仿真物理實驗室在高中物理疑難問題教學中的應用

【摘要】仿真物理實驗室是NOBOOK虛擬實驗室系列輔助教學軟件之一.在高中物理疑難問題教學中應用仿真物理實驗室，有利于學生理解疑難問題原理并掌握疑難問題解決方法.本文對高中物理疑難問題分布與疑難問題教學現狀進行分析，基于仿真物理實驗室的應用研究高中物理疑難問題教學策略，指出教師可以通過完善規劃、創新教法、作出鼓勵指導學生應用仿真物理實驗室解決疑難問題.

【關鍵詞】仿真物理實驗室;高中物理;實驗教學

高中物理疑難問題是高中物理理論問題、實踐問題的綜合體現.學生只有具備扎實的物理理論基礎與豐富的實驗學習經驗，才能夠更為全面地分析疑難問題，從而解答疑難問題.但是，受時間因素、空間因素及其他現實因素制約，教師無法在高中物理課堂教學中組織學生進行實驗，導致學生對部分物理疑難知識、復雜實驗一知半解，繼而影響了學生解決高中物理疑難問題能力的發展.仿真物理實驗室打破了現實因素對物理實驗教學的制約，滿足學生設計實驗、參與實驗等學習需求，有利于提高學生的物理認知水平與物理探究能力，從而夯實學生解答高中物理疑難問題的能力基礎.為此，高中物理教師有必要研究仿真物理實驗室在高中物理疑難問題教學中的應用策略，為提高教學效果提供研究支持.

1 完整規劃，培養“仿真物理實驗室”邏輯學習思維

仿真物理實驗室軟件自帶文檔說明，且內部自帶應用實例，滿足學生自主觀看、自主實驗的學習要求.但這并不意味著教師可以完全“放手”，讓學生自行進行虛擬仿真實驗.實際教學中，教師應當先分析疑難問題的教學要點，明確解題要點后關聯相應物理實驗，并基于仿真物理實驗室的應用規劃實驗問題提出、實驗方案設計、實驗操作等實驗環節，確保學生完整經歷物理實驗過程，積累更多物理分析、物理探究等經驗，從根本上提高學生分析、解決物理疑難問題的思維水平.

例如 以人教版高一物理必修第一冊“勻變速直線運動的研究”一章教學為例，有難題如下：物體A，B同時從同一地點沿同一方向運動，A以10m/s的速度勻速前進，B以2m/s2的加速度從靜止開始做勻加速直線運動，求A，B再次相遇前兩物體間的最大距離.針對這一難題進行分析，發現：這一問題的疑難之處在于過于抽象，且涉及瞬時性問題.基于此，教師可以關聯相應的物理實驗，并設計應用仿真物理實驗室的計劃：打開仿真物理實驗室建構實驗情境，指導學生建構仿真實驗的基本模型；組織學生基于問題合理設計仿真物理實驗室的參數，并做好初始值的調試；組織學生使用仿真物理實驗室的輸出程序，將抽象的問題以直觀圖像的形式輸出；組織學生觀察實驗結果并討論，結合實驗呈現的內容構建物理模型，得到答案：A，B再次相遇前兩物體的最大距離是25m.

上述案例，教師基于具體難題規劃仿真物理實驗室應用方案，為學生應用該軟件將抽象難題轉化為直觀難題提供學習指導，使學生在按照指導方案解決疑難問題的過程中形成邏輯性的學習思維.

2 創新方法，提高“仿真物理實驗室”難題教學質量

仿真物理實驗室的應用講究方式方法.如果教師仍然采用傳統的理論推演講授法為學生講解相關內容，無疑會打消學生對疑難問題的學習積極性.在應用仿真物理實驗室為學生講解疑難問題，培養學生解題能力時，教師要盡可能多地將啟發性的、探究性的教學方法應用到教學過程當中.通過演繹、探究、練習等教學方式為學生提供更多的物理探究機會，確保學生在應用仿真物理實驗室時明確物理解題原理，形成物理疑難問題解題經驗.

