仿真實驗輔助高中物理實驗教學(xué)實踐

白凡

摘 要 在高中物理實驗教學(xué)中應(yīng)用仿真實驗，不僅能夠突破時間、空間的限制，擴大學(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)計新的實驗方案。在闡述仿真實驗輔助高中物理教學(xué)優(yōu)勢、高中物理教學(xué)構(gòu)建仿真實驗教學(xué)模式的基礎(chǔ)上，以動量守恒定律實驗為例，進(jìn)行仿真實驗輔助高中物理實驗教學(xué)實踐探索。

關(guān)鍵詞 仿真實驗；高中物理；實驗教學(xué)；實驗器材；仿真物理實驗室

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2018）01-0039-03

1 前言

作為學(xué)習(xí)物理知識的重要方法，物理實驗在具體教學(xué)中具有不可替代的作用，而如何提高物理實驗的有效性一直是一線物理教育者所關(guān)注的焦點。所謂物理仿真實驗，就是依靠計算機和仿真實驗軟件，模擬真實物理實驗情境而采用的一種實驗方法。在高中物理實驗教學(xué)中，應(yīng)用仿真實驗不僅能夠突破時間、空間的限制，擴大學(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)計新的實驗方案。因此，合理利用仿真實驗輔助高中物理實驗教學(xué)具有重要意義。

2 仿真實驗輔助高中物理教學(xué)的優(yōu)勢

能夠保證實驗的數(shù)量 在現(xiàn)有物理實驗條件下，常常會出現(xiàn)實驗器材缺乏或者實驗條件難以滿足而無法進(jìn)行實驗的現(xiàn)象，而仿真實驗突破了實驗器材的限制，能夠提供充足的實驗器材，并通過一些參數(shù)的設(shè)置有效滿足實驗條件，可以非常逼真地呈現(xiàn)物理實驗情境，因此有效保證了學(xué)生探究、接觸的實驗數(shù)量。

有效保證實驗的可視性 觀察實驗器材結(jié)構(gòu)和實驗現(xiàn)象是物理教學(xué)中必不可少的環(huán)節(jié)，而由于真實實驗過程中實驗器材較小，加之實驗過程中離實驗較遠(yuǎn)學(xué)生觀察實驗的可視性較差，學(xué)習(xí)實驗的效果往往不佳。仿真實驗是在計算機上完成的，可以實現(xiàn)每人一臺計算機，并且可以充分利用仿真實驗軟件上的放大鏡功能，對實驗器材的某一部位進(jìn)行單獨放大，有效增強實驗的可視性。

有助于實驗信息的及時反饋 在仿真實驗過程中，學(xué)生可以根據(jù)自己的實際需求，通過仿真實驗的練習(xí)或探究模式進(jìn)行操作，并根據(jù)仿真實驗軟件反饋出的實驗步驟、錯誤操作以及注意事項進(jìn)行重復(fù)練習(xí)。這種仿真實驗過程中及時反饋的信息有助于學(xué)生及時了解錯誤之所在，有效強化學(xué)生對物理知識的認(rèn)識。

生動形象且能有效避免危險 仿真實驗不僅可以模擬真實實驗中的磁感線、電流等一些看不見、摸不著的事物，而且可以形象生動地模擬出海市蜃樓、月食等現(xiàn)有條件下難以實現(xiàn)的物理現(xiàn)象。采用仿真實驗教學(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)嶒灢僮鞑划?dāng)或者實驗本身存在的危險性帶來的危險。

滿足學(xué)生主動探究的需要 仿真實驗不受空間、時間、實驗器材等條件的限制，在智能手機、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)中實驗要求隨時進(jìn)行探究。同時，學(xué)生還可以在真實實驗軟件中自主嘗試自己的想法，有效滿足主動探究的興趣，從而提高對物理知識的學(xué)習(xí)質(zhì)量。

3 在高中物理教學(xué)中構(gòu)建仿真實驗教學(xué)模式

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

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

然后，組織學(xué)生進(jìn)行獨立實驗。學(xué)生根據(jù)本節(jié)課程實驗要求、目的，充分掌握實驗原理，并進(jìn)行獨立實驗。在具體教學(xué)中為了使學(xué)生有足夠的時間不斷修改實驗參數(shù)，獨立實驗一般以20分鐘為宜，并根據(jù)自己的實驗結(jié)果不斷總結(jié)出實驗結(jié)論。

