仿真實驗在高中物理實驗中的作用研究

李煥鵬 孫福玉 曹萬蒼

摘 要：物理是以實驗為基礎的一門學科，仿真實驗可以更直觀、具體、形象地把實驗過程和結果展示給學生。仿真實驗是物理實驗的補充和完善，它并不是要取代傳統物理實驗，它可以打破時間、空間的限制從而更加高效地促進教學的進行。通過這種方式可以提高學生學習物理的興趣，幫助學生建構物理模型提升學生的物理核心素養。本文結合高中物理教學實踐，對比物理實驗的不足結合教學實例對仿真實驗進行研究。探討如何更好地提升高中學生學科素養。

關鍵詞：物理實驗;仿真實驗;高中物理;核心素養

中圖分類號：G633.7 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1673-260X（2021）12-0109-03

物理實驗在物理教學過程中起著重要作用，通過物理實驗幫助學生建構物理模型。由于傳統實驗受空間和時間因素的制約，仿真實驗的優勢正好可以彌補這些缺點。通過這樣一種全新的方式，將課上枯燥乏味的物理現象通過仿真展現出來可以激發學生學習的積極性，提升高中物理教學的質量和效率。

1 傳統物理實驗在高中課堂的現狀

1.1 物理實驗的難度較大

物理學是以實驗為基礎的一門科學，《普通高中物理課程標準》明確了物理實驗在高中課堂教學中的地位的重要性。新課程標準將科學探究和物理實驗能力放在首要的位置[1]。由于初中物理實驗現象簡單、直觀、清晰，學生易于理解。初中物理階段只是培養學生學習物理興趣，初中生對物理實驗的認知是感性認識，分析問題也是簡單的定性分析。但是高中階段的物理實驗往往比較抽象復雜，還有一些定量計算和數據處理，有時出現誤差使得實驗得到的結果有較大的出入。

1.2 物理實驗沒有受到學校的重視

但是由于現實原因學校要參考學生考試成績，很多學校并不注重物理實驗，更有甚者學校不開設物理實驗。這就導致了很多老師通過課堂講解實驗原理，嚴重阻礙了學生知識生成性的過程，失去了物理學科探究學習的靈魂。處于高中階段的學生抽象思維不強，必須借助于具體、形象的實驗現象幫助學生搭建抽象思維的橋梁[2]。

1.3 物理實驗在教學上不受重視

在平時教學過程中，很多教師也缺乏對實驗的重視，覺得物理實驗浪費時間，學生對物理實驗有強烈的好奇心，由于學生有活潑好動的特點，不易于管理。學生若不遵守實驗規定有可能出現安全事故，物理實驗室也是應付檢查時才啟用。老師并沒有意識到物理實驗的重要性。因為老師覺得物理實驗占用大量課上時間，因此選擇課上講解，做習題輔助理解。對于抽象的物理實驗，老師選擇播放實驗視頻以代替學生動手實驗，使得物理課堂學習枯燥乏味[3]。有一些老師也讓學生做實驗，但是只是讓學生按要求一步步操作，不給學生做原理講解。

綜上所述，在長期應試教育大環境的影響下，學校、教師和學生都選擇了只關注考試內容，在升學壓力面前選擇了妥協，使得物理教學方式偏離了原軌道。

2 仿真實驗在高中物理教學的優勢

21世紀電子信息技術的快速發展給教育教學的發展帶來了機遇，教育信息化也成為人們關注的熱點之一。2018年頒布的《普通高中課程標準》[4]提出，積極探索信息技術與物理教學的融合，開發與利用多媒體來拓展物理教學與學習的途徑。

首先，保證絕大部分學生接觸實驗。在以往的物理實驗有時出現器材短缺導致實驗無法進行。仿真實驗恰好打破這種限制，仿真實驗保證了絕大多數學生都能參與整個實驗過程。第二，滿足學生的學習需求。例如，仿真軟件NOBOOK可以對高中物理實驗進行仿真，通過手機、平板、電腦實現且仿真界面生動形象。通過實驗仿真培養了學生的學習樂趣，使得學生學習有積極性。第三，仿真實驗將肉眼看不見的物理現象通過動畫表現出來，比實驗還要形象具體。例如，磁感線、電場線、等勢面、電流等，動畫將枯燥的實驗變得生動利于學生物理模型建立和抽象思維的形成[5]。仿真實驗也避免了危險事故的發生，更具有安全性。第四，不受空間的限制。例如打點計時器測瞬時速度實驗，把打點計時器搬到教師進行實驗比較麻煩，實驗步驟也十分煩瑣。實驗結束后還要測量紙帶等等。通過實驗仿真快速搭建物理器材，實驗結束后系統自動顯示紙帶相鄰點距離，這既節省了時間也減小了人工測量紙帶的誤差。根據實驗數據還可以繪制v-t圖像進行分析。

