仿真實驗輔助高中物理實驗教學的實踐

靳秀善

物理是一門實驗性學科，許多物理現(xiàn)象、物理定律等都是通過實驗發(fā)現(xiàn)。但在實際教學中，物理實驗很難全面開展，教學質量和效率受到很大影響。為此，仿真實驗方法被提出，此方法與傳統(tǒng)的實物實驗有明顯區(qū)別，學生需要在以信息技術為依托的仿真實驗軟件創(chuàng)設的模擬實驗情境中探究知識，觀察實驗現(xiàn)象，理解物理定律。此方法不受外界環(huán)境因素和教學設備不足等多方面的影響，可以更直觀地幫助學生觀察學習，進而培養(yǎng)學生的物理思維與創(chuàng)新精神，使學生的學習能力在仿真實驗輔助下進一步提高。所以，高中物理教師應重視探究仿真實驗輔助高中物理實驗的實踐策略。

一、仿真實驗輔助高中物理實驗教學的實踐意義

人才培養(yǎng)工作中不可缺少的重要組成部分就是實驗教學，這關系著培養(yǎng)人才的實踐能力以及創(chuàng)新能力。在傳統(tǒng)的物理實驗教學中，受到各種條件的影響，學生只能在限定的時間、地點利用限定的實驗設備完成實驗內容，極大地制約了學生的動手能力以及工程創(chuàng)新能力。另外，傳統(tǒng)的物理實驗室建設也是一筆不小的投入，需要花費大量的人力、物力以及財力。

因此，在傳統(tǒng)的實驗教學模式下，教學效果往往受到質疑。針對這種情況，教師應當改革傳統(tǒng)實驗教學模式，探索適應當前社會發(fā)展的新型教學方法。

仿真實驗的具體原理是利用計算機技術開發(fā)出最具有真實感的實驗，可以在電腦上模擬操作。學生通過自主操作仿真實驗，可以掌握物理知識原理，驗證物理定律，更有效地學習和記憶物理公式、定理等，從而提升高中物理學習成績。仿真實驗輔助高中物理實驗教學的實踐意義極大，具體表現(xiàn)在以下方面。

其一，仿真實驗可以保障物理實驗順利開展，保障實驗數(shù)量。高中物理實驗教學中有非常多的需要學生實驗驗證后才能理解的知識內容，但現(xiàn)有的物理實驗設備不足，或者并不具備實驗開設條件，導致許多物理實驗無法操作，學生無法通過實驗教學掌握物理知識。但通過仿真實驗，可以解決所有影響實驗教學正常開展的問題，確保學生可以接觸并實踐驗證更多數(shù)量的物理實驗。

其二，仿真實驗可以保障物理實驗的可視性，保證實驗質量。物理實驗教學中，許多物理定律的形成過程很短，無法保障實驗效果，導致物理實驗教學的有效性受到影響。但在仿真實驗中，學生可以將實驗過程放大、放慢觀察，時間允許的情況下，學生還可以重復觀察實驗過程，增強實驗體驗，實驗質量由此得到很大保障。

其三，仿真實驗可以保障實驗信息的及時反饋，從而保障實驗效果。仿真實驗是依托于信息技術進行的，需要在計算機仿真軟件上操作，這意味著學生可以依據(jù)自己的理解進行實驗，并通過仿真實驗反饋出的結果逆推實驗步驟，找出過程中出現(xiàn)的錯誤，進而重新實驗、反復練習，明確實驗關鍵環(huán)節(jié)，掌握物理知識。

其四，仿真實驗可以保障物理實驗安全，避免學生發(fā)生危險。物理實驗教學中，力學、光學和電學知識有大量的實驗操作，其中許多實驗具有一定的危險性，會對學生的身體造成傷害。但通過仿真實驗，學生可以避免實驗本身的危險性，或者因自身操作不當?shù)劝l(fā)生危險。而且仿真實驗可以將一些看不見、摸不到的實驗現(xiàn)象進行模擬展示，呈現(xiàn)在學生眼前，有利于幫助學生更深入地學習和理解物理現(xiàn)象。

其五，仿真實驗可以滿足學生的主動探究需要，發(fā)展學生的物理思維。在傳統(tǒng)的物理實驗教學中，學生進行物理實驗會受到多方限制，無法更好地發(fā)展物理思維，但在仿真實驗中，學生可以通過計算機，智能手機等工具隨時進行仿真實驗，可以進行課前預習、課后復習，按照自己的想法主動探索，進而對物理實驗產生操作興趣，發(fā)展物理思維。

二、仿真實驗輔助高中物理實驗教學的實踐策略

（一）明確教學目標，掌握方向

在高中物理實驗教學中，教師通常需要先向學生說明教學目標，再帶領學生分析實驗原理，然后進行實驗操作，得出實驗結論，總結經驗。比如，在高中物理選擇性必修一《動量守恒定律》教學中，教師要向學生說明教學目標：一是明確驗證動量守恒定律的基本思路；二是會根據(jù)實驗器材和實驗目的設計實驗方案；三是知道實驗數(shù)據(jù)的處理方法。