隨后，組織學(xué)生進(jìn)行小組協(xié)作實驗。為了進(jìn)一步發(fā)揮小組集思廣益、探討交流實驗結(jié)論的目的，在獨立實驗之后，應(yīng)以小組的形式進(jìn)行小組協(xié)作實驗，并且小組協(xié)作實驗的時間一般以15分鐘為宜。值得說明的是，在具體分組時，筆者常常以實驗室中三臺相鄰計算機為一個小組，讓學(xué)生進(jìn)行協(xié)作交流。

最后，歸納總結(jié)實驗結(jié)論。根據(jù)學(xué)生得出的實驗結(jié)論，講授本節(jié)實驗課程的重難點知識，并對實驗過程中的注意事項幫助學(xué)生進(jìn)行總結(jié)。

4 仿真實驗輔助高中物理實驗教學(xué)實踐

動量守恒定律是高中物理教學(xué)中的重點實驗，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)生難以明白動量守恒定律的真正原理，不能充分地驗證實驗結(jié)論，并且實驗探究僅是重復(fù)教材中的實驗過程，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)到理想的實驗結(jié)果，筆者利用仿真物理實驗室輔助實驗教學(xué)，組織學(xué)生自動探索動量守恒定律。

教學(xué)目標(biāo)

1）熟練掌握仿真物理實驗室軟件界面，并會對其實驗對象屬性進(jìn)行設(shè)置。

2）理解動量守恒定律的含義，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)重難點知識 探究動量守恒定律的過程，熟練掌握動量守恒定律是教學(xué)的難點，應(yīng)用動量守恒定律解決實際問題時教學(xué)的重點。

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)計實驗，在網(wǎng)絡(luò)版仿真物理實驗室環(huán)境下，改變實驗參數(shù)進(jìn)行多次實驗，自主操作推導(dǎo)出動量守恒定律，并結(jié)合多種實驗方法，熟練掌握實驗原理和定律在實際生活中的應(yīng)用。

實驗步驟

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)生提出實驗假設(shè)。筆者組織學(xué)生觀看仿真物理實驗室內(nèi)置的課件，請他們思考：兩個雞蛋從同一高度落下時，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，其動量又是如何變化的？endprint

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

3）教師引導(dǎo)，探索真知。組織學(xué)生進(jìn)入仿真物理實驗室界面進(jìn)行獨立實驗，具體實驗過程如下：

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

其次，設(shè)置軌道摩擦因數(shù)為零，軌道長度30米；

再次，進(jìn)行實驗相撞，將第一步設(shè)置的兩個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，改變實驗參數(shù)，多次進(jìn)行驗證，探究出相撞前后小球動量變化的規(guī)律，幫助學(xué)生總結(jié)出動量守恒定律。

在上述獨立實驗完成后，筆者組織學(xué)生進(jìn)行協(xié)作實驗，以相鄰的三臺計算機為一組，對照前面獨立實驗中每個學(xué)生得出的結(jié)論進(jìn)行探討和相互驗證，幫助學(xué)生歸納總結(jié)出實驗結(jié)論，不斷完善知識結(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。在動量守恒實驗探究過程中，學(xué)生發(fā)現(xiàn)非常感興趣的問題，這正是仿真實驗的優(yōu)勢所在。例如：兩個同等質(zhì)量同等高度下釋放的小球，其中一個小球做平拋運動，另一個小球做自由落體，兩球相撞后的畫面如圖2所示；一個藍(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)，以時間為橫軸，兩球相撞過程中的v-t圖像如圖3所示。正是因為這種有趣的現(xiàn)象，才更好地激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。

5 結(jié)語

總之，與真實實驗相比，仿真實驗還是存在一定的不足，如感知程度差、不利于學(xué)生對實驗進(jìn)行獨立思考等。因此，在具體的物理實驗教學(xué)中，并不是所有的實驗都需要通過仿真物理實驗室進(jìn)行探究，而是主要在一些受現(xiàn)有實驗條件限制、抽象性和危險性較強的實驗中實施。只有這樣，才能充分發(fā)揮出仿真物理實驗室的優(yōu)勢，才能激發(fā)出學(xué)生探究的興趣。

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