仿真實(shí)驗(yàn)在中學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用

歐陽(yáng)瑛 付響云

摘? ?要：為了在物理教學(xué)中有效培養(yǎng)學(xué)生的物理核心素養(yǎng)，教師可以根據(jù)核心素養(yǎng)的具體內(nèi)容，將仿真實(shí)驗(yàn)安排在不同的教學(xué)環(huán)節(jié)中，利用仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行知識(shí)的過(guò)渡、創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境，補(bǔ)充真實(shí)實(shí)驗(yàn)和講解科技前沿，以此來(lái)輔助課堂教學(xué)。文章根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，提出了幾點(diǎn)仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)策略，并結(jié)合中學(xué)物理實(shí)際教學(xué)內(nèi)容，探索了仿真實(shí)驗(yàn)在物理理論課堂中的具體應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng);仿真實(shí)驗(yàn);中學(xué)物理

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-6148（2021）5-0066-4

近年來(lái)，由經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織提出的核心素養(yǎng)一詞受到了教育界的廣泛關(guān)注。核心素養(yǎng)是指學(xué)生應(yīng)該具備的能夠適應(yīng)個(gè)人終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力[1]。學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)離不開(kāi)各學(xué)科課程的實(shí)施，其中物理核心素養(yǎng)主要包括物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和科學(xué)態(tài)度與責(zé)任四個(gè)方面[2]。學(xué)生物理核心素養(yǎng)的有效培養(yǎng)，不僅需要教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式的改革，更需要教學(xué)技術(shù)和手段的創(chuàng)新。在眾多教學(xué)輔助設(shè)備中，仿真實(shí)驗(yàn)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)受到了教育工作者的青睞。

仿真實(shí)驗(yàn)利用計(jì)算機(jī)創(chuàng)設(shè)虛擬環(huán)境對(duì)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程和結(jié)果進(jìn)行模擬[3]，具有形象逼真、安全高效等優(yōu)點(diǎn)，最初被使用于工程領(lǐng)域，隨后逐漸被應(yīng)用到教育領(lǐng)域。目前，有許多文章都提出了仿真實(shí)驗(yàn)在物理實(shí)驗(yàn)課和習(xí)題課中的應(yīng)用方法[4，5]，但很少有文章指出如何應(yīng)用仿真實(shí)驗(yàn)針對(duì)性地培養(yǎng)學(xué)生的物理核心素養(yǎng)。結(jié)合教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和仿真實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，本文提出了幾點(diǎn)仿真實(shí)驗(yàn)在理論課中的教學(xué)應(yīng)用策略，并分析了幾則應(yīng)用實(shí)例。

1? ? 仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)實(shí)踐策略

1.1? ? 明確教學(xué)目標(biāo)，做好教學(xué)設(shè)計(jì)

著名教育家葉圣陶說(shuō)過(guò)“教學(xué)有法，教無(wú)定法，貴在得法”，同一教學(xué)內(nèi)容往往有多種不同的教學(xué)方法，但其最終目標(biāo)都是希望學(xué)生能夠掌握相應(yīng)的知識(shí)，獲得學(xué)科核心素養(yǎng)。因此，教師在教學(xué)前應(yīng)該緊扣教材和課標(biāo)，明確課堂教學(xué)目標(biāo)，不要盲目追求一些新的教學(xué)手段，而是要根據(jù)教學(xué)內(nèi)容的特點(diǎn)和學(xué)生的情況選擇合適的教學(xué)方法，根據(jù)核心素養(yǎng)培養(yǎng)的側(cè)重點(diǎn)將仿真實(shí)驗(yàn)合理地安排在各教學(xué)環(huán)節(jié)中，充分利用仿真實(shí)驗(yàn)的價(jià)值，使課堂教學(xué)效果達(dá)到最優(yōu)。

1.2? ? 熟悉仿真平臺(tái)，掌握實(shí)驗(yàn)操作

不同的仿真平臺(tái)在實(shí)驗(yàn)種類(lèi)與數(shù)量、界面設(shè)計(jì)、操作控制等方面都存在差異。教師在選定要使用的仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)后，應(yīng)提前進(jìn)入平臺(tái)系統(tǒng)，了解仿真平臺(tái)的基本情況，對(duì)于課堂中需要用到的仿真實(shí)驗(yàn)，應(yīng)提前進(jìn)行仿真模擬，熟悉仿真的操作過(guò)程和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，以便在教學(xué)中順利地使用仿真平臺(tái)，給學(xué)生提供更好的教學(xué)指導(dǎo)。

