應用信息技術破解四類物理實驗難題

游藝輝

摘 要 信息技術發展和普及為物理教學解決一些物理實驗難題提供了新的途徑。文章對中學物理實驗存在的，諸如抽象的物理 知識難以用傳統常規的手段進行實驗、部分演示實驗能見效果差無法給學生清晰展示、物理實驗中的實驗現象變化過快 不利于觀察、有些物理實驗具有危險性或條件要求高而無法進行等難題進行分析，探究了影像、投影和虛擬等信息技術解 決這些中學物理實驗難題。

關 鍵 詞 信息技術;物理實驗;難題

在物理教學中加強物理實驗教學，對培養學生的 觀察和科學探究能力具有重要意義。但是在實際教 學中，往往由于學校設備不完善或者實驗本身操作難 度大等原因的限制，部分物理實驗無法進行操作，進 而影響了物理教學質量。^[1]而運用信息技術手段則很 好地解決了這一問題。在信息技術條件支持下，教師 在進行中學物理演示實驗教學時，可借助信息技術創 設一個模擬的物理實驗，進而對整個實驗過程進行詳 細的呈現，使得學生更好地觀察、理解和接受。^[2]

一、中學物理實驗難題特點

1. 抽象的物理知識難以用傳統常規的手段進行實驗

物理抽象概念的表示一直是中學物理學習中的 重難點。在教學內容中經常有一些抽象的知識點，這 些知識點只有通過分析、歸納、推理等方式才能得出 相應的結論。學生大多只能通過想象力把一些抽象 的知識點具體化，但對于抽象思維尚未完全成熟的初 高中生，很難單憑想象力準確想象天體運行規律、磁 場的相關知識等，這些虛幻游離的力、電、磁，往往令 學生望而生畏。

1. 部分演示實驗能見效果差無法給學生清晰展示

物理教學中，有時必須通過演示實驗來驗證物理 理論的正確性，這樣既加深了學生對物理理論的認 知，又掌握了科學實驗的方法。但有的演示實驗現象 過于微觀而不易觀察，無法向全班同學清晰展示實驗 現象，導致教學效果大打折扣。

1. 物理實驗中的實驗現象變化過快不利于觀察

在物理實驗中，有些物理實驗是在瞬間完成的， 實驗變化過程往往沒辦法直觀展示給學生看。而一 部分實驗耗時卻較長，由于課堂時間有限，教師往往 采取片段式演示實驗過程。這些都不利于學生對實 驗過程的理解及掌握。^[3]

1. 有些物理實驗具有危險性或條件要求高而無 法進行

中學物理實驗中，并不是所有的實驗都可以在實 驗室完成的。有的實驗具有一定的危險性，有的對實 驗條件要求較高，缺乏實驗器材，一時難以完成，影響 了實際的教學效果。

二、應用信息技術解決物理實驗難題的策略

1. 應用影像技術，將實驗中抽象物理知識變得具 體化

許多物理知識比較抽象，比如電流，學生看不到， 若能將這些看不見的電流通過影像技術來模擬，制作 成動畫或VR，就能增強學生的真實感受，增強學習 效果。

例如，教師在進行“滑動變阻器”演示實驗教學 中，滑動變阻器中的電流具有一定的抽象性，學生因 為看不到，在實驗的過程中需要在頭腦中進行想象， 并依據想象的結果，建立與其相對應的模型。這一過 程，對于缺乏想象力的學生來說，存在較大的難度。 教師在具體的實驗教學活動中，就可以充分利用Flash 腳本中的相關函數、影片等，制作出相應的模擬動畫， 并將電流流動過的滑動變阻器設置為紅色。在這一 過程中，學生就可以形象、直觀地感受電流，進而更好 地了解演示實驗。又如，“萬有引力定律”是中學物理 的重點知識，但由于其抽象性，無形之中增加了學生 學習的難度。在國外很早就開始關注虛擬現實技術

在物理學科中的應用，主要表現為物理虛擬實驗。國 內的虛擬現實技術雖然起步較晚，但這幾年越來越受 到重視。國內有學者開發出“三體運動”VR教學軟 件，模擬出“萬有引力定律”章節中的實驗，對“三體運 動”進行直觀的表現，創設一個沉浸式的、交互性的虛 擬教學環境。^[4]

