仿真實驗助力高中物理實驗教學智慧化進程

■ 西北農林科技大學附屬中學 肖 媛

自2018年《教育信息化2.0行動計劃》指導文件發布以來,中小學的課堂教學開始快步進入智慧化時代,依托互聯網技術、大數據統計,我們的課堂開始有機會從一對多的集中式教學開始轉變為個性化差異化更具針對性的教學模式。在這一大趨勢下,我們的高中物理課堂也必須緊跟潮流,適應變化。

物理作為一門以實驗為基礎的學科,實驗教學在高中物理教學中的地位自是不言而喻。過去20年我們的實驗教學多采用實物實驗的方式,而實際操作過程中常常“實驗結果不遂人愿”,意外頻發。近年來,以DIS為代表的一系列數字化實驗走入課堂,這一套依托傳感器的實驗裝置實現了更精準的實驗結果測量,但同時由于造價高昂,難以實現每個學生的實驗夢想,不利于在大班額的情況下進行推廣。而隨著平板教學的大面積鋪開,為個性化仿真實驗的實現提供了硬件基礎；越來越多的仿真軟件的涌現,則為學生的個性化參與提供了軟件支撐,那么,如何用好這些軟件,提升物理實驗教學效率,則是擺在筆者面前的一大問題,下面分享筆者的一些實踐經驗,僅供同行參考。

1 “物理實驗場”助力課標實驗理解

“物理實驗場”是濟南博智教育科技有限公司出品的一款仿真軟件,它內嵌的實驗基于教材順序編排,截至2021年10月,高中物理人教版部分共有實驗71個,實驗數目在同類軟件中一騎絕塵,在高中物理仿真實驗的豐富度、完整性上具有極大優勢。鑒于目前學生平板內存容量和軟件管理問題,如果平板中只能放置一個實驗軟件,那這一位置一定屬于“物理實驗場”。

以人教版3-5《光電效應》的教學為例,教材編排上這是一節典型的由實驗導出規律的新授課,但實際由于紫外線燈使用不當容易發生風險,實際這一實驗要么由老師進行演示,要么則由觀看視頻的方式進行替代,這極大地影響了教室后排的同學對實驗現象的觀察。而采用仿真實驗,則讓每個學生在保證安全的提前下,都能通過親手操作看到清晰實驗現象；同時避免了電路連接錯誤,線路接觸不良等問題的發生,讓學生的注意力全部集中于核心規律的理解上,提高課堂效率。

再比如在講解必修二《宇宙航行》時,讓學生進行“太空飛船發射和接收”模塊的仿真,這是課堂實物實驗不可能涉及的內容,仿真實驗很好地填補了這一空白,同時又比視頻演示來的互動性更強,學生的參與度更高。類似的,在選修3-1帶電粒子在磁場中的運動的應用教學中,可以讓學生進行“回旋加速器”的仿真,從而通過肉眼直觀地看到帶電粒子在回旋加速器中的運動軌跡,從而為由運動推導受力、磁場變化做好鋪墊。

2 “物理實驗室”輔助課外實驗拓展

“物理實驗室”由廠家TurtleSimLLC發布,包括電學、天體物理、電與磁三個部分,該軟件最出色的在于其電學部分的設計。以電池、燈泡、開關、電流電壓表等中學常見17種器材為基礎,搭配發光二極管、通電螺線管、電鈴等10種演示器材,就可以100%的復現全部中學階段的電學實驗。此外,理想變壓器、正弦波發生器等20種模擬電路器件,空氣開關、保險絲等8種家庭電路器件和與或非門等24種邏輯電路元器件則為學有余力的同學提供了更多探索的可能,為學生創造性的進行電路設計掃清了障礙。

例如在進行《串聯電路和并聯電路》的理論教學時,學生第一次接觸分壓式電路,很多同學對于滑動變阻器鋤頭如何連接,什么是“兩下一上”的連接方式缺乏直觀感知,不能理解和滑動變阻器限流式接法的差異,無法將電路圖和實物圖有效聯系起來,這時安排學生按照電路圖在軟件中進行仿真練習,學生可以自主將滑動變阻器放大,仔細觀察其結構,就能在保證儀器安全性的情況下,幫助學生理解電路中的電流、電壓變化規律,同時也是為下一步的實物實驗打下基礎。

在學生學完3-2傳感器部分后,則可以基于該軟件,鼓勵學生對火災報警器、感應燈的電路進行驗證,體會物理理論在實際生活中的應用。也可以進一步挖掘學生潛力,鼓勵學生結合電路和傳感器知識,以個人或小組的方式進行電路設計,并在課堂上進行展示分享,真正實現學以致用。

此外,軟件中的電磁部分則以正負電荷、條形磁鐵等7個簡單器件為我們解決復雜問題提供了新思路。比如2015江蘇卷第8題,讓學生根據兩個相同的負電荷和一個正電荷附近的電場線判斷場強和電勢高低,該題題目已經給出電場線分布情況,所以學生不難作答。但如果在日后的題目變式中,抹去電場線的分布,而該圖像又不屬于常規類型,學生就容易不知從何下手,這時在日常練習中利用軟件進行模擬就顯得尤為重要了。

