讓思維可見　讓創(chuàng)意有形

摘 要：物理學科是一門理論知識和實驗操作相輔相成的學科，其中實驗操作是學生通過升學考試和實現(xiàn)個人發(fā)展必備的技能。在信息技術飛速發(fā)展的今天，“互聯(lián)網(wǎng)+教育”模式的應用愈發(fā)普遍，虛擬仿真技術與實驗教學的融合發(fā)展走進廣大物理教育工作者的視野?；诖?，文章就仿真物理實驗在高中物理教學中的應用進行討論，為高中物理實驗教學的優(yōu)化提供幾點參考。

關鍵詞：高中物理教學；仿真物理實驗；物理思維

基金項目：江蘇省南通市教育科學“十三五”規(guī)劃課題“信息技術支持下的‘仿真實驗物理教學實踐研究”（JS2020014）。

作者簡介：孟小兵（1981—），男，江蘇省南通中學。

在信息技術快速發(fā)展的時代，數(shù)字化教學技術為實驗教學帶來了多元化的模式。其中，虛擬現(xiàn)實技術手段能在最大限度上還原實驗操作和步驟，因此，仿真物理實驗深受教育者的喜愛。高中物理實驗涉及定量計算和數(shù)據(jù)處理，教師借助計算機技術與仿真技術能在課堂教學中實時展示物理現(xiàn)象，實現(xiàn)實驗的精確化和可視化，讓學生以直觀的方式觀察物理現(xiàn)象，充分理解現(xiàn)象背后的物理規(guī)律，不斷強化物理學科教學效果。

一、仿真物理實驗在物理教學中應用的意義

（一）平臺易于操作，結果安全可靠

素質教育背景下，實驗教學在高中物理學科教學中的重要性日益凸顯，實驗講解和自主操作在物理學科教學中的時間占比逐漸增多。但在進行實驗操作時，有的教師選擇讓學生根據(jù)教師的實驗演示、教材上的實驗步驟“照葫蘆畫瓢”。在模仿性的訓練中，學生對物理知識的理解深度不夠，且高中階段的許多現(xiàn)象觀察類的實驗瞬時性強，較難復現(xiàn)，這也導致學生不能快速掌握相關物理知識。

隨著數(shù)字化技術的發(fā)展，仿真物理實驗的運用能夠讓物理教學得到更優(yōu)質的發(fā)展，它不受實驗場地的限制，能夠減少教師的工作量。與傳統(tǒng)的物理實驗相比，仿真實驗易于操作，不受空間、時間束縛，安全可靠。同時，它還具備成本低的優(yōu)點，能夠在短時間完成不同參數(shù)的設置，使實驗操作更加規(guī)范，也使實驗數(shù)據(jù)的對比更加充分，保證物理實驗的精準度和實驗效率。仿真實驗還有一項較為突出的優(yōu)勢，那就是能夠在特定情境下模擬具有危險性的實驗，滿足物理教學需求，實現(xiàn)學生對物理實驗的全面感知。

（二）加強多元互動，促進教學相長

在“互聯(lián)網(wǎng)+教育”的深度融合下，實驗教學也逐漸升級。將虛擬現(xiàn)實技術和物理實驗進行結合，可以讓學生利用數(shù)字化設備和操作平臺自主設計實驗方案、搭配實驗器材、模擬實驗操作，在后臺大數(shù)據(jù)庫的支持下匹配實驗現(xiàn)象和結果。同時，學生作為學習的主體，能夠在仿真物理實驗的操作過程中改進學習方式，端正學習態(tài)度，獲得更加優(yōu)異的學習成果。仿真物理實驗能夠創(chuàng)設更為豐富的物理實驗環(huán)境，大大降低學生實驗難度，保證學生的學習活動有序進行，從而優(yōu)化物理實驗教學成效。

從教師的角度來看，仿真物理實驗具有自由性、互動性以及高效性，不僅可以在根本上解決實驗儀器匱乏的問題，還可以幫助教師改進個人教學手段，轉變教育理念，提升專業(yè)性，能夠減少教師的教學工作量與負擔，真正實現(xiàn)智能化教育，提高高中物理實驗教學質量。

二、仿真物理實驗在物理教學中應用的策略

（一）明確教學目標，優(yōu)化實驗設計

明確的目標是教學活動順利開展的基礎，尤其在實驗教學中，學生有時在繁雜的文字描述中很難獨立找準實驗的方向，會使得實驗教學的進程減慢。因此，教師要結合教材內(nèi)容，從中擇取出實驗目標，并結合仿真實驗平臺進行適當?shù)恼{整，本著培養(yǎng)學生物理思維的目的對實驗進行優(yōu)化設計，避免盲目追趕教學進度。

