仿真實驗助力高中物理實驗教學(xué)智慧化進程

■ 西北農(nóng)林科技大學(xué)附屬中學(xué) 肖 媛

自2018年《教育信息化2.0行動計劃》指導(dǎo)文件發(fā)布以來,中小學(xué)的課堂教學(xué)開始快步進入智慧化時代,依托互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)統(tǒng)計,我們的課堂開始有機會從一對多的集中式教學(xué)開始轉(zhuǎn)變?yōu)閭€性化差異化更具針對性的教學(xué)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(yīng)變化。

物理作為一門以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科,實驗教學(xué)在高中物理教學(xué)中的地位自是不言而喻。過去20年我們的實驗教學(xué)多采用實物實驗的方式,而實際操作過程中常?！皩嶒灲Y(jié)果不遂人愿”,意外頻發(fā)。近年來,以DIS為代表的一系列數(shù)字化實驗走入課堂,這一套依托傳感器的實驗裝置實現(xiàn)了更精準(zhǔn)的實驗結(jié)果測量,但同時由于造價高昂,難以實現(xiàn)每個學(xué)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(xué)的大面積鋪開,為個性化仿真實驗的實現(xiàn)提供了硬件基礎(chǔ)；越來越多的仿真軟件的涌現(xiàn),則為學(xué)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(xué)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(jīng)驗,僅供同行參考。

1 “物理實驗場”助力課標(biāo)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(nèi)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(shù)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(yōu)勢。鑒于目前學(xué)生平板內(nèi)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(yīng)》的教學(xué)為例,教材編排上這是一節(jié)典型的由實驗導(dǎo)出規(guī)律的新授課,但實際由于紫外線燈使用不當(dāng)容易發(fā)生風(fēng)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(xué)對實驗現(xiàn)象的觀察。而采用仿真實驗,則讓每個學(xué)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(xiàn)象；同時避免了電路連接錯誤,線路接觸不良等問題的發(fā)生,讓學(xué)生的注意力全部集中于核心規(guī)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(xué)生進行“太空飛船發(fā)射和接收”模塊的仿真,這是課堂實物實驗不可能涉及的內(nèi)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(xué)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(yīng)用教學(xué)中,可以讓學(xué)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(dǎo)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(fā)布,包括電學(xué)、天體物理、電與磁三個部分,該軟件最出色的在于其電學(xué)部分的設(shè)計。以電池、燈泡、開關(guān)、電流電壓表等中學(xué)常見17種器材為基礎(chǔ),搭配發(fā)光二極管、通電螺線管、電鈴等10種演示器材,就可以100%的復(fù)現(xiàn)全部中學(xué)階段的電學(xué)實驗。此外,理想變壓器、正弦波發(fā)生器等20種模擬電路器件,空氣開關(guān)、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(xué)有余力的同學(xué)提供了更多探索的可能,為學(xué)生創(chuàng)造性的進行電路設(shè)計掃清了障礙。

例如在進行《串聯(lián)電路和并聯(lián)電路》的理論教學(xué)時,學(xué)生第一次接觸分壓式電路,很多同學(xué)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(lián)系起來,這時安排學(xué)生按照電路圖在軟件中進行仿真練習(xí),學(xué)生可以自主將滑動變阻器放大,仔細(xì)觀察其結(jié)構(gòu),就能在保證儀器安全性的情況下,幫助學(xué)生理解電路中的電流、電壓變化規(guī)律,同時也是為下一步的實物實驗打下基礎(chǔ)。

在學(xué)生學(xué)完3-2傳感器部分后,則可以基于該軟件,鼓勵學(xué)生對火災(zāi)報警器、感應(yīng)燈的電路進行驗證,體會物理理論在實際生活中的應(yīng)用。也可以進一步挖掘?qū)W生潛力,鼓勵學(xué)生結(jié)合電路和傳感器知識,以個人或小組的方式進行電路設(shè)計,并在課堂上進行展示分享,真正實現(xiàn)學(xué)以致用。

此外,軟件中的電磁部分則以正負(fù)電荷、條形磁鐵等7個簡單器件為我們解決復(fù)雜問題提供了新思路。比如2015江蘇卷第8題,讓學(xué)生根據(jù)兩個相同的負(fù)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(jīng)給出電場線分布情況,所以學(xué)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(guī)類型,學(xué)生就容易不知從何下手,這時在日常練習(xí)中利用軟件進行模擬就顯得尤為重要了。