3 “吃掉物理”構建知識和實驗橋梁

“吃掉物理”由東北師大理想軟件股份有限公司開發,目前僅包含人教版必修一四個章節內容,但其精致的演示畫面,和實驗緊密結合的知識點微課、精選的課后習題都為其在平板教學中的應用獲得了獨特優勢。

例如在《力的合成》的教學中,在“先教師講授——再學生實驗探究”的教材模式之外,基于軟件教師多了一種“學生先觀看微課——再自主仿真——教師小結點撥——學生配套習題練習”的教學方式。毫無疑問,后者比前者在學生參與時間、參與環節上都更具優勢,后者充分給學生放權,有助于實現學生的個性化學習。

4 “虛擬實驗”提升實驗復習的趣味性

深圳市征銘科技有限公司開發的“虛擬實驗”軟件目前高中物理部分僅包含“用打點計時器測速度”和探究“彈力和彈簧伸長量的關系”兩個實驗,但論仿真實驗的精良程度,可謂“小而美”的典范。該軟件提供單人練習和同伴對戰兩種模式,以選擇和實際操作兩種提問方式幫助學生明確實驗目的、理解實驗原理、強調實驗過程和注意事項,并最終總結結論。每一個問題都有對應的分數,學生答對得分,答錯扣分并可以再次作答,最終學生可以根據分數了解自己對實驗的掌握情況。當然,正如一枚硬幣有兩面,提問的形式既增加了實驗的趣味性和競爭性,但同時也決定了這并不是一款適用于新課教學的軟件,而只能用于課后的鞏固復習。教師可以在完成相關新課教學后,將“虛擬實驗”以作業的方式下發到平板上,學生完成后可以分數截圖上傳,以供教師了解學生的掌握情況。

5 基于平板的學生個人仿真實驗利弊分析

當然,除了上述提到的軟件外,希沃白板、一些flash動畫也都可以實現物理實驗仿真,在此不再贅述。總的來看,仿真實驗相比傳統實驗具有許多不可比擬的優勢。

第一,仿真實驗安全性高。特別是電學實驗部分,在傳統實物實驗中,打點計時器需要和220家用電源相連,為了保證學生絕對的人身安全,教師對于用電的安全提醒往往是三令五申,但仍然提心吊膽,而仿真實驗則從源頭上杜絕了這一安全隱患。同時,也減少了實驗器材的損壞情況,在過往的測定小燈泡的伏安特性曲線的實驗中,學生由于連線錯誤,開關未斷開等原因,燒毀小燈泡的情況時有發生,而仿真實驗中的燒毀則不會造成任何實際的實驗器材損耗。

第二,仿真實驗可以讓學生的注意力集中在規律探索、新課教學中,減少次要因素的干擾。仍以小燈泡的伏安特性曲線實驗為例,在正確連接電路圖的情況下,理論上學生應該看到隨著滑動變阻器阻值的改變,加載小燈泡兩端的電壓和流經小燈泡的電流同時增大或減小,但學生在實物操作過程中,經常會由于導線和接線柱接觸不良、小燈泡燒壞等原因常常無法看到預期現象,這時學生會需要花費大量的時間精力來查找故障原因,極大的干擾了對核心內容的學習理解。

第三,仿真實驗提升了學生實驗的參與度。一方面傳統實驗限于實驗器材有限,往往需要學生兩三個人為一組,這時難免會出現興趣足的同學主導完成實驗,其他同學干瞪眼不作為的情況；而仿真實驗則在人手一臺的平板上完成,實現了實驗機會的人人平等。另一方面,仿真實驗并不需要專門的實驗室,擺脫了場地的限制,使得教師可以更加隨心所欲地借助平板隨時在課堂、在課后開展實驗,讓學生擁有了更多動手實驗的機會。

第四,仿真實驗將傳統實驗的不可能為變為可能。大到月球地球所處的宇宙空間,小到質子電子等微觀粒子,都可以進行仿真；通過仿真,學生可以把遙遠的空間拉到近在咫尺,可以把微粒塵埃擴展到肉眼可見,依托信息化技術,教育的廣度深度得到了進一步擴展。

當然,仿真軟件也并不是萬靈藥,在使用的過程中也逐漸暴露出一些問題。首先不可回避的是仿真軟件的使用是有學習成本的,比如“物理實驗室”中如何將放歪的元件擺放規整,如何查看器件的參數,如何調整實驗觀察的視角,這些在實物實驗中只要動動手指、轉個身體就能完成操作,在仿真環境下卻需要時間來試錯學習,這無疑是給學習新知的學生制造了額外的理解門檻。其次必須承認,限于客觀條件,很多仿真軟件在使用時存在卡頓延時問題,一些實驗操作步驟設計得過于死板,讀數時精確位數不對等知識性漏洞,這些都需要軟件開發者能多與一線教師交流,進一步優化完善。

綜上所述,仿真實驗是助力高中物理實驗教學的有效手段,是推進高中物理課堂智慧化的重要助力,只有揚長避短、恰如其分的使用才能實現課堂效率的最大化。