高中物理習題教學中應用虛擬仿真的教學模式探討

洪哲新 梁國瑛 皮飛鵬

摘 要：習題教學在高中物理教學中占據著重要地位，探討利用虛擬仿真技術優化和創新物理習題教學模式是一項有意義的工作.本文分析了高中物理習題教學中虛擬仿真的主要功能，建構了探究性和支架型兩種教學模式，并給出了兩種模式結合虛擬仿真軟件NOBOOK及PhET應用于“追及與相遇”與“v-t圖像與運動的描述”教學的實際案例，最后討論了虛擬仿真技術應用于物理習題教學的建議.

關鍵詞：高中物理;習題教學;虛擬仿真;教學模式

中圖分類號：G633.7???? 文獻標識碼：B???? 文章編號：1008-4134（2021）13-0059-05

作者簡介：洪哲新（1991-），男，廣東人，碩士研究生，研究方向：中學物理學科教學;

梁國瑛（1992-），女，廣東人，碩士研究生，研究方向：中學物理學科教學.

通訊作者：皮飛鵬（1965-），男，湖南人，博士，副教授，研究方向：中學物理學科教學.

1 引言

信息技術的飛速發展及其與教育的深度融合正在重塑教育的形態，教育部《教育信息化十年發展規劃（2011-2020年）》強調要推進信息技術與教學融合，建立以學習者為中心的教學模式[1];《普通高中物理課程標準（2017年版）》提出要積極探索信息技術與物理教學的融合，以拓寬物理教學與學習的途徑[2].實際上，越來越多的教育工作者已經將虛擬仿真技術應用于中學物理教學，特別是物理概念、物理規律以及物理實驗教學.習題教學是高中物理教學的重要組成部分，本文通過實際教學探討將虛擬仿真技術應用于物理習題教學的途徑，為優化習題教學提供參考.

2 物理習題教學中虛擬仿真的主要功能與應用

相比于真實實驗，虛擬仿真實驗能提供更好的感官體驗、更方便的重復演示、更理想的實驗與現實環境模擬.將虛擬仿真應用于物理習題教學，可以幫助學生突破物理情境、理解障礙、培養物理思維，并促進教學方式多樣化，所以可以將其功能定位在以下三個方面.

2.1 物理情境視聽化，激發物理學習興趣

情境認知理論學習觀認為，情境是一切認知活動的基礎[3]，知識是個體在解決具體情境問題時思維的建構與組織[4].虛擬仿真以動態視圖形式，創設虛擬物理問題情境，將物理情境視聽化，幫助學生克服常規教學造成的物理習題學習的倦怠情緒，激發學生學習興趣并促進知識建構.

2.2 增加觀察經驗，培養物理抽象思維能力

“經驗之塔”理論強調以經驗為基礎建立有意義的概念[5]，應用仿真將抽象的文字以動態視圖展現，使“抽象經驗”轉化為低一級的“觀察經驗”，可以避免常規講解中物理問題抽象、難懂的困難，為問題解決提供感性材料，幫助學生完成從具體到抽象的跨越，提高抽象思維能力.

2.3 建構原始物理模型，突破習題解題障礙

物理解題的關鍵環節包括識別物理現象、選擇合適方法、運用數學知識等[6]，而高中生物理習題解答的主要障礙在于難以建構物理模型[7]，建立原始物理模型是習題教學的關鍵步驟.支架式教學理論提出，應將學習者置于一定的情境中，并順著支架獨立探索問題，在發現問題和解決問題的反復探索中不斷地完成自主建構[8].虛擬仿真可以通過增加或減少條件，簡化復雜抽象的習題背景，突出重點物理特征，幫助學生創設原始物理模型，從而順利進行問題探索.

根據上述功能分析，在物理習題教學中應用虛擬仿真主要有以下幾種情況：

（1）實驗器材與教具等無法滿足物理習題教學要求.由于學校缺少光的干涉衍射實驗器材，筆者結合虛擬仿真軟件輔助習題教學效果非常好.

（2）有些真實實驗呈現的物理過程與現象難以觀察與分析（如過程過快、干擾因素較多、重點現象不突出等）.例如，變速運動追及問題中的臨界現象在實際中很難清晰呈現，而虛擬仿真的動作慢化、細節放大等處理則有利于完善這些不足.