3 “吃掉物理”構(gòu)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(fā),目前僅包含人教版必修一四個章節(jié)內(nèi)容,但其精致的演示畫面,和實驗緊密結(jié)合的知識點微課、精選的課后習(xí)題都為其在平板教學(xué)中的應(yīng)用獲得了獨特優(yōu)勢。

例如在《力的合成》的教學(xué)中,在“先教師講授——再學(xué)生實驗探究”的教材模式之外,基于軟件教師多了一種“學(xué)生先觀看微課——再自主仿真——教師小結(jié)點撥——學(xué)生配套習(xí)題練習(xí)”的教學(xué)方式。毫無疑問,后者比前者在學(xué)生參與時間、參與環(huán)節(jié)上都更具優(yōu)勢,后者充分給學(xué)生放權(quán),有助于實現(xiàn)學(xué)生的個性化學(xué)習(xí)。

4 “虛擬實驗”提升實驗復(fù)習(xí)的趣味性

深圳市征銘科技有限公司開發(fā)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(guān)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(xí)和同伴對戰(zhàn)兩種模式,以選擇和實際操作兩種提問方式幫助學(xué)生明確實驗?zāi)康?、理解實驗原理、強調(diào)實驗過程和注意事項,并最終總結(jié)結(jié)論。每一個問題都有對應(yīng)的分?jǐn)?shù),學(xué)生答對得分,答錯扣分并可以再次作答,最終學(xué)生可以根據(jù)分?jǐn)?shù)了解自己對實驗的掌握情況。當(dāng)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(xué)的軟件,而只能用于課后的鞏固復(fù)習(xí)。教師可以在完成相關(guān)新課教學(xué)后,將“虛擬實驗”以作業(yè)的方式下發(fā)到平板上,學(xué)生完成后可以分?jǐn)?shù)截圖上傳,以供教師了解學(xué)生的掌握情況。

5 基于平板的學(xué)生個人仿真實驗利弊分析

當(dāng)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(xiàn)物理實驗仿真,在此不再贅述。總的來看,仿真實驗相比傳統(tǒng)實驗具有許多不可比擬的優(yōu)勢。

第一,仿真實驗安全性高。特別是電學(xué)實驗部分,在傳統(tǒng)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(xué)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(xué)生由于連線錯誤,開關(guān)未斷開等原因,燒毀小燈泡的情況時有發(fā)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(xué)生的注意力集中在規(guī)律探索、新課教學(xué)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(xué)生應(yīng)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(jīng)小燈泡的電流同時增大或減小,但學(xué)生在實物操作過程中,經(jīng)常會由于導(dǎo)線和接線柱接觸不良、小燈泡燒壞等原因常常無法看到預(yù)期現(xiàn)象,這時學(xué)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(nèi)容的學(xué)習(xí)理解。

第三,仿真實驗提升了學(xué)生實驗的參與度。一方面?zhèn)鹘y(tǒng)實驗限于實驗器材有限,往往需要學(xué)生兩三個人為一組,這時難免會出現(xiàn)興趣足的同學(xué)主導(dǎo)完成實驗,其他同學(xué)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(xiàn)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(xué)生擁有了更多動手實驗的機會。

第四,仿真實驗將傳統(tǒng)實驗的不可能為變?yōu)榭赡堋４蟮皆虑虻厍蛩幍挠钪婵臻g,小到質(zhì)子電子等微觀粒子,都可以進行仿真；通過仿真,學(xué)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(shù),教育的廣度深度得到了進一步擴展。

當(dāng)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(xué)習(xí)成本的,比如“物理實驗室”中如何將放歪的元件擺放規(guī)整,如何查看器件的參數(shù),如何調(diào)整實驗觀察的視角,這些在實物實驗中只要動動手指、轉(zhuǎn)個身體就能完成操作,在仿真環(huán)境下卻需要時間來試錯學(xué)習(xí),這無疑是給學(xué)習(xí)新知的學(xué)生制造了額外的理解門檻。其次必須承認(rèn),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(shè)計得過于死板,讀數(shù)時精確位數(shù)不對等知識性漏洞,這些都需要軟件開發(fā)者能多與一線教師交流,進一步優(yōu)化完善。

綜上所述,仿真實驗是助力高中物理實驗教學(xué)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(xiàn)課堂效率的最大化。