情境模擬在高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用研究

摘 要：在教育改革不斷深化的背景下，高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的創(chuàng)新成為提升教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵。情境模擬作為一種極具潛力的教學(xué)方法，為高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)開(kāi)辟了新路徑。本文首先闡述了情境模擬的設(shè)計(jì)框架，接著以“賽車競(jìng)速”為主題的實(shí)踐案例詳細(xì)展開(kāi)，描述了如何構(gòu)建賽車模擬場(chǎng)景，讓學(xué)生在扮演角色中探究賽車加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系，最后針對(duì)教學(xué)實(shí)踐進(jìn)行反思與改進(jìn)，旨在為高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革提供全面且深入的參考，促進(jìn)物理學(xué)科素養(yǎng)在學(xué)生群體中的有效培育。

關(guān)鍵詞：情境模擬；高中物理；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；應(yīng)用實(shí)踐

在高中物理教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)于學(xué)生理解物理概念和規(guī)律至關(guān)重要。然而，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式存在趣味性不足、學(xué)生參與度不高等問(wèn)題。而情境模擬教學(xué)主要將抽象的物理知識(shí)融入生動(dòng)的情境中，以激發(fā)學(xué)生的好奇心和探究欲望。本文則從情境模擬教學(xué)切入，以人教版高一必修第一冊(cè)第四章“實(shí)驗(yàn)：探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”為例展開(kāi)探討，以此深化學(xué)生對(duì)物理知識(shí)的理解，全面提升高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量。

一、情境模擬在高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的設(shè)計(jì)框架

（一）情境主題選擇

情境主題是整個(gè)情境模擬教學(xué)的核心引導(dǎo)。在高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，對(duì)于主題的選擇，教師應(yīng)關(guān)注以下三點(diǎn)：

1.主題選擇應(yīng)緊密圍繞物理課程標(biāo)準(zhǔn)與教學(xué)目標(biāo)，需具有針對(duì)性，能準(zhǔn)確涵蓋特定的物理知識(shí)點(diǎn)或概念體系，確保學(xué)生在情境體驗(yàn)中可以接觸到關(guān)鍵的物理內(nèi)容[1]。

2.主題還具有啟發(fā)性和拓展性，能夠激發(fā)學(xué)生的好奇心和探究欲望，引導(dǎo)他們主動(dòng)深入情境去探索物理原理，以滿足不同層次學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。

3.從學(xué)科融合角度看，可適當(dāng)與其他學(xué)科相關(guān)內(nèi)容交叉，增強(qiáng)情境的豐富性、綜合性，但要以物理知識(shí)為主導(dǎo)。

（二）情境元素構(gòu)建

1.物理元素

物理元素是情境模擬的靈魂所在，包括物理概念、規(guī)律、實(shí)驗(yàn)原理等。這一系列元素應(yīng)以直觀且符合邏輯的方式呈現(xiàn)，以便學(xué)生能在情境中清晰地感知物理知識(shí)的存在、作用，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的有效遷移、運(yùn)用[2]。

2.環(huán)境元素

環(huán)境元素主要為物理情境提供背景支持，可以是虛擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，也可以是模擬現(xiàn)實(shí)中的物理場(chǎng)景，旨在增強(qiáng)情境的真實(shí)性、沉浸感。同時(shí)，環(huán)境元素的設(shè)計(jì)要考慮對(duì)物理過(guò)程的呈現(xiàn)和對(duì)學(xué)生感知的影響，避免過(guò)于復(fù)雜或簡(jiǎn)單而影響物理知識(shí)的傳達(dá)。

3.角色元素

角色元素能夠?yàn)榍榫衬M增添活力。在高中物理實(shí)驗(yàn)情境中，教師應(yīng)作為引導(dǎo)者角色，學(xué)生則應(yīng)化身為實(shí)驗(yàn)操作者、數(shù)據(jù)記錄者等角色，不同角色之間形成明確的分工、互動(dòng)，完成特定的任務(wù)，發(fā)揮其在物理實(shí)驗(yàn)探索中的作用。由此，學(xué)生在情境中有明確的行為指向，能從不同視角理解物理實(shí)驗(yàn)過(guò)程，于無(wú)形之中培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和自主探究能力等。

（三）交互設(shè)計(jì)