實驗內容豐富并且形象，以NOBOOK物理實驗的力學部分為例，力與運動提供了運動對象，輕繩、輕桿、彈簧、導軌、電荷等實驗器材;各種場如重力場、電場、磁場、萬有引力等實驗環境。支持任意搭建實驗場景，不但能夠完成一些常規的實驗如自由落體運動、平拋運動、驗證機械能守恒、驗證動量守恒實驗，單擺、牛頓擺到彈簧振子實驗，而且能夠完成一些實驗室不好完成的實驗。如帶電粒子在電場中的加速與偏轉實驗，帶電粒子在磁場中的圓周運動、粒子加速器、粒子速度選擇器模型等，還有地球人造衛星、太陽系的運行等，既涵蓋了傳統實驗內容，又可以做傳統實驗不能實現的內容。

3 仿真實驗在高中物理課堂應用

3.1 斜面物體的受力分析

仿真實驗可以輔助高中物理實驗教學，學生利用仿真實驗使學習效率提高。如圖1所示，對小球進行受力分析，應用物理仿真軟件NOBOOK進行仿真。在物理學習過程中對于剛剛接觸受力分析的高一學生來說，解題困難點比較多。初中階段的受力分析只接觸過受力方向只在一條直線上的二力平衡的問題。從初中跨越到高中對于矢量概念理解不到位，僅依靠自己的經驗和感性認識進行受力分析，對于物體受到幾個力才能保持平衡狀態的判斷比較模糊。在此階段正是建立物理模型的關鍵時機，因此仿真實驗利于學生對物理模型的建立和抽象思維的形成。根據仿真軟件NOBOOK可以清晰地看出彈力方向以及大小，通過改變擋板的角度可以看到擋板對小球彈力的方向發生了變化，大小也發生了變化。由此形象地看出彈力是垂直于接觸面的，這樣的動畫可以形象的模擬真實的受力。因傳統實驗是看不出彈力、重力方向和大小，所以這種仿真易于學生理解接受。

3.2 自由落體運動的仿真應用

以勻加速直線運動為例，進入高中階段的物理學習，先學習了機械運動的概念。初中只學習了勻速直線運動，進入高中后很多學生不理解勻加速直線運動過程。例如，一個物體以初速度v=10m/s，加速度為a=5m/s2勻加速運動，等到速度為0m/s時，反向勻加速直線運動，問什么時刻速度為0m/s，5s末位移是多少？對于這種學生對運動過程十分清晰的問題，可以直接套用公式求解出答案。但是對剛進入高中學習的學生還是沿用初中物理解決問題的方式，學生不理解過程直接套用物理公式的方法，用初中學習物理的方法去學習高中物理是行不通的。但是，根據高中物理實驗仿真工具可以模擬整個過程，而且還可以繪制出此過程的v-t圖像，根據圖像可以觀察圖像面積，斜率等信息描述運動過程中的位移和加速的信息。

下面結合著虛擬物理仿真軟件對物體的自由落體進行分析。若取重力加速度g=9.8m/s2，首先進行新課導入，亞里士多德觀點認為物體越重的物體下降越快，例如石頭和棉花在相同高度同時釋放，實驗結果是石頭先落地。此時老師可以用演示實驗給學生展示紙和粉筆看看哪個先落地，然后老師提出假設認為因為粉筆比紙重因此先落地。通過測量粉筆的質量為5g紙張和質量為3g，將紙和粉筆固定在一起后對比5g的粉筆。經過試驗發現5g粉筆先落地了這一點和亞里士多德的想法正好是矛盾的，伽利略推翻了亞里士多德觀點。他認為兩物體在做自由落體的時候應該是同時落地的，此時同學們產生了疑惑。因為現實條件找不出實例，老師可以用兩張A4紙，一張紙捏成紙團另一張紙對折。兩物體在相同高度靜止釋放，發現紙團先落地。細心的同學發現對折的紙“飄來飄去”由此有的同學可以想到是空氣阻力的影響作用。然后正好也是伽利略的觀點，實驗如果要驗證必須需要一個真空環境，這時候可以用NOBOOK仿真實驗加以驗證。

