高中物理仿真演示實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

李培學(xué)　馮永慶

摘 要 在高中物理教學(xué)中，仿真演示實(shí)驗(yàn)的開展克服了傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)抽象、具有危險(xiǎn)性、物理實(shí)驗(yàn)器材短缺、學(xué)生時(shí)間緊等缺點(diǎn)，能夠有效培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?。以高中物理“?dòng)量守恒定律”教學(xué)為例，設(shè)計(jì)仿真演示實(shí)驗(yàn)，希望為高中物理教師提供教學(xué)參考。

關(guān)鍵詞 高中物理；信息技術(shù)；仿真演示實(shí)驗(yàn)

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

文章編號(hào)：1671-489X（2017）17-0141-02

1 高中物理實(shí)驗(yàn)中存在的問題分析

高中物理新課程標(biāo)準(zhǔn)提出，在高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中鼓勵(lì)教師采用多樣化的教學(xué)形式，支持學(xué)生積極參與實(shí)驗(yàn)、自主進(jìn)行探究性實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生養(yǎng)成良好的科學(xué)精神。由于種種原因，目前在高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中仍存在一些問題，影響了學(xué)生的學(xué)習(xí)[1]。

1）高中物理實(shí)驗(yàn)過程中依然強(qiáng)調(diào)理論知識(shí)的傳授，不注重實(shí)踐技能培養(yǎng)。高中生面臨高考?jí)毫Γ處熢趯?shí)驗(yàn)教學(xué)過程中重視提高學(xué)生的分?jǐn)?shù)，忽視學(xué)生能力的培養(yǎng)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中關(guān)心高考物理考綱中的內(nèi)容，要求學(xué)生熟記實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)器材、實(shí)驗(yàn)步驟和實(shí)驗(yàn)結(jié)論等，對(duì)于創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的題目，學(xué)生很難靈活運(yùn)用知識(shí)進(jìn)行解答[2]。

2）高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法比較單一[3]。一類是傳統(tǒng)的演示實(shí)驗(yàn)，教師操作實(shí)驗(yàn)，學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)，完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。這種實(shí)驗(yàn)以教師活動(dòng)為主，學(xué)生參與不積極，很難體會(huì)到實(shí)驗(yàn)的樂趣。另一類物理實(shí)驗(yàn)采用的教學(xué)方法是教師逐一講解實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)器材和實(shí)驗(yàn)過程中的注意事項(xiàng)等，學(xué)生完全按照教師的講解重復(fù)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證物理公式。這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法限制了學(xué)生的思維發(fā)展，也不利于學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)。

3）高中物理實(shí)驗(yàn)室條件落后及實(shí)驗(yàn)器材短缺。目前，很多學(xué)校的高中物理實(shí)驗(yàn)室仍滿足不了學(xué)生實(shí)驗(yàn)課時(shí)的需求，只是針對(duì)一些比較重要的實(shí)驗(yàn)開放實(shí)驗(yàn)室；另外，實(shí)驗(yàn)器材比較落后，滿足不了部分實(shí)驗(yàn)對(duì)器材的需求，對(duì)于一些比較抽象的物理實(shí)驗(yàn)，如電場(chǎng)的性質(zhì)實(shí)驗(yàn)、磁場(chǎng)的性質(zhì)實(shí)驗(yàn)、原子核的裂變實(shí)驗(yàn)等，無法完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

因此，在信息技術(shù)廣泛應(yīng)用的背景下，對(duì)高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)開展仿真演示實(shí)驗(yàn)很有必要，充分利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力。

2 仿真演示實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)

高中物理仿真演示實(shí)驗(yàn)充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)與高中物理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)相整合，教學(xué)過程中充分利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)。在仿真演示實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生可以自主構(gòu)建各種仿真環(huán)境，選擇合適的實(shí)驗(yàn)器材，自行設(shè)置一些物理數(shù)據(jù)，自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)。仿真演示實(shí)驗(yàn)適用于很多比較抽象的物理實(shí)驗(yàn)或者實(shí)驗(yàn)器材比較復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)，如驗(yàn)證動(dòng)量守恒實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證機(jī)械能守恒實(shí)驗(yàn)、真空中測(cè)光速實(shí)驗(yàn)、雙縫干涉測(cè)光的波長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)等。學(xué)生在仿真實(shí)驗(yàn)過程中可以自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)參數(shù)，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)原理，進(jìn)行探究性實(shí)驗(yàn)，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)圖像、動(dòng)畫和用軟件計(jì)算數(shù)據(jù)的結(jié)合，提高參與實(shí)驗(yàn)的積極性和自主學(xué)習(xí)能力，同時(shí)掌握了現(xiàn)代信息技術(shù)相關(guān)知識(shí)。