1.學(xué)生與情境的交互

學(xué)生與情境的交互是知識(shí)獲取的直接途徑。這種交互主要通過(guò)學(xué)生在情境中的操作和觀察行為實(shí)現(xiàn)，如操作實(shí)驗(yàn)儀器、觀察物理現(xiàn)象等。交互需具備引導(dǎo)性、反饋性，引導(dǎo)性可促使學(xué)生朝著理解知識(shí)的方向行動(dòng)，反饋性則讓學(xué)生知曉自身操作的結(jié)果。由此，學(xué)生能夠依據(jù)反饋主動(dòng)思考、調(diào)整學(xué)習(xí)策略，從而深入理解物理規(guī)律，逐漸提升對(duì)知識(shí)的掌握程度和運(yùn)用能力，真正將物理知識(shí)內(nèi)化為自己的認(rèn)知。

2.學(xué)生與學(xué)生的交互

學(xué)生之間的交互有利于知識(shí)的共享和思維的碰撞[3]。在物理實(shí)驗(yàn)情境中，學(xué)生可以共同討論實(shí)驗(yàn)方案、分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從同伴處獲得不同的觀點(diǎn)、思路，拓寬自己的思維視野。同時(shí)，學(xué)生在合作完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)的過(guò)程中，能夠培養(yǎng)溝通能力和團(tuán)隊(duì)精神。因此，交互設(shè)計(jì)要注重為學(xué)生創(chuàng)造平等、積極的交流氛圍，避免出現(xiàn)個(gè)別學(xué)生主導(dǎo)或交流無(wú)效的情況。

3.學(xué)生與教師的交互

教師在情境模擬教學(xué)中扮演著重要的指導(dǎo)角色。學(xué)生與教師的交互應(yīng)是及時(shí)且具有針對(duì)性的。如教師可以在學(xué)生遇到困難時(shí)提供提示，引導(dǎo)學(xué)生思考物理問(wèn)題的方向；在學(xué)生得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論后，教師可以與他們共同討論，深化學(xué)生對(duì)物理知識(shí)的理解。這種交互設(shè)計(jì)要求教師準(zhǔn)確把握學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)和問(wèn)題所在，以合適的方式引導(dǎo)學(xué)生在情境中不斷進(jìn)步。

二、情境模擬在高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的實(shí)踐案例

下面，以人教版高一必修第一冊(cè)第四章實(shí)驗(yàn)：探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系為例，探究情境模擬在高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的實(shí)踐。

（一）情境主題的選擇與構(gòu)建

1.主題選擇

本實(shí)驗(yàn)以“賽車競(jìng)速”為主題，構(gòu)建賽車模擬場(chǎng)景，讓學(xué)生扮演賽車手，通過(guò)調(diào)整賽車的“動(dòng)力”（力）和“重量”（質(zhì)量），探究賽車加速度的變化規(guī)律。該主題將抽象的物理概念具象化，緊密圍繞高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)與教學(xué)目標(biāo)，具有很強(qiáng)的針對(duì)性、啟發(fā)性。同時(shí)，賽車對(duì)于學(xué)生而言極具吸引力，能夠極大地激發(fā)他們的好奇心和探究欲望，促使他們主動(dòng)參與到實(shí)驗(yàn)探究中。

2.情境構(gòu)建

（1）物理元素

在“賽車競(jìng)速”情境中，物理元素包括代表賽車的小車模型、模擬動(dòng)力變化的砝碼、模擬賽車重量變化的配重、測(cè)量賽車運(yùn)動(dòng)參數(shù)的光電門(mén)等。這些元素分別對(duì)應(yīng)著實(shí)際賽車中的不同部分和物

理量。

在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，教師可通過(guò)生動(dòng)的動(dòng)畫(huà)演示或?qū)嵨锬Ｐ椭v解，向?qū)W生介紹每個(gè)元素與真實(shí)賽車場(chǎng)景的關(guān)聯(lián)，如砝碼增加相當(dāng)于賽車發(fā)動(dòng)機(jī)功率提升帶來(lái)更大的牽引力，配重改變?nèi)缤愜囋鰷p裝備改變質(zhì)量，以此引導(dǎo)學(xué)生理解加速度、力、質(zhì)量這些核心物理概念在賽車情境中的體現(xiàn)和相互關(guān)系，為實(shí)驗(yàn)做好理論鋪墊。