以人教版高中物理必修第三冊第十二章第三節(jié)《實驗：電池電動勢和內(nèi)阻的測量》為例，學生前期已具備了基本的電路設計和電學知識，因此首先，教師可以通過分析，讓學生明確實驗目標，根據(jù)實驗標題確定大致實驗方向。其次，引導學生設計實驗方案，畫出電路圖。在這個實驗中，學生討論后給出方案：分別測出兩組電流和電壓，利用E=U+Ir進行計算即可。再次，教師組織學生通過仿真平臺展開初步的實驗。教師：“現(xiàn)在有一個新的問題，電壓表損壞無法使用了，怎樣利用其他的器材完成這一測量任務？”學生思考、討論后回答：“利用串聯(lián)電路中的電流處處相等的規(guī)律，把滑動變阻器改成電阻箱，再用E=U+Ir公式計算?！苯處煂W生的優(yōu)化方案給予肯定，再追問：“如果是只有電壓表而沒有電流表呢？”學生回答：“那就測出電阻箱兩端的電壓，再算出電流。”最后，學生繪制出電路圖，并展開測量實驗。

在本節(jié)課的教學中，教師通過對教材內(nèi)容和考試題目的分析，以基礎實驗為依托，不斷向學生提出優(yōu)化改進的方向。在這個過程中，學生在明確目標的指引下對實驗進行“再”思考，在優(yōu)化實驗設計的同時培養(yǎng)實驗思維［1］。

（二）架構知識橋梁，加深理論理解

學習的過程就如同蓋大樓，基礎穩(wěn)固才能確保最后建造的高樓的質量。高中物理知識有一定難度，且涉及不少學生生活中不常見、抽象性較高的物理概念，學生在進行這部分知識的學習時，困難重重。對此，教師可利用仿真實驗來架構學生與知識之間的橋梁，以較為直觀的方式促進學生對理論知識的理解。

以人教版高中物理必修第一冊第二章第四節(jié)《自由落體運動》為例，學生剛學完勻變速直線運動知識，需要通過實踐去更深入地理解勻變速直線運動的規(guī)律，而自由落體運動剛好符合勻變速直線運動的規(guī)律特點。自由落體運動是一種理想化情況下的物理模型，在現(xiàn)實條件下很難完成這一實驗，因此，教師可進行仿真實驗教學。教師可借助亞里士多德的猜想引發(fā)學生的思維矛盾，提出問題：“關于輕重不同的物體的下落情況，亞里士多德曾有這樣的猜想——‘重的物體下落得快。大家認同他的說法嗎？”學生的發(fā)言中有肯定的聲音，也有反對的意見。此時，教師可結合生活情境引導學生思考：“在我們的日常生活環(huán)境中，空氣會給運動的物體一些阻力。而我們一會要觀察在實驗的理想情況下，也就是沒有空氣的環(huán)境中，物體如何做自由落體運動?！苯處熛壤梅抡鎸嶒炑菔居锌諝獾那闆r下輕重不同的物體的下落情況，再展示真空環(huán)境中輕重不同的物體自由下落的情況。學生總結：在真空環(huán)境中，輕重不同的物體下落得同樣快。教師提問：“通過這個實驗，同學們能不能說一說什么樣的運動才是自由落體運動？”學生回答：“沒有阻力且從靜止開始下落。”教師進一步引導：“同學們總結得非常好，只在重力作用下從靜止開始下落的運動就是自由落體運動。那么做自由落體運動的物體的運動情況是什么樣的呢？同學們能不能根據(jù)剛才的實驗提出自己的猜想？”有學生回答：“一定不是勻速運動，因為物體的初速度為0，肯定是經(jīng)過加速才運動起來的?！边€有學生回答：“我覺得有點像是勻加速直線運動?！备鶕?jù)學生回答情況，教師帶領學生通過實驗來驗證。教師講解“用打點計時器研究自由落體運動”的實驗操作和注意事項，并親自演示，隨后組織學生進行實驗［2］。

（三）仿真現(xiàn)實結合，促進科學探究

物理的學習離不開實驗，從教學效果上來看，組織學生前往實驗室進行動手操作的實驗教學效果是最好的，但部分實驗條件苛刻、易受外界因素影響，且實驗現(xiàn)象的觀察難度大。教師在進行這類實驗的教學時，可充分發(fā)揮仿真實驗技術的優(yōu)勢，將實際操作與仿真實驗相結合，充分提升學生的科學探究參與感。仿真實驗能夠按照原定的目標內(nèi)容來呈現(xiàn)實驗過程和結果，更好地體現(xiàn)物理實驗價值，實現(xiàn)科學探究指導，對學生的學習發(fā)展有著重要促進作用［3］。