（3）習題涉及的物理現象與過程是學生普遍熟知的，應用虛擬仿真技術可以提高教學效率.

3 虛擬仿真應用于物理習題教學的兩種教學模式

要通過物理習題教學達到培養學生物理思維能力的目標，關鍵還是要進行物理過程、物理模型的分析，虛擬仿真技術的應用需要結合具體情況而定，為此筆者提出了兩種基本的教學模式.

3.1 探究型：先虛擬仿真與演示，后物理過程分析

當習題涉及的物理過程是學生普遍不熟悉的、不便用真實實驗呈現或呈現效果不利于觀察與分析的，應該先進行仿真演示，創設問題情境，再引導學生進行問題探究，例如重力場、粒子復合場、人船模型等問題.教學流程如圖1所示.

在虛擬仿真演示環節，要突出重點物理現象與過程，啟發學生思考，幫助學生辨析解題突破點.在學生探究環節，要注意體現學生的主體地位，引導學生積極猜想并設計探究實驗方案，體驗科學探究過程，并解答習題，教師則在過程中糾正學生分析和解題的誤區，加深理解.

該模式的優勢在于：一是先進行虛擬仿真演示，可以激發學生學習興趣并啟發思考，幫助學生帶著已知的現象進行問題猜想與探究，培養自主分析能力;二是教師在探究過程中能觀察并引導學生思考，加深學生的理解;三是虛擬仿真的數據處理、局部放大、慢化處理等功能，可以規避無關因素的干擾，突出重點物理過程，有助于培養學生的針對性分析能力.

3.2 支架型：先物理過程分析，后虛擬仿真與演示

當習題涉及的物理過程是生活中易于觀察或學生普遍熟悉的，例如斜面、杠桿等，學生已經具備了一定的感性經驗，基本能夠理解物理情境并進行簡單分析.但為了提高課堂自主探索的效率和解決課堂時間局限的問題，教師可在學生探索問題前搭建支架，再讓學生獨立分析，最后進行仿真演示來驗證結論，增加視覺印象，教學流程如圖2所示.

在學生獨立分析環節，學生基于已有的經驗儲備嘗試獨立分析并解答習題.學生盡管已有一定的經驗基礎，但仍然難以找到最快、最準確的問題解決方法，教師使用虛擬仿真演示為學生搭建“思維支架”，引導學生的探索方向.學生在教師的建議和啟發下，建立最適合題目的物理模型.但需要注意，虛擬仿真演示應突出原始模型，增加學生的感性認識.

該模式的優勢在于，首先，學生在教師搭建的支架下結合虛擬仿真進行探索和分析，提高了教學效率從而保證學生獨立學習和思考的質量;其次，仿真能加深學生的視覺印象，豐富觀察經驗，為物理抽象思維能力的培養儲備感性材料;再次，仿真可以規避一些無關因素，將復雜問題模型化并突出重點，仿真結果與原理分析的完美自洽，能增強說服力，深化學生邏輯思維.

4 虛擬仿真技術應用于物理習題教學的教學案例

筆者采用上述教學模式在廣州市某高中進行了近3個月的教學實踐，下面以“追及與相遇”與“v-t圖像與運動的描述”習題教學為例，分別利用NOBOOK與PhET虛擬仿真軟件進行示例.

4.1 探究型：NOBOOK應用于“追及與相遇”習題教學

分析追及與相遇問題一般從“速度相等”這一臨界條件入手，然而在實際運動中該臨界條件下的物理現象是不明顯、不便于觀察與分析的.選用探究型教學模式，應用NOBOOK對“追及”過程作局部的放大與慢化處理，重點突出追及過程中的位移和速度的變化，能更有針對性地幫助學生分析物理過程，促進學生思考與積極探究，教學設計見表1.