1.3? ? 留意課堂情況，靈活調(diào)整安排

核心素養(yǎng)下的教學(xué)過(guò)程應(yīng)是教師與學(xué)生的雙邊互動(dòng)過(guò)程，因此，在課堂中教師應(yīng)時(shí)刻關(guān)注學(xué)生的情況，根據(jù)學(xué)生的反應(yīng)靈活地組織課堂教學(xué)。教師應(yīng)根據(jù)學(xué)生的意見(jiàn)，及時(shí)將仿真實(shí)驗(yàn)的畫(huà)面尺寸調(diào)到最佳大小，對(duì)于一些重要的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，教師可以采取整體演示和局部放大相結(jié)合的方式。在課堂時(shí)間充裕的情況下，教師也可以邀請(qǐng)學(xué)生上臺(tái)操作仿真實(shí)驗(yàn)，提高學(xué)生的課堂參與度。

2? ? 仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)實(shí)踐探索

針對(duì)核心素養(yǎng)的不同內(nèi)容，下面將以幾個(gè)具體教學(xué)內(nèi)容為例，對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用進(jìn)行分析。

2.1? ? 架構(gòu)知識(shí)橋梁，搭建學(xué)科框架，加深物理觀念

學(xué)習(xí)如同蓋房子，知識(shí)點(diǎn)就是一磚一瓦，知識(shí)框架則是其中的鋼筋水泥，沒(méi)有鋼筋水泥的支撐，堆砌起來(lái)的磚瓦容易傾倒。缺乏知識(shí)框架的學(xué)習(xí)，往往也會(huì)使學(xué)習(xí)效果事倍功半?？梢?jiàn)，知識(shí)框架的構(gòu)建對(duì)于系統(tǒng)而深入地學(xué)習(xí)一門(mén)學(xué)科是十分重要的。在中學(xué)物理課程內(nèi)容中，有許多物理概念和物理規(guī)律是在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上總結(jié)得出來(lái)的。而在實(shí)際教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)課和理論課往往被安排在不同的課時(shí)中，這使得很多學(xué)生在學(xué)習(xí)新課時(shí)早已忘了先前的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，不利于新知識(shí)的接受與掌握。教師在向?qū)W生教授這部分新課內(nèi)容時(shí)，可以利用仿真平臺(tái)對(duì)做過(guò)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬回顧，喚醒學(xué)生頭腦中的實(shí)驗(yàn)印象，繼而在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上引入新課知識(shí)。此方法通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)將不同的課堂內(nèi)容聯(lián)系起來(lái)，幫助學(xué)生理清各知識(shí)點(diǎn)間的關(guān)系，從而加深對(duì)物理概念和規(guī)律的理解。

例如，牛頓第二定律是在探究加速度與力、質(zhì)量關(guān)系的基礎(chǔ)上總結(jié)推理得出來(lái)的。而在人教版高中物理教材中，這兩個(gè)內(nèi)容被分成了單獨(dú)的兩小節(jié)。在《牛頓第二定律》的新課教學(xué)中，教師可以使用仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行一個(gè)知識(shí)的過(guò)渡。如圖1所示，利用NOBOOK虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)加速度與力、質(zhì)量關(guān)系的探究實(shí)驗(yàn)進(jìn)行快速的仿真模擬。然后結(jié)合實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象對(duì)學(xué)生進(jìn)行提問(wèn)：為什么要在木板的一側(cè)墊一個(gè)木塊？怎么處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出小車(chē)的加速度？這個(gè)實(shí)驗(yàn)涉及了三個(gè)物理量，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中我們采用了什么實(shí)驗(yàn)方法？對(duì)數(shù)據(jù)處理分析后我們發(fā)現(xiàn)了什么規(guī)律？完成問(wèn)題探討后，可在復(fù)習(xí)的基礎(chǔ)上，由實(shí)驗(yàn)結(jié)論引出新課知識(shí)。