（2）環(huán)境元素

教師可選擇學(xué)校的實(shí)驗(yàn)室作為主要實(shí)驗(yàn)環(huán)境，實(shí)驗(yàn)室中設(shè)置模擬賽車賽道的區(qū)域，地面做好相應(yīng)處理以減少摩擦干擾，周圍擺放賽車海報(bào)、輪胎模型等裝飾，營(yíng)造出濃厚的賽車氛圍，增強(qiáng)學(xué)生的沉浸感[4]。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，教師可播放精心挑選的賽車比賽視頻，重點(diǎn)展示賽車起跑、加速超越等環(huán)節(jié)，并且利用視頻分析軟件展示賽車速度變化、距離與時(shí)間的關(guān)系等數(shù)據(jù)，讓學(xué)生更直觀地觀察賽車在不同階段的加速情況。這些視頻素材將實(shí)驗(yàn)室環(huán)境與真實(shí)賽車場(chǎng)景緊密聯(lián)系起來(lái)，能夠?yàn)閷W(xué)生理解實(shí)驗(yàn)原理提供豐富的視覺(jué)支持。

（3）角色元素

教師可將學(xué)生分成若干小組，每組4至5人。每個(gè)學(xué)生扮演不同的角色，模擬賽車團(tuán)隊(duì)：部分學(xué)生擔(dān)任“賽車手”，負(fù)責(zé)操控小車模型在模擬賽道上行駛；有的學(xué)生化作“機(jī)械師”，負(fù)責(zé)調(diào)整砝碼（動(dòng)力）和配重（質(zhì)量）；有的學(xué)生作為“數(shù)據(jù)分析師”，負(fù)責(zé)記錄和分析光電門(mén)（測(cè)速裝置）測(cè)得的數(shù)據(jù)；另有學(xué)生扮演“策略師”，根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果制定下一次的“賽車調(diào)校”方案。教師則化身為整個(gè)賽車團(tuán)隊(duì)的“總教練”，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中指導(dǎo)學(xué)生完成各自的任務(wù)，解答學(xué)生遇到的問(wèn)題。

（二）模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)施

1.實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備階段

教師可協(xié)同學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室布置好模擬賽車場(chǎng)景，包括搭建好的模擬賽道、準(zhǔn)備好的小車（賽車）模型、砝碼、配重、光電門(mén)等實(shí)驗(yàn)器材，并確保所有器材能夠正常工作。同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)室四周展示更多賽車相關(guān)資料，如不同賽車的參數(shù)介紹、著名賽車手的比賽策略等，進(jìn)一步強(qiáng)化情境氛圍。

接下來(lái)，教師可向?qū)W生詳細(xì)介紹本次實(shí)驗(yàn)的目的：通過(guò)探究物體加速度與所受合外力及物體質(zhì)量之間的關(guān)系，驗(yàn)證牛頓第二定律。實(shí)驗(yàn)原理：在物體質(zhì)量不變的情況下，物體的加速度與所受合外力成正比；在合外力不變的情況下，物體的加速度與物體質(zhì)量成反比。

緊接著，教師指導(dǎo)小組內(nèi)成員明確自身的角色和職責(zé)，確保學(xué)生清楚自己要做什么，然后以小組為單位，帶領(lǐng)學(xué)生熟悉實(shí)驗(yàn)器材，講解如何操作小車、如何添加和調(diào)整砝碼與配重、如何讀取光電門(mén)的數(shù)據(jù)等，同時(shí)強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)安全注意事項(xiàng)。

2.實(shí)驗(yàn)探究階段

（1）第一輪實(shí)驗(yàn)

每個(gè)小組的“機(jī)械師”先將小車模型調(diào)整到初始狀態(tài)，即確定一個(gè)基礎(chǔ)的“質(zhì)量”（配重固定）和“動(dòng)力”（砝碼固定）?！百愜囀帧睂⑿≤嚪胖迷谀M賽道起點(diǎn)，在教師發(fā)出指令后啟動(dòng)小車，使其沿著賽道行駛?！皵?shù)據(jù)分析師”記錄光電門(mén)測(cè)得的小車通過(guò)不同位置的時(shí)間和速度數(shù)據(jù)。完成一次行駛后，小組內(nèi)成員共同討論，初步感受小車在當(dāng)前“動(dòng)力”和“質(zhì)量”下的加速情況。