例題1 A以20m/s在平直的單行道上行駛，緊急制動后4s停下，制動過程可視為勻減速直線運動.A發現在正前方18m處有B正以6m/s的速度同向勻速行駛，A立即制動.關于是否會發生追尾，某同學解答過程是：“設A制動后4s的位移為sA，B在這段時間的位移為sB，則sA=vAt=40m，sB=vBt=24m，位移差Δs=sA-sB=16m<18m，兩車并不相撞！”請問該分析合理嗎？學生思考題目，小組討論，并嘗試用NOBOOK設計實驗方案該題是勻減速直線運動與勻速直線運動結合的追及問題，主要考查學生對勻變速直線運動的掌握程度及對多物體同時運動的圖像建構完整度，涉及到兩個研究對象的三個物理量——v、s和t的動態變化問題.學生在建構運動過程時有一定難度，難以辨析何種情況為臨界狀態，而這恰是該題的突破口.學生容易誤以為當A勻減速至速度為0時，兩車是否相遇是判斷兩車是否會追尾的條件，陷入思維誤區

虛擬仿真演示

在本環節，教師布置學生自主設計實驗方案，設置NOBOOK軟件參數，仿真習題的物理過程

在學生自主探究過程中，教師引導學生觀察、討論虛擬實驗，并解釋實驗過程，得到結論

學生分別用藍球、紅球代表A和B，設置初始參數，取藍球位于（0，0），初速度為20m/s、加速度為-5m/s2;紅球位于（18，0），以6m/s勻速行駛.觀察、討論、解釋實驗過程，得到結論（如圖3）

通過仿真演示，學生能定量分析出A、B相遇時的位移關系，并且發現：減速至靜止并不是判斷AB追尾的條件.教師引導學生基于例題1，應用NOBOOK進一步仿真演示，深入探究相遇的條件

4.2 支架型：PhET應用于“v-t圖像與運動的描述”習題教學

位移x、速度v、加速度a是必修1運動學部分的基本物理量，學生對此具備一定的前概念.通過知識遷移，學生相對比較容易理解速度與位移概念，但對加速度的理解存在困難.另外，理解并繪制v-t圖像是本章的學習重點，但初學時學生往往對v-t圖像的斜率、截距等數學量的物理意義不是很清楚.本案例選用支架型教學模式（見表2），教師在常規教學后應用PhET進行v-t圖像生成過程的演示，能加深視覺印象，幫助鞏固與理解知識，突破教學難點.

題意識別引入開放性的例題，鼓勵學生嘗試從不同角度描述汽車的運動情況

例題2 小明控制遙控汽車做勻變速直線運動，初始速度為6m/s，經過5s后，速度為-4m/s，請描述這5s內小車的運動情況學生思考與討論該題是開放題，不拘泥于公式定理的套用，重在鼓勵學生從不同角度構建物理情境，拓展思維.教師在觀察學生的反應后，提供PhET仿真并搭建支架，引導學生觀察并思考問題，加深對v-t圖像的認識

5 結束語

虛擬仿真應用于物理習題教學需要注意的問題：首先，在教學設計時，要注意結合實際教學情況決定是否應用虛擬仿真;其次，要注重典型的物理習題設計與原始物理模型的建立，在此基礎上應用虛擬仿真幫助學生解決物理習題的復雜性與抽象性的問題;再次，要注意恰當設計“題眼”，啟發學生循序漸進地得出結論;最后，在實施虛擬仿真教學時，課堂氣氛會相對活躍，動態視圖也容易分散學生的注意力，巧妙地控場也是教學中必須攻克的難點.

參考文獻：

[1]何克抗.學習“教育信息化十年發展規劃”——對“信息技術與教育深度融合”的解讀 [J].中國電化教育，2012（12）： 19-23.

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[3]王文靜.情境認知與學習理論：對建構主義的發展[J].全球教育展望，2005，34（04）：56-59+33.

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[5]埃德加·戴爾，章偉民.經驗之塔（上）[J].外語電教，1985（01）：28-30.

[6]喬際平，梁樹森，趙風雨，王強.中學物理習題教學研究[M].北京：北京師范學院出版社，1993.

[7]沈尖.新課程背景下高中物理習題教學現狀及對策研究[D].揚州：揚州大學，2016.

[8]王治國.在問題情境中打造支架式物理課堂[J].物理教師，2012，33（10）：17-19.

（收稿日期：2020-12-13）