與常規(guī)的直接引入方式相比，仿真實(shí)驗(yàn)新穎的動(dòng)畫(huà)一方面可以吸引學(xué)生的注意力，將學(xué)生的思緒快速拉回課堂;另一方面也可以幫助學(xué)生對(duì)上節(jié)課的實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行回顧，為新課學(xué)習(xí)提供知識(shí)基礎(chǔ)。通過(guò)再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)情境過(guò)程，讓學(xué)生回想起自己動(dòng)手操作的情況，而一系列的提問(wèn)，則加深了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理和方法的理解。在實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)行總結(jié)，并引出牛頓第二定律的內(nèi)容，短短幾分鐘便能將一個(gè)提出問(wèn)題—實(shí)驗(yàn)—數(shù)據(jù)分析—得出結(jié)論的探究過(guò)程體現(xiàn)出來(lái)，將課堂與課堂緊密相連，既為學(xué)生理解、接受新知識(shí)奠定了基礎(chǔ)，又有助于學(xué)生建立起知識(shí)的邏輯體系，加深對(duì)物理概念的理解。

2.2? ? 巧設(shè)問(wèn)題情境，引導(dǎo)思考過(guò)程，形成科學(xué)思維

知識(shí)的學(xué)習(xí)不等于知識(shí)的掌握，相比知識(shí)點(diǎn)的記憶更重要的是能夠?qū)W以致用，通過(guò)創(chuàng)設(shè)問(wèn)題來(lái)培養(yǎng)學(xué)生的分析、思考和應(yīng)用能力是常用的教學(xué)方法。很多學(xué)生在課堂上能夠牢記相關(guān)的概念公式，但課后碰到題目時(shí)卻感覺(jué)無(wú)從下手，甚至對(duì)題目練習(xí)產(chǎn)生厭煩和抵觸心理。為了減少學(xué)生的挫敗感，調(diào)動(dòng)學(xué)生思考的積極性，教師可以利用仿真實(shí)驗(yàn)創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境帶領(lǐng)大家一起做題。教師先讓學(xué)生對(duì)情境中的問(wèn)題進(jìn)行獨(dú)立思考，然后通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)M驗(yàn)證答案，再結(jié)合仿真實(shí)驗(yàn)的動(dòng)畫(huà)過(guò)程引導(dǎo)學(xué)生對(duì)題目進(jìn)行分析推理。這種講練方式能夠避免書(shū)面題目的枯燥乏味，提高學(xué)生對(duì)問(wèn)題解決的興趣，仿真實(shí)驗(yàn)的動(dòng)畫(huà)則能使學(xué)生加深對(duì)物體運(yùn)動(dòng)過(guò)程的理解進(jìn)而形成正確的解題思路，讓學(xué)生正確運(yùn)用知識(shí)的同時(shí)提高思考能力，從而實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的目的。

例如，在學(xué)習(xí)完平拋運(yùn)動(dòng)的知識(shí)后，可以利用Flash仿真動(dòng)畫(huà)（圖2）設(shè)置一個(gè)問(wèn)題情境：已知飛機(jī)的離地高度和行駛速度，為使炮彈擊中停在地面的坦克，則應(yīng)在與坦克水平距離多遠(yuǎn)時(shí)投彈？教師邀請(qǐng)幾位學(xué)生上臺(tái)操作嘗試，其余學(xué)生在座位上一起觀看游戲過(guò)程。有的炮彈與坦克相距甚遠(yuǎn)，有的炮彈與坦克失之交臂，全班學(xué)生一起緊張、期待、嘆氣、歡呼，將課堂氣氛推至高潮。游戲結(jié)束后，讓學(xué)生利用所學(xué)的平拋運(yùn)動(dòng)的知識(shí)對(duì)物體的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行定性和定量分析。首先，炮彈在下落的過(guò)程中是一個(gè)什么運(yùn)動(dòng)？然后，分析平拋運(yùn)動(dòng)在水平和豎直方向上的分運(yùn)動(dòng)又有什么特點(diǎn)和規(guī)律？要使炮彈能夠擊中坦克需要滿(mǎn)足什么條件？