3 仿真演示實(shí)驗(yàn)實(shí)施過程分析

動(dòng)量守恒定律是高中物理教學(xué)中非常重要的一個(gè)內(nèi)容，每年高考試卷中都有涉及這方面的題目，是高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的難點(diǎn)和重點(diǎn)。動(dòng)量守恒定律主要講述相互作用的物體，在不受外力的作用或者受到的合外力為零的情況下，物體的總動(dòng)量保持不變。動(dòng)量守恒定律適用范圍比較廣，小到微觀的粒子，大到宏觀的天體。動(dòng)量守恒定律廣泛的適用范圍和動(dòng)量的四性（矢量性、相對(duì)性、系統(tǒng)性和同時(shí)性）決定了其內(nèi)容比較抽象，學(xué)生難理解，高考丟分比較多。本文以動(dòng)量守恒定律為教學(xué)案例，設(shè)計(jì)物理仿真演示實(shí)驗(yàn)。

明確教學(xué)設(shè)計(jì) 教學(xué)設(shè)計(jì)依據(jù)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)目標(biāo)和學(xué)生的認(rèn)知水平進(jìn)行確定，動(dòng)量守恒定律實(shí)驗(yàn)的主要目的是進(jìn)一步驗(yàn)證鐵球A和鐵球B在進(jìn)行碰撞的過程中，依然保持動(dòng)量守恒。動(dòng)量守恒定律的實(shí)驗(yàn)原理是質(zhì)量相同的鐵球A和鐵球B進(jìn)行碰撞，假設(shè)鐵球A在碰撞前的速度為v1，鐵球B處于靜止?fàn)顟B(tài)，在碰撞過程中質(zhì)量相等的兩個(gè)球進(jìn)行了速度的交換，即鐵球A靜止，鐵球B以速度v1進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。通過播放課件創(chuàng)設(shè)有效的教學(xué)情境，激發(fā)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用仿真演示實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探索實(shí)驗(yàn)，最終掌握動(dòng)量守恒定律的內(nèi)容、動(dòng)量守恒定律的使用范圍和適用條件。實(shí)驗(yàn)前引導(dǎo)學(xué)生明確實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)，即動(dòng)量守恒定律的應(yīng)用；需要注意的實(shí)驗(yàn)難點(diǎn)，即動(dòng)量守恒定律的內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)過程。

實(shí)驗(yàn)理論依據(jù) 本實(shí)驗(yàn)的理論依據(jù)是動(dòng)量守恒定律，仿真演示實(shí)驗(yàn)過程中需要注意：1）物體碰撞前后受到的合外力為零；2）不同條件下物體的質(zhì)量和速度都要記錄好，平拋運(yùn)動(dòng)的小球在平拋方向上是勻速直線運(yùn)動(dòng)，水平方向的合外力為零，滿足動(dòng)量守恒定律。

優(yōu)化教學(xué)策略 本實(shí)驗(yàn)主要采用分組—合作教學(xué)策略和探究—發(fā)現(xiàn)教學(xué)策略，全班學(xué)生每六人為一組進(jìn)行仿真演示實(shí)驗(yàn)。學(xué)生自主探究影響動(dòng)量守恒定律實(shí)驗(yàn)的因素，不斷地改變實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)；記錄每次實(shí)驗(yàn)數(shù)值，運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理；掌握動(dòng)量守恒定律的內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)原理，并學(xué)會(huì)應(yīng)用到日常生活中，達(dá)到學(xué)以致用的教學(xué)目的。

演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程

1）創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。教師在每組學(xué)生面前的電腦中播放視頻：小時(shí)候同學(xué)們都比較喜歡玩碰碰車，碰碰車前面都安裝有厚厚的膠皮，所以怎么碰也不會(huì)壞；兩個(gè)雞蛋從桌子上掉下來，掉到地面的雞蛋摔碎

了，但是落到海綿上的雞蛋完好無損。提出問題：演示一下兩個(gè)質(zhì)量相等的小球在碰撞過程中，動(dòng)量發(fā)生什么樣的變化？帶著問題，學(xué)生開始進(jìn)行動(dòng)量守恒定律實(shí)驗(yàn)。

2）仿真演示運(yùn)動(dòng)和靜止的物體碰撞后動(dòng)量守恒。首先演示在光滑的水平地面上有兩個(gè)質(zhì)量相同的鐵球A和鐵球B，鐵球B保持靜止，鐵球A在碰撞前的速度為v1，發(fā)生碰撞后，鐵球A和鐵球B的狀態(tài)是怎樣變化的。接著演示兩個(gè)質(zhì)量不同的鐵球A和鐵球B，鐵球B保持靜止，鐵球A在碰撞前的速度為v1，發(fā)生碰撞后鐵球A和鐵球B的狀態(tài)是怎樣變化的。每組學(xué)生都需要多次重復(fù)這兩種情況并記錄好實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算這兩種情況下動(dòng)量的變化是否遵從動(dòng)量守恒定律。endprint