同理，在仿真實驗教學中，教師同樣需要向學生說明教學目標，但會增加一些新的內容，如學生需要非常熟悉仿真實驗軟件的操作界面，知道每一個實驗對象的屬性如何設置；需要先理解動量守恒定律的具體含義，并思考實驗對象的屬性該如何設置等。教師要明白，要想使仿真實驗充分發(fā)揮輔助教學作用，必須激發(fā)學生通過仿真實驗驗證物理定律的興趣，使學生在不斷地分析、總結、歸納以及解決問題過程中發(fā)現(xiàn)物理定律，順利培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)。當學生充分明確《動量守恒定律》的仿真實驗教學目標后，教師才能更好地掌握實驗教學開展方向，通過仿真實驗完成教學重難點知識的教學任務，指導學生學會通過仿真實驗驗證理論知識，并應用動量守恒定律知識解決實際生活中的問題。

（二）確定教學方式，做好鋪墊

在高中物理實驗教學中，仿真實驗的應用價值和優(yōu)勢是非常顯著的，對學生而言，仿真實驗新穎有趣，便于觀察實驗過程，完成知識的實踐探索；對教師而言，仿真實驗安全有效，可以確保每一名學生都能參與并動手實踐操作，理解并掌握物理學科各種知識?？梢姡抡鎸嶒灍o論是對學生還是對教師都是利大于弊、優(yōu)大于劣的。為此，教師在明確仿真實驗教學目標后，要確定教學方式，為仿真實驗教學做好鋪墊，好的教學方式更利于激發(fā)學生的探究潛能，使學生自主參與到仿真實驗中，無需教師的督促和刻意引導，學生即可在實驗中獲得想要的答案。

比如，在高中物理選擇性必修一《動量守恒定律》教學中，教師需要明確實驗教學目標，然后依據(jù)班級學生的實際學情，結合實驗教學內容，選擇適合的教學方式?！白灾魈骄?發(fā)現(xiàn)總結”教學方式具有極高的應用價值，與仿真實驗流程相符，利于激發(fā)學生的探究潛能。《動量守恒定律》的實驗方法很多，在開展仿真實驗教學前，教師要引導學生自主探究，思考應該怎樣設計實驗，使兩個碰撞的物體組成的系統(tǒng)所受外力的矢量和近似為0？當學生理清實驗思路后，要思考第二個問題：要想通過仿真實驗驗證動量守恒定律，需要測量哪些物理量？明白以上問題后，學生利用仿真實驗軟件進行實驗操作，將會發(fā)現(xiàn)動量守恒定律是什么，從而得出正確的實驗結論。同時，通過仿真實驗操作，學生觀察過程將變得更清晰，學生的物理思維也將得到更好發(fā)展，在現(xiàn)實生活中，學生會懂得如何運用動量守恒定律解決實際問題。

（三）創(chuàng)設教學情境，提出問題

在高中物理實驗教學中，教師必須重視教學情境的創(chuàng)設，以情境調動學生的實驗情緒，以問題激發(fā)學生的思考能動性，在仿真實驗教學中同樣如此。學生面對計算機中的仿真實驗軟件界面，經常有種無從下手，不知如何進行實驗操作的感覺，一節(jié)課僅有40分鐘，教師必須盡快引導學生進入實驗狀態(tài)，讓學生在獨立實驗操作中自主探索、總結經驗，得出有效的實驗結論。而這些教學目標順利達成的前提就是創(chuàng)設教學情境，提出實驗問題。

例如，在高中物理選擇性必修一《動量守恒定律》實驗教學中，教師可以設計這樣的情境：將兩枚生雞蛋分別放在具有相同高度的物體上，第一個物體的下面是水泥地面，第二個物體的下面是沙子路面，將兩枚雞蛋同時向下扔，為什么第一個實驗后雞蛋碎了，而第二個實驗后雞蛋不容易碎？教師還可以結合學生的生活經驗設計情境：游樂場有非常多的游戲項目，其中碰碰車項目參與人數(shù)很多，為什么所有的碰碰車外部邊緣都有厚厚的膠皮？這些膠皮是單純地起到保護車輛安全的作用嗎？當兩輛相對行駛的碰碰車相撞后，會發(fā)生什么情況？其中的動量有哪些變化？在教師提出問題后，學生的注意力將集中到問題上，進而找到實驗對象，設置實驗屬性，進行仿真實驗。

（四）設計實驗假設，呈現(xiàn)任務

在高中仿真物理實驗教學中，要想指導學生有效地進行實驗設計，教師必須設計實驗假設，為學生呈現(xiàn)實驗任務，探索實驗真諦。但實驗假設的設計與提出，必須是在學生明確實驗原理的基礎上進行的，若學生沒有掌握實驗原理，即使可以很熟練地操作仿真實驗軟件，也無法獲得正確而有效的實驗結論。