1. 應用投影儀技術，將能見效果差的實驗進行細 節放大處理

在物理教學中，由于一些演示器材形狀較小，如 電動機小模型，刻度尺測量實驗或者有些實驗不能豎 立起來演示，如電場線演示板等，雖然這些實驗簡單 易行，但由于其可見度低，如果在教師在講臺上做實 驗，很多學生由于距離教師比較遠，很難觀察清楚。 這個時候教師可以利用多媒體設備，對實物進行投 影，將演示過程及結果放大處理，使原本只有近觀才 能看清的現象，放大到全體學生都可以看清，使學生 原本覺得抽象的內部結構和抽象的物理概念通過投 影儀的放大變得清晰可見，使實驗教學效果大大 提升。

例如，磁感線的方向可通過小磁針的指向來確 定，那么學生如何能夠清楚地看見空間磁場的方向 呢？這是物理實驗教學的一個難題。課本中的二位 剖面圖對于空間想象力差的學生來說，學習起來尤為 困難。可以通過實驗讓學生感受磁場的方向，往往視 覺效果欠佳。這時候可以通過投影儀將實驗現象放 大，當教師把內含小磁針的白色板子放在投影儀下面 的平板上時，電子白板屏幕上出現小磁針排列出來的 圖像，此時小磁針的指向不規則、不明顯。當教師把 U型磁鐵放在板子上并用拳頭敲擊白色板子時，通過 電子白板屏幕可以很清楚地看到U形磁體周圍小磁 針的指向發生明顯地變化，出現類似課本中磁感線的 一條條曲線，而且有一定的規則。當教師改變U形磁 體的放置后再次敲擊板子，在電子白板屏幕上清晰地 看到小磁針排列方式的改變，但小磁針還是有規則地 指向。通過這樣放大的實驗現象，讓學生更清晰地看 到磁場方向，更好地理解了磁感線及其方向。^[5]

1. 應用視頻暫停技術，將物理實驗現象進行定格 分析

應用信息技術，可以在教師演示物理實驗的過程 中，暫停，慢鏡頭、加速、回放等對視頻加以處理，指導 學生細致地觀察實驗細節，從而發現物理規律。如在 講機械波的成因時，形成機械波的各質點都在做上下 運動，但好多學生在這之前都認為各質點隨波遷移才 能形成機械波。傳統演示實驗在實際操作時由于時 間短而不能觀察清楚，視頻實驗的慢放可以很好地彌 補這一不足。教師借助視頻演示實驗慢放功能，讓學 生觀察系在繩上的紅色物體（代表繩上某一質點）的 運動情況，學生可非常明顯看出紅色物體做上下運 動，與原有經驗產生強烈沖突，激起內心急于要了解 繩波成因的沖動。

1. 應用虛擬平臺技術，將具有危險性或條件要求 高的實驗進行模擬化處理

對于具有危險性或條件要求高的實驗，可以應用 信息技術構建網絡虛擬實驗室，優化實驗教學條件。 網絡虛擬實驗室相對于真實實驗室的優點是，教師和 學生可以根據實驗的需求，利用軟件虛擬平臺選擇相 應的實驗器材及實驗平臺，然后利用這些虛擬器材完 成實驗。在虛擬實驗平臺中，不但可以進行一些真實 實驗中比較危險的實驗，而且對于有些器材在真實實 驗室中不具備的 、比較復雜的實驗，也可以輕松完成 實驗，給學生一個直觀的認識。這樣，可以避免實驗 中存在的危險，保證了實驗教學中學生的安全。如托 里拆利實驗里面的水銀有毒，在實驗過程中，必須十 分小心，但即使操作小心謹慎，往往還是會出現水銀 灑落的事情。如果用實驗虛擬平臺進行模擬，就可以 讓學生觀察到形象逼真的實驗過程，達到了教學預期 目的。虛擬實驗平臺的另一個優勢就是：可以利用虛 擬平臺讓學生虛擬實驗操作，等學生熟悉了實驗操 作，然后再進行真實實驗，這樣就可以避免學生因為 操作不當損壞器材。

參考文獻：

[1]蒿仲余.信息技術在高中物理教學中的運用西部 素質教育 .2019（16）：112-113.

[2]董友生.信息技術與高中物理教學深度融合的策略探 究教育現代化

[3]林莉.大數據背景下高中物理教學的實踐探索當 代教研論叢.2019（5）：8-9.

[4]李昊霖，鄭鋒士，蔡蘇. 虛擬現實技術探究“三體運動” —虛擬現實技術在高中物理萬有引力定律學習中的應用 中小學信息技術教育.2018（10）：74-76.

[5]廖凌宏. 反饋在物理實驗教學中的應用—以“用磁 感線描述磁場”教學片斷為例福建基礎教育研究2017 （4）：117-118.

（責任編輯：周志平） 縱火案。柯南讓三位嫌 疑人說出案發當晚上11點左右他們各自在做什么，三