xué)實(shí)踐，探索出圖1所示構(gòu)建仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)前，學(xué)生觀看與本節(jié)實(shí)驗(yàn)相關(guān)的仿真物理實(shí)驗(yàn)室內(nèi)置課件。同時(shí)，為了激發(fā)學(xué)生的興趣，促使學(xué)生主動(dòng)參與實(shí)驗(yàn)，教師應(yīng)精心創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境，引導(dǎo)學(xué)生提出實(shí)驗(yàn)假設(shè)，呈現(xiàn)出本節(jié)實(shí)驗(yàn)課程的目的、要求等。

然后，組織學(xué)生進(jìn)行獨(dú)立實(shí)驗(yàn)。學(xué)生根據(jù)本節(jié)課程實(shí)驗(yàn)要求、目的，充分掌握實(shí)驗(yàn)原理，并進(jìn)行獨(dú)立實(shí)驗(yàn)。在具體教學(xué)中為了使學(xué)生有足夠的時(shí)間不斷修改實(shí)驗(yàn)參數(shù)，獨(dú)立實(shí)驗(yàn)一般以20分鐘為宜，并根據(jù)自己的實(shí)驗(yàn)結(jié)果不斷總結(jié)出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

隨后，組織學(xué)生進(jìn)行小組協(xié)作實(shí)驗(yàn)。為了進(jìn)一步發(fā)揮小組集思廣益、探討交流實(shí)驗(yàn)結(jié)論的目的，在獨(dú)立實(shí)驗(yàn)之后，應(yīng)以小組的形式進(jìn)行小組協(xié)作實(shí)驗(yàn)，并且小組協(xié)作實(shí)驗(yàn)的時(shí)間一般以15分鐘為宜。值得說(shuō)明的是，在具體分組時(shí)，筆者常常以實(shí)驗(yàn)室中三臺(tái)相鄰計(jì)算機(jī)為一個(gè)小組，讓學(xué)生進(jìn)行協(xié)作交流。

最后，歸納總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)論。根據(jù)學(xué)生得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，講授本節(jié)實(shí)驗(yàn)課程的重難點(diǎn)知識(shí)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的注意事項(xiàng)幫助學(xué)生進(jìn)行總結(jié)。

4 仿真實(shí)驗(yàn)輔助高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐

動(dòng)量守恒定律是高中物理教學(xué)中的重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)，如果利用傳統(tǒng)教學(xué)方式，由于各種阻力的作用，相當(dāng)數(shù)量的學(xué)生難以明白動(dòng)量守恒定律的真正原理，不能充分地驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)論，并且實(shí)驗(yàn)探究?jī)H是重復(fù)教材中的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣低下，學(xué)習(xí)效果不佳。因此，為了最大限度地讓學(xué)生獲得最為直觀的感知，達(dá)到理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，筆者利用仿真物理實(shí)驗(yàn)室輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)，組織學(xué)生自動(dòng)探索動(dòng)量守恒定律。

教學(xué)目標(biāo)

1）熟練掌握仿真物理實(shí)驗(yàn)室軟件界面，并會(huì)對(duì)其實(shí)驗(yàn)對(duì)象屬性進(jìn)行設(shè)置。

2）理解動(dòng)量守恒定律的含義，熟練掌握定律使用的條件和范圍。

3）激發(fā)學(xué)生探究的興趣，能夠應(yīng)用能量守恒定律解決兩個(gè)物體相互作用的問題，不斷培養(yǎng)學(xué)生分析、解決問題的能力，提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

教學(xué)重難點(diǎn)知識(shí) 探究動(dòng)量守恒定律的過(guò)程，熟練掌握動(dòng)量守恒定律是教學(xué)的難點(diǎn)，應(yīng)用動(dòng)量守恒定律解決實(shí)際問題時(shí)教學(xué)的重點(diǎn)。

教學(xué)方式 應(yīng)用探究—發(fā)現(xiàn)式教學(xué)策略，組織學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，在網(wǎng)絡(luò)版仿真物理實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，改變實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，自主操作推導(dǎo)出動(dòng)量守恒定律，并結(jié)合多種實(shí)驗(yàn)方法，熟練掌握實(shí)驗(yàn)原理和定律在實(shí)際生活中的應(yīng)用。

