仿真實驗在高中物理教學中的應用

麻迎良

隨著電子白板等多媒體設備在教學中的普及，仿真實驗在高中物理教學中的作用越來越突顯出來.它不受時空限制，具有靈活性、可控性強、現象明顯、可反復實驗等優點，與傳統的實驗相結合，可優化實驗教學.

物理教學離不開實驗，而一提起實驗，人們自然聯想到的是教師的演示實驗和學生的分組實驗.這些實驗是以實際器材為依托、以一定的實驗環境或實驗儀器為保障的實驗；是最傳統、有效的實驗；是能讓學生建立客觀物理模型、培養學生動手能力和實驗素養的實驗.

事物總具有兩面性.傳統的物理實驗有不足之處：一是受經濟條件的約束大.一些經濟欠發達的地區，很難裝備數量齊全、有檔次的教學器材.二是比較耗時耗精力.教材中要求必做的實驗，一般教師都會安排做.但是課堂上隨時要用到的實驗，教師沒有精力就不會都去做.三是有些傳統實驗演示的可視性差，后面的學生很難清晰地觀察到實驗觀察.四是有時需要分析一個物理過程中的某個暫態，而傳統實驗不能實現這一功能.五是傳統實驗不能重現日常無法實現或觀察不到的某些物理過程或物理變化.

隨著計算機技術的發展和普及，出現了一些動畫設計軟件，彌補了上述實驗的不足.在課堂上應用課件進行教學，既提高了課堂教學效率、增加了授課容量，又減輕了教師的負擔.很多課件可直接從網上下載，保存后可重復使用.但這類動畫模擬課件不是十全十美的：一是FLASH等軟件的技術含量比較高，要想設計出有個性且逼真的動畫，需要有編程能力.二是這類課件的功能主要是動畫演示，很少有交互功能，只能說是模擬演示，不具有仿真實驗的功能.三是這類課件一般作為教師的演示之用，學生不能親自獨立體會.

近年來出現的仿真實驗軟件，完全擁有實驗功能，其特點有：一是交互性特別強，完全實現了由人控制實驗條件和實驗過程，隨時輸出任意所需的實驗數據和圖象.二是非常靈活，通過設置參數可以仿真任意實驗情境，包括理想和非理想.三是特別適合數字化網絡教室中的教學，可讓每個學生通過平板電腦實現自主學習、合作學習.當然，有些學校沒有裝備數字化網絡教室，可以在微機室利用仿真實驗軟件進行上課.

從2010年起，筆者嘗試使用仿真實驗進行高中物理教學.下面談談筆者的一些做法和體會.

第一，所有的教學手段必須有機結合，取長補短，不能走極端.傳統實驗手段絕對不能忽視，在此基礎上發揮課件和仿真軟件的優點.

第二，用仿真實驗優化習題教學.一些習題中的物理過程的分析是個難點，有些根本無法用傳統實驗展現.例如，帶電粒子在電磁場中的運動問題，如果用仿真實驗軟件設置好符合題目所述的參數，就能立即得到正確的運動情景，還可以在任意位置暫停，在此基礎上再進行理論分析，學生就容易理解.又如，在恒定電流的學習中，復雜電路的簡化一直是學生不容易掌握的內容.在電學仿真實驗軟件中，教師可以先按題目所示的電路設置好復雜電路，然后用鼠標直接拖動各元件到標準的位置，其動態的變化過程，讓學生容易理解簡化的方法.

第三，用仿真實驗軟件對傳統實驗進行拓展.例如，在做電學實驗時，滑動變阻器的兩種接法（分壓式和限流式）的選擇是難點，學生無法理解為什么當R外>>R滑時采用分壓式，而當R外與R滑接近時采用限流式.如果教師一味地講滿足這些條件時，便于調節.怎樣才算是便于調節，學生理解不了，而實際實驗中不可能給學生提供非常多的不同阻值的滑動變阻器和外電阻.同時，反復實驗對比耗時很多.如果用仿真電學實驗軟件來探究，就比較方便直觀.在滑動變阻器和外電阻R上右單擊，分別設置兩者阻值成不同情況，再雙擊開關使其閉合，拖動滑動端觀察兩個表指針的轉動情況，學生就容易理解什么是便于調節.再連成分壓式，重新探究.

第四，仿真實驗軟件的操作簡單.雖然也有其腳本，但是不會涉及復雜編程，比使用FLASH要容易得多.

當然，仿真實驗軟件也不完美.如果要設計個性化的、有針對性的仿真實驗，也可自己重新設計，但前提是自己要有很高的編程能力.筆者在一開始接觸到仿真實驗時，當時還沒有現成的軟件可供下載，自己就用VB編了一個單擺的仿真實驗，用這個軟件在講課時供學生探究單擺的周期與擺長和重力加速度的關系，從而得出單擺的周期公式.學生實驗時手動控制開始計時和停止計時，由軟件自動啟示錄時間，并自動把測量數據導入到Excel中繪出T與L和g的關系圖象，還能自動監測實驗時小球的擺角，如過大時及時提醒.在網絡環境下，筆者用這款軟件進行教學，實際效果非常好.