在仿真實驗中加入空氣阻力的影響，選擇相同體積不同質量的物體。先進行第一組實驗m=0.6kg記錄落地時間t1，接下來進行第二組實驗m=0.06kg記錄物理落地時間t2發現質量大的先落地正好與得到的結論相同。在進行忽略空氣阻力的實驗發現兩物理落地時間t1=t2，由此驗證自由落體落地時間與質量大小無關。物體做自由落體時，通過位移傳感器，傳感器接收端固定不動，發射端做自由落體運動，由此記錄時間和位移。實驗仿真有DIS（數字系統），通過DIS可以繪制出物體運動的v-t圖像、x-t圖像、a-t圖像。

當位移傳感器以速度大小v0彈射，v0大于0m/s根據DIS顯示其運動信息，此時物體初速度、末速度、加速度、位移都有準確的量化。學生也可以根據表格自己計算結果，當然實驗也會存在誤差，例如有時候做仿真實驗其加速度大小為10.12m/s2的情況。這是由于實驗中傳感器未調零原因導致，這就要求學生要養成認真嚴謹的科學態度。當物體落地后物體會反彈一定的高度，根據圖像也可以理解，如圖2所示。物體落地觸底反彈是一個豎直上拋的過程，由此可以拓展到豎直上拋運動。豎直上拋的位移大小與下落大小相等，根據圖2可知s2=s3、s4=s5。并且圖像也是對稱的，其斜率的物理意義是加速度g=9.8m/s2是恒定不變的。在仿真實驗中有運動過程，也有運動圖像的數據分析，這些對于學生的學習理解具有促進作用。

3.3 帶點粒子在磁場中的應用

帶電粒子在磁場中的應用中粒子運動過程較為復雜，很多學校對于演示實驗洛倫茲力演示儀沒有展示實驗過程。磁場這一節運動形式較為抽象，以質譜儀為例粒子先進入勻強電場對粒子進行加速，加速完成后垂直射入勻強磁場，帶電粒子在洛倫茲力的作用下做勻速圓周運動進行偏轉。通過測量粒子打在照相底片不同的地方，會形成若干譜線狀細線。粒子做圓周運動的半徑R，就可以求出粒子的比荷q/m，如果再已知帶電粒子的電荷量q，就可計算出粒子的質量m，從而區分同位素。此時可以根據仿真實驗測量出粒子的質量。在實驗中通過對比三個質量不同的粒子可以看出粒子運動的快慢，運動慢的加速度小質量大。粒子在電場運動過程中可以看到粒子運動的速度逐漸變大，進入磁場速度不發生變化。速度大小都是實時顯示的，根據運動過程可以清晰看出質量小的運動快的先打在距離入射點近一點的地方，質量大的速度小的距離遠一些。在運動過程中可以看粒子速度方向和向心力方向是紅色運行軌跡的一點上有兩條垂直的白線，一條是運行方向一條是向心力方向。

4 總結

將物理仿真實驗應用于高中物理課堂教學有利于提升學生探索物理的興趣，極大地調動學生探索物理知識的積極性。仿真實驗操作過程省時、高效，仿真實驗是對物理實驗的補充，它彌補了傳統物理實驗的短板，且不受環境以及實驗儀器影響，在一些抽象實驗或者實驗效果并不明顯的實驗中具有一定的優勢。但是仿真實驗僅僅是物理實驗的補充，仿真實驗不能取代物理實驗。物理實驗在進行過程中因人為原因和外部因素影響具有較大誤差，仿真實驗是理想狀態下的實驗。作為物理實驗的補充，仿真實驗具體形象的特點對于老師提升物理教學水平、教學效率、提升學生核心素養具有重要的作用。高中物理教師應深入研究仿真實驗，擁抱21世紀電子信息技術的機遇，發揮仿真實驗的優勢，促進物理教學能力的提升[5]。

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參考文獻：

〔1〕辛明潔.高中物理演示實驗現狀調查和改進措施[D].河南師范大學，2017.

〔2〕周朝敏.新課程理念下高中物理抽象思維能力培養研究[D].東北師范大學，2010.

〔3〕劉勇博.高中物理實驗教學的現狀及對策[J].學周刊，2021，15（02）：35-36.

〔4〕中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準[M].北京：人民教育出版社，2018.

〔5〕施正華.仿真實驗在高中物理實驗教學中的應用研究[J].成才之路，2019，21（14）：62.