（2）改變力的實(shí)驗(yàn)

“機(jī)械師”在小組討論后，逐漸增加砝碼（模擬提升賽車動(dòng)力），每次增加后，“賽車手”重復(fù)啟動(dòng)小車行駛的操作，“數(shù)據(jù)分析師”持續(xù)記錄數(shù)據(jù)。在這個(gè)過(guò)程中，“策略師”引導(dǎo)小組討論，隨著“動(dòng)力”增加，“賽車”加速度的變化規(guī)律。教師在各小組間巡視，提醒學(xué)生注意觀察數(shù)據(jù)變化，鼓勵(lì)學(xué)生思考加速度與“力”之間的關(guān)系。

（3）改變質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)

在完成“動(dòng)力”改變的實(shí)驗(yàn)后，“機(jī)械師”保持“動(dòng)力”不變，開(kāi)始改變配重（模擬改變賽車重量）。每次改變后，“賽車手”和“數(shù)據(jù)分析師”重復(fù)操作和記錄，小組共同分析隨著“質(zhì)量”變化“賽車”加速度的變化情況。教師引導(dǎo)學(xué)生對(duì)比不同“質(zhì)量”下相同“動(dòng)力”時(shí)的加速度數(shù)據(jù)，思考質(zhì)量對(duì)加速度的影響。

3.數(shù)據(jù)分析與結(jié)論階段

（1）小組內(nèi)分析

各小組的“數(shù)據(jù)分析師”將記錄的數(shù)據(jù)整理成表格和圖表，包括速度－時(shí)間圖像、加速度－動(dòng)力圖像、加速度－質(zhì)量圖像等。“策略師”則組織小組成員共同分析數(shù)據(jù)，嘗試找出加速度與“力”“質(zhì)量”之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。在此過(guò)程中，如小組成員發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)點(diǎn)，則需要一起討論可能的原因，如實(shí)驗(yàn)操作中的誤差（小車啟動(dòng)不平穩(wěn)、光電門(mén)位置不準(zhǔn)確等）或者環(huán)境因素（模擬賽道上有微小雜物影響小車行駛）等。

（2）小組間交流與全班討論

在小組分析的基礎(chǔ)上，每個(gè)小組派代表向其他小組展示自己小組的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、圖像和初步結(jié)論。其他小組可以提問(wèn)、質(zhì)疑并提出建議。例如：小組一發(fā)現(xiàn)加速度與“力”大致成正比，其他小組可以對(duì)比自己的數(shù)據(jù)是否有相同結(jié)論，并且討論在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中遇到的問(wèn)題是否會(huì)影響這個(gè)結(jié)論的準(zhǔn)確性。在小組間交流后，教師組織全班討論，對(duì)比不同小組在相同“動(dòng)力”和“質(zhì)量”調(diào)整下的數(shù)據(jù)，進(jìn)一步驗(yàn)證加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系，得出更普遍的結(jié)論，從而使學(xué)生理解牛頓第二定律在“賽車競(jìng)速”情境中的體現(xiàn)[5]。

（三）教學(xué)反思與改進(jìn)

1.教學(xué)成果

教師作為教學(xué)活動(dòng)的組織者，通過(guò)觀察學(xué)生在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的積極性、參與度，發(fā)現(xiàn)：

（1）學(xué)生對(duì)“賽車競(jìng)速”主題實(shí)驗(yàn)充滿熱情，通過(guò)親手操作和觀察，對(duì)實(shí)驗(yàn)原理和物理概念形成了更深入的理解，他們不再覺(jué)得加速度、力、質(zhì)量這些概念是抽象的公式，而是能切實(shí)感受到它們?cè)凇百愜嚒奔铀龠^(guò)程中的作用。

