仿真實(shí)驗(yàn)在初中物理線上教學(xué)實(shí)踐中的應(yīng)用

鄭炳文

【摘要】物理學(xué)科是一門建立在觀察和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的自然學(xué)科，實(shí)驗(yàn)教學(xué)在物理教學(xué)中是一個(gè)必不可少的重要環(huán)節(jié)。但在新冠施虐，至今仍不時(shí)有地區(qū)需線上教學(xué)的情況下，線上物理教學(xué)實(shí)驗(yàn)演示常常缺乏設(shè)備和手段。筆者在 2020 年初有使用仿真實(shí)驗(yàn)軟件線上教學(xué)的經(jīng)驗(yàn)，在此與大家分享。

【關(guān)鍵詞】物理仿真實(shí)驗(yàn);線上教學(xué);應(yīng)用

物理是一門建立在觀察和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的自然學(xué)科，在正常教學(xué)環(huán)境中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是一個(gè)必不可少的重要環(huán)節(jié)，不僅要老師演示，還需要學(xué)生親自動(dòng)手觀察、感受。

2020 年初的線上教學(xué)期間，筆者作為一名初中物理教師，在進(jìn)行重要的物理八下力學(xué)內(nèi)容教學(xué)時(shí)，一度缺乏演示力學(xué)實(shí)驗(yàn)所需的設(shè)備和手段。后來，筆者想起了仿真實(shí)驗(yàn)軟件。經(jīng)過那段時(shí)間線上教學(xué)及仿真實(shí)驗(yàn)軟件應(yīng)用的實(shí)踐，摸索并總結(jié)了一些“仿真實(shí)驗(yàn)軟件”的使用經(jīng)驗(yàn)。

時(shí)至今日，疫情仍有反復(fù)，不時(shí)有地區(qū)需線上教學(xué)，為解受疫情影響師生在線物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的燃眉之急，特將自己的一點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)拋磚引玉，與大家分享。

一、軟硬件選擇

（一）硬件選擇：傳統(tǒng)筆記本或臺(tái)式電腦。傳統(tǒng)筆記本或臺(tái)式電腦的通用接口多，拓展能力強(qiáng)，軟件功能豐富，可多個(gè)軟件后臺(tái)并行運(yùn)作，且切換方便。相比之下，手機(jī)、平板只是便攜性好，在線上教學(xué)方面優(yōu)勢不大。因此，在線上教學(xué)使用中，筆者還是推薦老師們首選傳統(tǒng)電腦。

（二）仿真實(shí)驗(yàn)軟件：從教以來筆者陸續(xù)接觸過一些仿真實(shí)驗(yàn)軟件，但現(xiàn)在翻出來，要么年代久遠(yuǎn)系統(tǒng)不兼容，要么功能不全、效果不理想。經(jīng)過一番搜尋比較，我發(fā)現(xiàn)了一款名叫“仿真物理實(shí)驗(yàn)室”的仿真軟件，該軟件有跨系統(tǒng)、跨平臺(tái)版本，既方便老師電腦演示，也適合學(xué)生在電腦、平板、手機(jī)等不同平臺(tái)親自操作。本文便以該軟件進(jìn)行介紹。

二、仿真實(shí)驗(yàn)軟件功能

打開軟件，顯示的界面下方有“經(jīng)典實(shí)驗(yàn)”及“DIY 實(shí)驗(yàn)”兩項(xiàng)，默認(rèn)為經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，即顯示初中物理各章內(nèi)容;“DIY 實(shí)驗(yàn)”是沙盒模式，可以讓使用者把所有實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)過的器材自由組裝、試驗(yàn)。

仿真實(shí)驗(yàn)的“仿真”是要求軟件能盡可能模擬真實(shí)物件的表現(xiàn)，而不是像課件一樣機(jī)械僵硬地一步步呈現(xiàn)結(jié)果。例如在該仿真實(shí)驗(yàn)軟件中，用鼠標(biāo)按住“彈簧測力計(jì)”不放，并順著測力計(jì)方向快速拖動(dòng)，測力計(jì)“指針”會(huì)和現(xiàn)實(shí)中的彈簧測力計(jì)一樣，快速跳動(dòng)，在仿真力學(xué)實(shí)驗(yàn)里，這個(gè)彈簧效果正是所需的。

以物理八下第八章《測量滑動(dòng)摩擦力》為例，以下是案例流程。

案例流程：

①教師用仿真軟件演示回顧《二力平衡》及《影響滑動(dòng)摩擦力的因素》內(nèi)容。

②課件展示《測量滑動(dòng)摩擦力》實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

③教師用仿真軟件演示，讓軟件以 1 倍速、2 倍速自動(dòng)拉動(dòng)彈簧測力計(jì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，學(xué)生記下彈簧測力計(jì)對(duì)應(yīng)數(shù)值。教師翻轉(zhuǎn)木塊重復(fù)演示，讓學(xué)生記下彈簧測力計(jì)數(shù)值，總結(jié)。

④提問：“通過前面學(xué)習(xí)我們知道，木塊處于平衡狀態(tài)時(shí)受力平衡，彈簧測力計(jì)顯示的對(duì)木塊的拉力大小等于木塊所受滑動(dòng)摩擦力大小。但我們手動(dòng)操作時(shí)，真的能做到勻速直線運(yùn)動(dòng)嗎？”接著示范直接拖動(dòng)彈簧測力計(jì)水平向右盡量勻速運(yùn)動(dòng)，但測力計(jì)指針來回跳動(dòng)不能穩(wěn)定顯示，這個(gè)操作可以讓學(xué)生自己嘗試體驗(yàn)。然后引導(dǎo)學(xué)生思考：我們實(shí)際上有辦法做到像軟件演示的長時(shí)間保持“1 倍速”、“2 倍速”的效果嗎？