2.1 應用“仿真物理實驗室”演繹問題，加深直觀認識

仿真技術是仿真物理實驗室的關鍵技術，可以用于構建直觀、可視的虛擬實驗環境，滿足學習者完成實驗操作、觀察實驗現象、分析實驗結果的學習需求.對于部分學生而言，高中物理疑難問題抽象性過強，不利于其理解.為此，教師可以將演繹教學法應用到疑難問題教學過程中，應用仿真物理實驗室為學生演繹疑難問題中涉及的物理實驗，通過直觀呈現實驗操作過程、實驗現象，加深學生對相關內容的直觀認識，使學生基于直觀的、生動的虛擬實驗場景解決物理疑難問題.

例如 以人教版高一物理必修第二冊“拋體運動”一課的疑難問題教學為例，有疑難問題：飛機距離地面高度500m，水平飛行速度v1=100m/s，追擊前面一輛速度為v2=20m/s同向行駛的汽車.欲使飛機拋下的重物落在汽車上，飛機應在距離汽車水平距離多遠處拋下物體（g取10m/s2）？該問題的疑難之處在于拋體運動軌跡方程的建立.部分學生對拋體運動的合成、分解等知識理解程度不夠，難以在規定的時間內有效分析問題中飛機飛行高度、飛機與汽車速度等物理量，并抽象拋體方程.為此，教師可以使用演繹教學法，使用仿真物理實驗室為學生建構飛機拋物運動的仿真實驗.此實驗中，教師可以反復調整參數，并組織學生對比不同參數下實驗情況的區別，使學生在直觀觀察過程中明確做拋體運動物體的一般運動軌跡.同時，教師可以在演繹過程中應用拋體運動的相關理論解釋、解決問題.此問題為典型的拋體運動問題，其下落時間取決于豎直高度.由H=1/2gt2得：t=2H/g=2×500/10s=10s.假設距汽車水平距離為s處飛機拋擲物體，則有s=（v1－v2）t=（100－20）m/s×10s=800m.

上述案例，教師采取演繹教學手段應用仿真物理實驗室為學生直觀演繹疑難問題，使學生在直接觀察、分析的過程中明確問題解決原理，從而加深學生對問題答案的直觀認識.

2.2 利用“仿真物理實驗室”互動推演，發展科學思維

培養高中學生的科學思維，可以使其學會從物理學視角出發探究問題的本質屬性與內在規律，使學生掌握解決疑難問題的技巧.培養學生的科學思維，要為學生營造寬松的學習氛圍，同時給予學生更多猜想、推理的學習機會.教師在應用仿真物理實驗室針對疑難問題進行教學時，可以應用探究教學法圍繞具體問題與學生互動推演，在“教師提問→學生解答”“學生質疑→教師釋疑”的過程中逐步加深學生對物理實驗原理、物理實驗內容、疑難問題原理的認識，提高其疑難問題解決水平.

例如 以人教版高一物理必修第二冊“圓周運動”一課的疑難問題教學為例，有難題如下：高速公路拐彎處，路面外高內低.在某路段車向左轉彎，司機左側路面比右側路面低一些.車的運動可看做半徑為R的圓周運動，內外路面高度差為h，路基水平寬度為d，已知重力加速度為g，要使車輪與路面之間的徑向摩擦力等于零，汽車轉彎時的車速應為多少？圍繞此難題，教師可以提問：該問題是什么類型的問題？我們可以利用仿真物理實驗室組織什么樣的實驗？通過提問驅動學生深度思考，使其主動嘗試設計虛擬實驗項目.這時，學生可能也產生疑問，如：汽車恰好不向外滑動和恰好不向內滑動的臨界條件是什么？給出的長度有什么用？學生提出問題后，教師可結合問題特征及圓周運動的相關原理為學生解疑釋難，組織學生使用仿真物理實驗室構建圓周運動模型，組織學生根據實驗模型觀察圓周運動的特點及車的運動軌跡，明確重力、向心力等概念.在此基礎上，教師再與學生討論：根據這一實驗現象，你有怎樣的思路解決這一問題？由此問題驅動學生構建車、路的受力模型圖，聯系數學知識得到tanθ=h/d，根據牛頓第二定律mgtanθ=mv2/R，聯立方程解答問題，得到汽車轉彎時的車速v=gRh/d.在學生應用仿真物理實驗室進行虛擬實驗，解答物理問題后，教師還可以組織總結活動，讓學生以小組為單位合作總結利用仿真物理實驗室解答圓周運動難題的方法與技巧，進一步強化學生對物理實驗原理、物理實驗方法以及疑難問題解題思路的記憶，提升學生的綜合能力.