在仿真實(shí)驗(yàn)的問(wèn)題情境中，教師一步步引導(dǎo)學(xué)生對(duì)題目進(jìn)行分析，將實(shí)際問(wèn)題的運(yùn)動(dòng)過(guò)程簡(jiǎn)化成物理模型，在分析和推理的過(guò)程中將所學(xué)知識(shí)運(yùn)用起來(lái)。讓學(xué)生在解答問(wèn)題的同時(shí)體悟物理模型的建構(gòu)和科學(xué)推理的過(guò)程，在題目練習(xí)中逐漸形成科學(xué)思維。這種寓教于樂(lè)的學(xué)習(xí)方式更容易被學(xué)生接納，從而達(dá)到良好的教學(xué)效果。

2.3? ? 虛擬與真實(shí)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，促進(jìn)科學(xué)探究

物理學(xué)的發(fā)展離不開(kāi)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)也是培養(yǎng)學(xué)生探究能力的一個(gè)重要途徑。真實(shí)實(shí)驗(yàn)雖能提高學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力，但受實(shí)驗(yàn)器材和課時(shí)的限制，它很難在實(shí)際教學(xué)中充分開(kāi)展，在環(huán)境和人工操作的影響下，它的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也可能存在較大的誤差。而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)則恰恰能夠避免外界的干擾，創(chuàng)造一些理想化的環(huán)境，并且能夠突破時(shí)空的限制，使學(xué)習(xí)不局限于課堂。因此，教師可以根據(jù)教學(xué)需要和學(xué)校實(shí)際條件，適當(dāng)?shù)匮a(bǔ)充一些仿真實(shí)驗(yàn)，豐富教學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，盡可能地給學(xué)生創(chuàng)造實(shí)驗(yàn)探究的機(jī)會(huì)，以充分培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力。

例如，在《牛頓第一定律》的教學(xué)中，讓學(xué)生了解伽利略理想實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容和思想是一個(gè)重要的教學(xué)目標(biāo)。由于現(xiàn)實(shí)生活無(wú)法提供一個(gè)沒(méi)有摩擦力的理想環(huán)境，所以教師可以借助虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)將理想實(shí)驗(yàn)演示給學(xué)生。如圖3所示，教師通過(guò)鼠標(biāo)多次調(diào)節(jié)第二斜面的傾斜度，并結(jié)合虛擬實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象，對(duì)伽利略思考推導(dǎo)的過(guò)程進(jìn)行還原描述，讓學(xué)生不僅掌握這個(gè)理想實(shí)驗(yàn)的結(jié)論，而且了解其背后的思想方法。但這個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)畢竟是在一種過(guò)于理想化的情境中進(jìn)行的，其結(jié)果和我們的生活常識(shí)產(chǎn)生了沖突。一些想象和理解能力稍差的學(xué)生可能難以接受，甚至?xí)a(chǎn)生質(zhì)疑。此時(shí)，教師可以在教學(xué)環(huán)節(jié)中再安排一個(gè)真實(shí)實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生觀察思考。

如圖4所示，將一小車(chē)從同一斜面的同一高度釋放，小車(chē)分別滑至鋪有木板、棉布和毛巾的平面上。教師首先讓學(xué)生觀察小車(chē)在各種平面上的運(yùn)動(dòng)情況，接著讓學(xué)生分析各平面的阻力大小，思考平面阻力和小車(chē)滑行距離之間的關(guān)系，再進(jìn)一步提問(wèn)如果平面是無(wú)限光滑的，小車(chē)的運(yùn)動(dòng)情況會(huì)怎樣？

在真實(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和教師的引導(dǎo)下，學(xué)生們很快就可以得到和伽利略理想實(shí)驗(yàn)一樣的結(jié)論，從而打消對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的懷疑和顧慮，為牛頓第一定律的學(xué)習(xí)奠定思想基礎(chǔ)。課堂中虛擬實(shí)驗(yàn)的演示有效地激發(fā)了學(xué)生的問(wèn)題意識(shí)，而真實(shí)實(shí)驗(yàn)的演示則促使學(xué)生去獲取信息處理數(shù)據(jù)進(jìn)行思考，兩種實(shí)驗(yàn)的結(jié)合有效地培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)探究能力，也讓學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)推理法有了更深的體會(huì)，為學(xué)生今后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究奠定了基礎(chǔ)。