這里很多學(xué)生會(huì)走入“電腦軟件都是理想化，實(shí)際中做不到”的誤區(qū)，都回答做不到。 老師揭示：其實(shí)有辦法，例如，用電動(dòng)機(jī)代替手拉，可以做到勻速直線運(yùn)動(dòng)。

⑤老師繼續(xù)引導(dǎo)：還有一種情況，如果讓彈簧測力計(jì)拉動(dòng)木塊保持勻速直線運(yùn)動(dòng)不容易做到，我們還可以想想，平衡狀態(tài)除了勻速直線運(yùn)動(dòng)，還有靜止?fàn)顟B(tài)，靜止在實(shí)際中很普遍，容易做到，當(dāng)然，我們要測量的是滑動(dòng)摩擦力，不是靜摩擦力，結(jié)合這兩點(diǎn)，那么有沒有辦法做到木塊靜止，但是接觸面在滑動(dòng)呢？

有學(xué)生想到：固定彈簧測力計(jì)拉著木塊保持不動(dòng)，拉著木塊下面的長木條運(yùn)動(dòng)，長木條運(yùn)動(dòng)不均勻不影響滑動(dòng)摩擦力大小，也不影響木塊保持靜止?fàn)顟B(tài)。

⑥學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，老師演示，學(xué)生課后交流體驗(yàn)。

三、仿真實(shí)驗(yàn)軟件在物理線上教學(xué)中使用的優(yōu)缺點(diǎn)

1.實(shí)踐中感受到仿真軟件的優(yōu)點(diǎn)：在線上教學(xué)具體實(shí)施過程中，仿真實(shí)驗(yàn)軟件確實(shí)能起到幫助學(xué)生觀察和動(dòng)手實(shí)驗(yàn)的重要作用，并且在線上教學(xué)中優(yōu)勢顯著：

①老師仿真演示比單純播放視頻效果好，且隨時(shí)可以更換實(shí)驗(yàn)儀器、物品，自由度高;

②仿真軟件不需要學(xué)生到處找實(shí)驗(yàn)器材、實(shí)驗(yàn)場地，仿真實(shí)驗(yàn)操作簡便，女生也能在仿真環(huán)境中輕松推拉實(shí)際中笨重的器材如長木板等，且自帶作圖工具，可以隨時(shí)作圖分析，直觀方便;

③每個(gè)學(xué)生都可通過屏幕近距離觀看，甚至根據(jù)自己需要縮放畫面，比在課堂演示的效果好：在教室投影儀上操作，不同學(xué)生遠(yuǎn)近正側(cè)觀感都不同，且有些實(shí)驗(yàn)還不方便投影操作，例如凸透鏡成像規(guī)律;

④現(xiàn)在電子產(chǎn)品非常普及，學(xué)生線上教學(xué)期間也必須手中一套電子產(chǎn)品，課后都可以方便模擬，進(jìn)行探索嘗試;

⑤學(xué)生使用仿真實(shí)驗(yàn)可以避免接觸實(shí)驗(yàn)中一些危險(xiǎn)物品，如托里拆利實(shí)驗(yàn)中的水銀，也不會(huì)在操作不熟練的情況下?lián)p壞儀器物品等等。

2.仿真實(shí)驗(yàn)軟件的不足：仿真實(shí)驗(yàn)在線上教學(xué)中確實(shí)具有相當(dāng)明顯的優(yōu)勢，但畢竟只是“仿”，存在一些天生的“瑕疵”。仿真實(shí)驗(yàn)的儀器一般都比較理想，例如彈簧測力計(jì)不會(huì)“卡殼”，不會(huì)出現(xiàn) 實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程中的各種“意外”或“干擾”等突發(fā)情況，不利于培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際應(yīng)變能力，更不利于培養(yǎng)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器、工具、設(shè)計(jì)、過程的反思、改進(jìn)和創(chuàng)新能力。

四、仿真實(shí)驗(yàn)軟件在物理線上教學(xué)實(shí)踐中的總結(jié)與展望

綜上所述，我認(rèn)為仿真實(shí)驗(yàn)軟件作為教學(xué)輔助非常適合在線上物理教學(xué)中使用，且以此類推，其他仿真實(shí)驗(yàn)軟件在其他學(xué)段、學(xué)科的線上教學(xué)中也同樣適用。即使現(xiàn)在大部分地區(qū)都回歸課堂教學(xué)，仿真實(shí)驗(yàn)軟件也可作為學(xué)生課后學(xué)習(xí)的補(bǔ)充手段，讓學(xué)生在家里也能預(yù)習(xí)、熟悉操作流程，提高課堂實(shí)驗(yàn)操作效率和成功率，以及進(jìn)行知識(shí)鞏固和能力提升。

2003 年的 SARS 帶來了購物變革，20 年的疫情逼出了“全民線上教學(xué)”，線上教學(xué)方式方法、相關(guān)軟硬件技術(shù)因此迅速成熟。隨著各種仿真實(shí)驗(yàn)軟件技術(shù)不斷更新完善，大家重視程度不斷提高，效果越“仿”越“真”，缺點(diǎn)也將越來越少，有可能在將來成為物理教 學(xué)中重要輔助手段。

（責(zé)任編輯：黃潔梅）

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