以人教版高中物理選擇性必修第一冊第四章第四節(jié)《實驗：用雙縫干涉測量光的波長》為例，本實驗的操作存在一定的難度，需要學生理解雙縫干涉的原理，能夠觀察入射光分別為白光和單色光的圖樣，并運用公式測量波長。教師可在講述實驗目的、步驟、原理、器材、誤差分析以及實驗注意事項的基礎上，先組織學生在仿真實驗平臺上進行模擬操作，使其熟悉實驗流程。接著，教師利用仿真實驗進行演示，使學生初步觀察光的干涉仿真實驗，并向學生介紹雙縫干涉的實驗裝置，將所用到的凸透鏡、濾光鏡、遮光筒、毛玻璃屏等儀器進行組裝，保證開關打開后白熾燈發(fā)亮。講解實驗操作步驟以及需要測量的物理量后，組織學生利用仿真實驗進行操作練習，待操作熟練后，分組展開雙縫干涉實驗。最后，教師可與學生進行誤差分析。在測定單色光的波長時，影響結果的主要因素是測量誤差，當條紋間距的測量不精準時會引起誤差，雙縫到屏的距離測量不準也會引起誤差，這兩種情況都會在不經(jīng)意間出現(xiàn)，屬于偶然誤差，需要在實驗中通過多次測量來減少誤差因素影響。以仿真實驗為基礎，對學生進行科學指導，可以促進學生的科學探究，提升學生的實驗水平［4］。

（四）借助軟件載體，培養(yǎng)實驗能力

隨著數(shù)字化教學的進步，各種網(wǎng)絡資源逐步融入教育教學中，成為教師教學的助力，也成為學生學習知識的動力?，F(xiàn)如今，關于物理教學的APP應用十分廣泛，它們既對學生的自主學習有所幫助，還能夠成為教師的“左膀右臂”，增強教育實踐性。而物理仿真實驗可以在APP的幫助下發(fā)揮出交互作用，有助于提高學生實驗水平，使學生在多元化途徑中得到成長。

以“物理實驗室”APP為例，高中物理所包含的知識很多情況下都需要在實驗中呈現(xiàn)，但課堂的時間是有限的，教師難以為學生重復展示物理實驗過程，導致部分接受能力較差的學生學習效果不佳。對此，教師可以借助APP優(yōu)化教育工作，培養(yǎng)學生的實驗能力。如在《實驗：測定電池的電動勢和內(nèi)阻》的課堂學習后，為了讓學生在課下能夠自主回顧實驗內(nèi)容，提升學習能力，教師可以利用仿真實驗軟件為學生搭建學習平臺，使物理學習更加簡單多樣，學生的學習也能不受地點、時間的限制。學生可以借助電子設備自主開展實驗，回顧實驗內(nèi)容與實驗細節(jié)。在“物理實驗室”APP中，所有的電學元件從外觀模型到內(nèi)部結構，各種細節(jié)的呈現(xiàn)都十分精致，而且每個器件都是獨立的，學生可按照自身的想法來復原電路，提升實驗技能。這樣的軟件對于教學而言有著重要的促進作用，能夠有效鍛煉學生的實驗規(guī)劃與操作能力，發(fā)展學生物理思維和物理實驗能力。同時，這樣的仿真實驗更具有直觀性、立體性、安全性，便于學生了解實驗背后的原理［5］。

結語

總而言之，在素質教育背景下，高中物理教育工作者要以培養(yǎng)學生的思維能力和創(chuàng)新精神為己任，著力于實驗教學的改進與優(yōu)化，將仿真實驗與物理教學進行多效融合，打造現(xiàn)代化的高中物理實驗課堂，助力學生的全面進步和成長。同時，要以學生為中心，借助仿真實驗來打破教學的空間限制、時間限制，激發(fā)學生的物理學習興趣，有效提升學生物理核心素養(yǎng)。

［參考文獻］

[1] 袁樂樂，劉喜斌，賴慧玲，等.仿真實驗輔助物理實驗教學的探討：以“測量電源電動勢和內(nèi)阻”為例［J］.湖南中學物理，2022，37（1）：61-63.

[2] 陳璽君.“仿真物理實驗室”在高中物理疑難問題教學中的應用研究［D］.桂林：廣西師范大學，2019.

[3] 倫應杰.物理虛擬仿真實驗在高中物理智慧課堂教學中的應用研究［D］.濟南：山東師范大學，2022.

[4] 李煥鵬，孫福玉，曹萬蒼.仿真實驗在高中物理實驗中的作用研究［J］.赤峰學院學報（自然科學版），2021，37（12）：109-111.

[5] 李明，王元航.“仿真物理實驗室”在高中物理實驗教學中的運用［J］.創(chuàng)新人才教育，2018（3）：77-79，89.