實(shí)驗(yàn)步驟

1）創(chuàng)設(shè)情境，提出問題。為了激發(fā)學(xué)生探究的興趣，引導(dǎo)學(xué)生提出實(shí)驗(yàn)假設(shè)。筆者組織學(xué)生觀看仿真物理實(shí)驗(yàn)室內(nèi)置的課件，請(qǐng)他們思考：兩個(gè)雞蛋從同一高度落下時(shí)，為什么落在水泥地面上比落在沙灘上易碎？在碰碰車游戲中，為什么碰碰車邊緣總是要安置十分厚的膠皮？當(dāng)兩輛碰碰車發(fā)生相撞時(shí)，其動(dòng)量又是如何變化的？endprint

2）實(shí)驗(yàn)假設(shè)，呈現(xiàn)任務(wù)。讓學(xué)生在任務(wù)的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行探索，并在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，利用仿真物理實(shí)驗(yàn)室設(shè)置出兩個(gè)相同質(zhì)量的小球，應(yīng)用其中的一個(gè)小球撞擊另外一個(gè)小球，計(jì)算出兩個(gè)小球動(dòng)量的變化；根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果，推理出動(dòng)量守恒定律，并多次改變實(shí)驗(yàn)參數(shù)，驗(yàn)證并熟練掌握動(dòng)量守恒定律。

3）教師引導(dǎo)，探索真知。組織學(xué)生進(jìn)入仿真物理實(shí)驗(yàn)室界面進(jìn)行獨(dú)立實(shí)驗(yàn)，具體實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下：

首先，在仿真物理實(shí)驗(yàn)室界面中自主選擇兩個(gè)小球，并設(shè)定出每個(gè)小球的質(zhì)量、坐標(biāo)等參數(shù)；

其次，設(shè)置軌道摩擦因數(shù)為零，軌道長(zhǎng)度30米；

再次，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)相撞，將第一步設(shè)置的兩個(gè)小球放置在直線軌道的兩端，讓小球以不同的速度相向進(jìn)行碰撞，并記錄相撞后小球的初速度；

最后，改變實(shí)驗(yàn)參數(shù)，多次進(jìn)行驗(yàn)證，探究出相撞前后小球動(dòng)量變化的規(guī)律，幫助學(xué)生總結(jié)出動(dòng)量守恒定律。

在上述獨(dú)立實(shí)驗(yàn)完成后，筆者組織學(xué)生進(jìn)行協(xié)作實(shí)驗(yàn)，以相鄰的三臺(tái)計(jì)算機(jī)為一組，對(duì)照前面獨(dú)立實(shí)驗(yàn)中每個(gè)學(xué)生得出的結(jié)論進(jìn)行探討和相互驗(yàn)證，幫助學(xué)生歸納總結(jié)出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，不斷完善知識(shí)結(jié)構(gòu)。

綜上所述，現(xiàn)代教育理念認(rèn)為，發(fā)現(xiàn)問題比解決問題更有意義。在動(dòng)量守恒實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程中，學(xué)生發(fā)現(xiàn)非常感興趣的問題，這正是仿真實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)所在。例如：兩個(gè)同等質(zhì)量同等高度下釋放的小球，其中一個(gè)小球做平拋運(yùn)動(dòng)，另一個(gè)小球做自由落體，兩球相撞后的畫面如圖2所示；一個(gè)藍(lán)球以3 m/s的速度相撞固定在彈簧上的綠球，以速度為縱坐標(biāo)，以時(shí)間為橫軸，兩球相撞過(guò)程中的v-t圖像如圖3所示。正是因?yàn)檫@種有趣的現(xiàn)象，才更好地激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。

5 結(jié)語(yǔ)

總之，與真實(shí)實(shí)驗(yàn)相比，仿真實(shí)驗(yàn)還是存在一定的不足，如感知程度差、不利于學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行獨(dú)立思考等。因此，在具體的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，并不是所有的實(shí)驗(yàn)都需要通過(guò)仿真物理實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行探究，而是主要在一些受現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件限制、抽象性和危險(xiǎn)性較強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)中實(shí)施。只有這樣，才能充分發(fā)揮出仿真物理實(shí)驗(yàn)室的優(yōu)勢(shì)，才能激發(fā)出學(xué)生探究的興趣。

參考文獻(xiàn)

[1]郭文閣，陳海霞，王瑋，等.仿真實(shí)驗(yàn)在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用探討[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2015（3）：124-127.

[2]朱麗镕，羊波.仿真實(shí)驗(yàn)在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國(guó)教育技術(shù)裝備，2013（15）：129-131.

[3]田睿，田碩.仿真實(shí)驗(yàn)在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用初探[J].技術(shù)與市場(chǎng)，2009（9）：86.

[4]尹合棟.基于Web3D的中學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)輔助學(xué)習(xí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].電化教育研究，2012（2）：78-83.endprint