上述案例，教師先圍繞疑難問題與學生進行互動，激活學生的實驗思維；再圍繞學生解題結果組織學生總結，強化學生的建構意識，使學生在討論中發現解題方法，總結解題經驗，提升解題能力.

3 作出鼓勵，升華“仿真物理實驗室”難題學習情感

適當給予學生鼓勵、嘉獎，可以增加學生的物理疑難問題學習成就感，使其主動嘗試多種方法克服疑難問題學習困難.應用仿真物理實驗室進行物理疑難問題教學工作時，教師應當時刻關注學生的學習過程，并根據學生的學習基本情況對學生在仿真實驗學習過程中的行為表現做出鼓勵評價，讓學生體會到教師的肯定與關心，從而為其樹立解決疑難問題的信心.接著，教師再在鼓勵評價中滲透疑難問題的解答思路，讓學生基于鼓勵語言進行仿真實驗并探索疑難問題原理，使其成功解決疑難問題，同時升華學生堅持不懈、勇于探索的疑難問題學習情感.

例如 以高二物理選擇性必修第一冊“多普勒效應”一課的疑難問題教學為例，有難題如下：一機車汽笛頻率為650Hz，機車以v0=15m/s的速度向觀察者駛來，設空氣中的聲速是v=340m/s，觀察者聽到的聲音頻率為多少？教師可以圍繞此難題組織學生應用仿真物理實驗室模擬問題現象，并在學生實驗時給予恰當鼓勵.比如，教師可以表揚學生反復調試初始值的做法，養成其良好的虛擬實驗習慣.教師可以表揚學生調整參數改變實驗狀態的做法，養成學生控制變量觀測實驗的學習習慣等.在此期間，教師用鼓勵的語言表揚學生，指導學生利用虛擬實驗觀測完整波形的個數發生的變化，從而感受到頻率變化，久而久之培養學生應用仿真物理實驗室解決此類難題的信心.這樣，學生能夠在教師的鼓勵下分析實驗現象，建構實驗模型，推理問題結果：觀察者聽到的聲音頻率為f′=v/v－v0.f=340/340－15×650=680（Hz），推理問題結論：觀察者聽到的聲音頻率變大，音調變高.

上述案例，教師在學生應用仿真物理實驗室分析、解決物理疑難問題的過程中及時給予積極評價，使學生在積極評價下樹立攻克難題的信心，從而順利解決疑難問題并養成應用仿真物理實驗室分析疑難問題的良好學習習慣.

4 結語

綜上所述，高中物理疑難問題在力學、熱學、電學、光學中均有分布.解決不同類型疑難問題所依據的物理理論知識并不完全相同，但解決此類型問題所需要的物理綜合能力大體相同.應用仿真物理實驗室時，教師應抓住疑難問題的教學本質，注重在仿真實驗教學中發展學生的物理觀念、科學思維、科學探究能力，培養學生的科學態度，使其具備攻克物理疑難問題的核心素養.為此，教師應當做好仿真物理實驗室的應用設計工作，并積極將演繹教學法、探究教學法等教學方法以及鼓勵評價語言用于仿真物理實驗教學當中，確保學生在主動參與教學活動時理解物理原理，掌握物理關鍵知識，形成解決疑難問題的良好能力.

【本文是甘肅省教育科學“十四五”規劃的一般課題，課題名稱：教育信息化背景下數字仿真實驗在高中物理教學中的實踐與研究，課題編號GS【2022】GHB0817】

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