2.4? ? 聯(lián)系科技生活，培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

物理學(xué)作為自然科學(xué)的基礎(chǔ)學(xué)科與我們的社會(huì)生活緊密相連，中學(xué)物理教學(xué)作為物理教育的基礎(chǔ)階段，對(duì)學(xué)生后續(xù)階段的學(xué)習(xí)有著重要影響。因此，課堂教學(xué)除了向?qū)W生傳授理論知識(shí)，也需要補(bǔ)充一些科學(xué)技術(shù)中的物理知識(shí)。教師可以根據(jù)教學(xué)內(nèi)容，選取合適的仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行演示，通過(guò)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)動(dòng)畫(huà)講解科技發(fā)明背后的基本原理，將課堂知識(shí)與科學(xué)技術(shù)聯(lián)系起來(lái)，讓學(xué)生了解物理知識(shí)在科學(xué)技術(shù)中的應(yīng)用和重要性，從而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的熱情，促使學(xué)生形成良好的科學(xué)態(tài)度。

例如，在《宇宙航行》一節(jié)中，衛(wèi)星的變軌問(wèn)題是一個(gè)隱藏的知識(shí)點(diǎn)，教材沒(méi)有對(duì)它進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，需要教師在課堂上進(jìn)行補(bǔ)充講解。為了幫助學(xué)生更好地理解、記憶這一知識(shí)，教師可以利用NOBOOK虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)將衛(wèi)星變軌模型展示出來(lái)。如圖5和圖6所示，點(diǎn)擊播放按鈕，代表著衛(wèi)星的小球開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，環(huán)繞一周后改變速度進(jìn)入高軌或者低軌。結(jié)合仿真實(shí)驗(yàn)畫(huà)面，教師進(jìn)一步向?qū)W生介紹我國(guó)航空航天事業(yè)取得的成就，并指出衛(wèi)星發(fā)射過(guò)程中就用到了課堂里的變軌知識(shí)。

仿真實(shí)驗(yàn)與科技介紹相結(jié)合的方式比直接的知識(shí)講解更加形象生動(dòng)，既提高了學(xué)生在課堂中的注意力，又豐富了學(xué)生的課外科技知識(shí)。同時(shí)也能引導(dǎo)學(xué)生積極關(guān)注科技生活，從而形成良好的科學(xué)責(zé)任感。

3? ? 結(jié)束語(yǔ)

學(xué)生物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng)是當(dāng)前中學(xué)物理教學(xué)的重要目標(biāo)，相關(guān)教學(xué)改革促使教育工作者不斷在教學(xué)技術(shù)和教學(xué)手段上進(jìn)行創(chuàng)新。仿真實(shí)驗(yàn)作為一種新的教學(xué)輔助工具對(duì)課堂教學(xué)的實(shí)施與核心素養(yǎng)的培養(yǎng)有一定的積極促進(jìn)作用，其在教學(xué)中的實(shí)際實(shí)施仍有很大的發(fā)展空間，教師應(yīng)該結(jié)合教學(xué)實(shí)際合理運(yùn)用物理仿真實(shí)驗(yàn)，努力促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳旭東.“影視資源”在高中物理核心素養(yǎng)之科學(xué)思維形成中的應(yīng)用策略——以電磁炮模型的建立為例[J].中學(xué)物理，2017，35（05）：1-2.

[2]中華人民共和國(guó)教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[3]張英，張譜.淺析仿真實(shí)驗(yàn)在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的作用[J].教育現(xiàn)代化，2019，6（70）：170-171+177.

[4]張時(shí)學(xué)，吳秋月.仿真物理實(shí)驗(yàn)軟件在物理實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用的分析[J].中學(xué)物理，2011，29（17）： 22-24.

[5]周麗潔.仿真物理實(shí)驗(yàn)室在高中習(xí)題教學(xué)中的應(yīng)用初探[J].中學(xué)物理，2019，37（09）：56-57.

（欄目編輯? ? 邱曉燕）