例如，在高中物理選擇性必修一《動量守恒定律》教學中，教師要指導學生先翻閱教材，找出實驗原理，并對相關知識進行進一步學習。首先，教師要引導學生測出參與測試的兩個物體的質量m1和m2，以及碰撞前后兩個物體各自的速度v1和v2、v?1和v?2，算出碰撞前的動量P，給出公式p=m1v1+m2v2；其次，算出碰撞后的動量p?，給出公式p?=m1v?1+m2v?2；最后，對比p和P?，驗證動量是否守恒。在上述實驗原理的指導下，學生利用仿真實驗軟件中的設置功能，設計兩個小球，小球質量相同，應用運動原理，將其中的一個小球向著另外一個小球撞擊，通過數(shù)據(jù)監(jiān)測，得出兩個小球的速度，再進行動量計算，可以得出碰撞前后的動量值，對比后發(fā)現(xiàn)能量守恒。在仿真實驗教學中，教師要給予學生充足的實驗操作時間，讓學生可以對同一個實驗進行反復驗證。在《動量守恒定律》仿真實驗中，教師可以給予學生20分鐘的自主實驗時間，學生改變小球的質量、速度等實驗參數(shù)，一次次記錄動量變化，驗證動量守恒定律。

（五）教師啟發(fā)引導，探索真知

高中仿真物理實驗教學中，雖然教師要重視給予學生充足的獨立實驗時間，讓學生通過自主探究與發(fā)現(xiàn)總結，提高物理實驗能力，但每堂課20分鐘的獨立自主時間還是非常有限的，教師不能讓學生將實驗時間浪費在不必要的試錯上，因此，教師必須重視在實驗教學中給予學生針對性的啟發(fā)引導，使學生朝著正確的方向探索真知，得出有效的實驗結論。

例如，在高中物理選擇性必修一《動量守恒定律》實驗教學中，教師可以這樣啟發(fā)學生：第一，打開仿真實驗軟件操作界面，從實驗對象中選擇兩個完全相同的小球，并打開設置按鈕，依據(jù)實驗原理要求設置小球參數(shù)，如質量、速度、坐標等；第二，設置具體的實驗環(huán)境，將實驗中小球運動軌道的摩擦因數(shù)設置為0，將運動軌道長度設置為20米；第三，將設置好實驗參數(shù)的兩個小球分別放在運動軌道的兩端，接著設置運行速度，讓小球以不同的速度碰撞，觀察小球的運動特點，并記錄碰撞初始運動速度；第四，改變本次實驗所有參數(shù)，進行相同的實驗操作，記錄兩個小球的碰撞初始運動速度，至少在進行三次實驗后，對比總結實驗結果，得出實驗結論。此外，為了進一步強化學生的實驗能力，使學生的物理實驗思維在碰撞中再度激發(fā)，教師還應在學生完成自主探究實驗后，組織學生進行小組合作實驗，每三人一組，每組重新設置實驗參數(shù)，記錄實驗結果，并將小組合作后形成的實驗結果與自己獨立實驗得出的結果進行比對分析，進一步探究動量守恒定律，構建更全面系統(tǒng)的知識體系。

（六）完善教學評價，總結經驗

任何教學活動的開展都必須有與之相配合使用的教學評價，以找出教學中存在的不足，為下一次教學活動的開展提供有效的參考經驗。在高中仿真實驗教學活動開展后，教師同樣要帶領學生進行實驗教學評價，教師進行教學反思評價，發(fā)現(xiàn)教學中的不足，學生參與教學評價，對自己在實驗中的表現(xiàn)進行自我評價和學生互評，發(fā)現(xiàn)自己的實驗認知、實驗準備以及實驗收獲是否符合教學要求，進而不斷積累實驗經驗，爭取在下一次的仿真實驗中更高效地利用時間，發(fā)展物理實驗思維，提升物理實驗能力。

例如，在高中物理選擇性必修一《動量守恒定律》實驗教學中，教師在教學評價中發(fā)現(xiàn)，相較于解決問題，學生在實驗中發(fā)現(xiàn)問題更有教學意義，通過問題的發(fā)現(xiàn)，有利于學生對所學知識質疑，進而帶著疑問進行探究，在尋找答案的過程中增長知識，對物理知識、定理、公式等有更深入和系統(tǒng)的學習。學生在評價中發(fā)現(xiàn)，自己通過動手操作驗證動量守恒定律，對實驗原理有了更深刻的認知，在現(xiàn)實生活中也會更好地應用物理知識解決問題，對物理學科產生了濃厚的學習興趣，學習動機更清晰。

三、結語

綜上所述，仿真實驗輔助高中物理實驗教學的實踐意義極大：一是可以保障物理實驗順利開展，保證實驗數(shù)量；二是可以保障物理實驗的可視性，保證質量；三是可以保障實驗信息的及時反饋，保障效果；四是可以保障物理實驗安全，避免危險；五是可以滿足學生主動探究需要，發(fā)展思維。因此，教師必須重視研究可行的實踐策略，充分發(fā)揮仿真實驗的作用與優(yōu)勢，從而培養(yǎng)學生的物理核心素養(yǎng)。