3）仿真演示兩個(gè)運(yùn)動(dòng)的物體在碰撞過程中動(dòng)量守恒，斜面下滑的小球在碰撞過程中動(dòng)量守恒。在電腦中模擬實(shí)驗(yàn)桌進(jìn)行斜槽固定，安裝過程中注意保證斜槽末端和導(dǎo)軌保持水平，也就是保證小球平滑地從斜面滑入導(dǎo)軌平面。仿真操作鐵球A和鐵球B在碰撞過程中動(dòng)量守恒。首先，設(shè)置鐵球A和鐵球B的質(zhì)量和位置坐標(biāo)，設(shè)置摩擦因數(shù)為零（光滑沒有摩擦力）的軌道，設(shè)置軌道的長(zhǎng)度。其次，把鐵球A和鐵球B分別放在直線軌道的兩頭，以相同的初速度進(jìn)行相向運(yùn)動(dòng)，發(fā)生碰撞后記錄鐵球A和鐵球B的速

度；然后把鐵球A和鐵球B放在直線軌道的一頭，鐵球A在后面，鐵球B在前面，但是鐵球A的初速度大于鐵球B，記錄在運(yùn)動(dòng)過程中鐵球A和鐵球B發(fā)生碰撞后的速度分別是多少。最后，多次改變鐵球A和鐵球B的質(zhì)量和初速度，重復(fù)進(jìn)行以上兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

4）彩色小球運(yùn)動(dòng)碰撞實(shí)驗(yàn)。為了進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的物理實(shí)驗(yàn)興趣，仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)置紅色和綠色兩個(gè)固定在彈簧上的小球，紅色小球不動(dòng)，設(shè)置綠色小球以一定的初速度向紅色小球方向運(yùn)動(dòng)并碰撞紅色小球；碰撞后，紅色小球和綠色小球交換速度，紅色小球開始?jí)嚎s彈簧運(yùn)動(dòng)后，又向反方向運(yùn)動(dòng)并碰撞綠色小球……紅色小球和綠色小球不停地交換速度，不停地碰撞。學(xué)生設(shè)想這兩個(gè)彩色小球會(huì)不會(huì)一直這樣運(yùn)動(dòng)碰撞？

5）學(xué)生整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，總結(jié)仿真演示實(shí)驗(yàn)過程中遇到的問題和動(dòng)量守恒定律的內(nèi)容。

教學(xué)評(píng)價(jià) 教學(xué)評(píng)價(jià)包括教師對(duì)教學(xué)過程的評(píng)價(jià)、教學(xué)內(nèi)容的評(píng)價(jià)和學(xué)生學(xué)習(xí)效果的評(píng)價(jià)。在本次仿真演示實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生動(dòng)手動(dòng)腦設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過程，通過不斷地改變實(shí)驗(yàn)參數(shù)（小球的質(zhì)量、運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)距離等），記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，自己推導(dǎo)出動(dòng)量守恒定律，創(chuàng)新能力和自主學(xué)習(xí)能力都有很大提高；并且熟悉了計(jì)算機(jī)軟件相關(guān)知識(shí)，鍛煉了分析問題的能力和創(chuàng)新能力。

4 仿真演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果分析

激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣 在仿真演示實(shí)驗(yàn)過程中充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)，借助多媒體教學(xué)，原本抽象的理論知識(shí)變得形象生動(dòng)，讓學(xué)生通過清晰的視頻畫面了解了實(shí)驗(yàn)原理；在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理過程中運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟件方便快捷，節(jié)約了大量的運(yùn)算時(shí)間；實(shí)驗(yàn)盡量接近日常生活，大大激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣[4]。

學(xué)生的創(chuàng)新能力大大提高 2016年高中物理新課程標(biāo)準(zhǔn)要求提高學(xué)生的創(chuàng)新能力，創(chuàng)新能力包括創(chuàng)新思維和創(chuàng)新意識(shí)。在仿真演示實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生充滿好奇心，自主設(shè)置實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)，通過高中物理知識(shí)遷移和理論知識(shí)應(yīng)用進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[5]，推導(dǎo)出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力大大提高 自主學(xué)習(xí)作為一種現(xiàn)代化學(xué)習(xí)方式，是每個(gè)學(xué)生都應(yīng)該具備的一種能力。自主學(xué)習(xí)就是培養(yǎng)學(xué)生可以根據(jù)自己的學(xué)習(xí)實(shí)際確定學(xué)習(xí)目標(biāo)、制訂學(xué)習(xí)計(jì)劃、選擇學(xué)習(xí)策略、自我監(jiān)控學(xué)習(xí)過程、自我評(píng)價(jià)學(xué)習(xí)效果等。在高中物理仿真演示實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)原理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過程，并且不斷改變實(shí)驗(yàn)條件、實(shí)驗(yàn)變量等，自主學(xué)習(xí)能力大大提高。

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