（2）學(xué)生之間的合作與交流得到了顯著加強(qiáng)。每個(gè)小組內(nèi)不同角色的學(xué)生緊密配合，共同完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)。在此過(guò)程中，他們學(xué)會(huì)了傾聽(tīng)他人的意見(jiàn)，分工協(xié)作解決問(wèn)題，培養(yǎng)了團(tuán)隊(duì)精神和溝通能力。如“賽車手”在操作過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題能及時(shí)反饋給“機(jī)械師”和“數(shù)據(jù)分析師”，共同調(diào)整實(shí)驗(yàn)策略。

（3）在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析和處理環(huán)節(jié)，學(xué)生通過(guò)繪制圖表、尋找數(shù)據(jù)規(guī)律等操作，成功驗(yàn)證了牛頓第二定律在模擬賽車情境中的正確性。這提高了他們的實(shí)驗(yàn)技能，還提升了數(shù)據(jù)分析能力，學(xué)會(huì)了從數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律，并能運(yùn)用這些規(guī)律解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

2.不足之處與改進(jìn)措施

（1）實(shí)驗(yàn)操作問(wèn)題

部分學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中存在操作不規(guī)范的情況，如在添加砝碼或配重時(shí)沒(méi)有準(zhǔn)確固定，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)晃動(dòng)，影響數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性；在啟動(dòng)小車時(shí)用力不均勻，使初始速度有差異。針對(duì)這一系列問(wèn)題，教師在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中可以增加專門(mén)的操作練習(xí)時(shí)間，讓每個(gè)學(xué)生都有機(jī)會(huì)多次練習(xí)添加砝碼、配重和啟動(dòng)小車等關(guān)鍵操作，確保操作的規(guī)范性。

（2）數(shù)據(jù)分析問(wèn)題

部分學(xué)生在分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)缺乏批判性思維和解決問(wèn)題的能力，只是簡(jiǎn)單地根據(jù)數(shù)據(jù)得出表面結(jié)論，對(duì)于數(shù)據(jù)中的異常點(diǎn)或者實(shí)驗(yàn)誤差沒(méi)有深入思考。為改善此情況，教師可以在學(xué)生進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時(shí)提出引導(dǎo)性問(wèn)題，如“這個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)與其他數(shù)據(jù)點(diǎn)差異較大，可能是什么原因造成的？”“我們?cè)趯?shí)驗(yàn)過(guò)程中有哪些操作可能會(huì)引入誤差？”以此啟發(fā)學(xué)生主動(dòng)思考，培養(yǎng)他們的批判性思維。

（3）師生互動(dòng)問(wèn)題

在教學(xué)過(guò)程中，教師雖在各小組間巡視，但仍有部分學(xué)生在遇到問(wèn)題時(shí)未能及時(shí)向教師反饋，導(dǎo)致問(wèn)題積累影響實(shí)驗(yàn)效果。為加強(qiáng)教師與學(xué)生之間的交流、互動(dòng)，教師可以在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前向?qū)W生明確，遇到任何問(wèn)題都要及時(shí)向教師詢問(wèn)。同時(shí)，教師可以建立有效的反饋機(jī)制－設(shè)置問(wèn)題卡片，即學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中遇到問(wèn)題可以隨時(shí)記錄在卡片上，教師定期收集卡片并解答問(wèn)題，確保能及時(shí)了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況和困難，為學(xué)生提供必要的幫助、指導(dǎo)，以進(jìn)一步優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程，提高教學(xué)質(zhì)量。

結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，情境模擬在高中物理“賽車競(jìng)速”實(shí)驗(yàn)教學(xué)中展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)。通過(guò)精心設(shè)計(jì)情境主題、元素和交互環(huán)節(jié)，學(xué)生積極投入實(shí)驗(yàn)探究中，不僅能深化對(duì)加速度、力和質(zhì)量關(guān)系等物理知識(shí)的理解，更能在團(tuán)隊(duì)協(xié)作、自主探究等能力方面得到鍛煉。然而，實(shí)踐過(guò)程中也暴露出實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)分析、互動(dòng)不足等方面的問(wèn)題，這為改進(jìn)教學(xué)提供了方向，通過(guò)加強(qiáng)培訓(xùn)、引導(dǎo)、建立反饋機(jī)制等，可進(jìn)一步完善情境模擬教學(xué)。未來(lái)，教育者還應(yīng)持續(xù)優(yōu)化教學(xué)設(shè)計(jì)，讓物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)在創(chuàng)新中煥發(fā)新的光彩。

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