信息技術模擬理想實驗在高中物理教學中的應用

史海龍

【摘要】相對而言，高中物理學科的知識點較為復雜且深入，對學生物理思維能力、物理創新能力，抽象思維理解能力等要求較高.而物理作為一門理論與實踐結合度較高的學科，要求教師在教學過程中積極引入各類物理實驗教學，以培養學生的動手、動腦探究能力.在物理學科實驗中，存在諸多理想性實驗，此類實驗難以在現實生活中完成實驗操作.而如今，在信息技術的不斷發展下，理想實驗可以通過信息技術完美達成.本文以高中物理力學知識為例，探索應用信息技術模擬理想實驗在物理教學中的現實應用.

【關鍵詞】信息技術；高中物理；實驗教學

在信息技術發展與演變的過程中，諸多技術人才共同打造了功能多樣的互聯網技術平臺，利用虛擬現實技術能夠簡單完成諸多在現實生活中難以完成的事件.而在新課程標準的大力推動下，我國教育部門更是提出了將信息技術全面引入教學工作中的要求，致力于為學生打造信息化、智能化的課堂.將信息技術應用于高中物理教學時，可以培養學生的抽象思維能力，使各類復雜、難懂或深奧的物理知識，以更直觀的狀態展現在學生面前，這一特征與新課標提出的高中物理實驗教學中的理想實驗需求高度相符.善用信息技術，可以將無法真實演示的理想實驗，在各類虛擬實驗室或線上實驗平臺中加以展示，學生可以直觀感受理想實驗原理及結論，能為學生帶來更加真實的實驗體驗，便于學生理解知識點.因此，應用高交互性、高仿真性的信息技術平臺模擬物理理想實驗，儼然成為物理實驗教學的未來發展趨勢之一.

1 高中物理理想實驗的概念

《認知與謬誤》（恩斯特·馬赫）一書，為“理想實驗”賦予了明確界定，理想實驗通常指在現實生活中并不存在，主要依托于想象力以及高理智水平的有形實驗以外的實驗.理想實驗是無法在現實生活中做到，或以當前的科技水平無法達成的實驗，在物理學界，普遍被認定為一種理論性的研究方法.

1.1 理想實驗的特點

物理是一門通過實驗不斷論證猜想與假說的科學學科，在真實的實驗過程中，多數物理學家會分析實驗現象，再得出準確的實驗結論，用以驗證此前的猜想.但在實驗中，往往會存在一些現實生活中無法避免的誤差或各類客觀因素導致實驗結果不準確的現象.而理想實驗是物理學家通過想象，在理想環境下對物理理論、假說進行深入分析，在猜想或假說中，利用邏輯完成猜想論證的過程.從某種程度上來說，理想實驗能夠極大簡化實驗論證、猜想的流程，也可以避免在現實實驗中產生的各類問題或誤差.

理想實驗的核心特點主要表現為以下三點：（1）理想實驗是在思想主導的理想條件下開展的實驗，理論上不存在實驗誤差；（2）在縝密的邏輯體系下，理想實驗有存在于現實世界中的可能；（3）理想實驗條件清晰，其主要影響因素分明，易于尋找物理規律.

1.2 理想實驗的主要作用

作為物理學科理論研究的主要途徑之一，理想實驗在物理科學探究中有著不可取代的重要價值.理想實驗可以為各類直接建立的物理理論提供邏輯依據.例如，伽利略的慣性實驗，便成了牛頓第一定律的理論依據.其次，理想實驗可以在一定程度上打破物理學界原有的錯誤理論或固化思維.新穎的觀點或假設是科學發展的必經之路，在不斷提出理論、驗證理論、推翻和重構理論的過程中，才能實現科技及人類文明的發展與進步.因此，理想實驗是物理學科及人類科技文明發展的基礎，是物理實驗探究與哲學思想的高度統一.在思考、實驗的過程中，人們便能漸漸接近真相，以揭示事物的本質.

2 信息技術模擬物理理想實驗的優勢

在信息技術的幫助之下，教師可以創建線上仿真物理實驗平臺，此類仿真實驗平臺不受時間、空間限制，能夠讓學生隨時隨地開展各類物理實驗項目，且仿真模擬實驗能夠通過調整數據參數，呈現在生活中難以達到的物理現象及實驗情境，可以進一步提高物理實驗整體的展示效果，為學生打造極為真實且具有交互性特征的仿真實驗室.在線上實驗平臺中，模擬各類理想物理實驗，能夠進一步加深學生對物理實驗的了解，幫助學生深入掌握各類物理理論.虛擬仿真實驗平臺不限制學生接入平臺進行實驗的時間，可以讓學生隨時隨地完成實驗，還可以培養學生課下的自主學習、自主探究、自主實驗意識等.

例如 在現實生活中，并不存在摩擦力為零的接觸面，而在虛擬實驗環境下，教師便可以為學生打造絕對光滑的理想平面，以此便可以開展理想斜面實驗.在嚴謹的邏輯推論以及實驗證明下，學生對該知識點的理解將會大大加深，有利于學生深度思考此類問題，幫助學生建立起完整的物理學習思維模式，擴寬了實驗教學的深度及其廣度.

3 以信息技術模擬理想實驗在物理教學中的實際應用

3.1 借助理想實驗，培養邏輯思維能力

高中階段物理學科的知識點相對深入，因此教師需要專注培養學生的邏輯思維能力，便于學生理解各類深奧的知識點.此時，教師可以借助信息技術搭建虛擬線上實驗平臺，為學生演示各類具有代表性的經典物理理想實驗案例，并要求學生在虛擬實驗室中完成實驗操作.真實的實驗場景可以提高學生對物理學科的興趣，讓學生以充滿熱情的態度參與到物理實驗中.由學生親自動手完成的物理實驗，能夠讓學生對這一知識點產生更加深入、系統的理解，有利于學生在操作中掌握物理知識，明確物理知識的形成過程.而此時，再加入教師的適當引導，便可以培養學生的邏輯思維，讓學生嘗試以物理思維思考問題，并根據現實問題提出假說，隨后借助理想實驗完成假說論證.

例如 在“自由落體運動”的傳統實驗教學中，需要使用打點計時器在連接重物的紙帶上打點.該實驗可以借助打點計時器在紙帶上打點的痕跡，反映出物體自由落體運動時的行動軌跡，是極為傳統的物理實驗教學.但在實際操作時，紙帶與打點計時器的振針之間必然會存在摩擦力，會在一定程度上影響物體自由落體的受力情況.由于各類客觀因素使該實驗的數據內容并不穩定，而此類誤差在現實生活中無法避免.基于上述現象，教師便可以為學生設計信息技術平臺的理想實驗，以模擬重物自由下落的實驗過程.在開展信息技術平臺中的理想實驗教學時，教師需要先讓學生思考：在理想實驗中的理想條件與現實生活中的真實實驗有哪些差異？傳統實驗教學中涉及哪些外界作用力？外界作用力會對實驗結果產生怎樣的影響？通過教師的引導，學生可以意識到理想實驗與真實實驗之間的差別，有助于培養學生嚴謹的科學思維.在理想實驗結束后，教師需要帶領學生，通過多次理想實驗與真實實驗的數據對比，分析自由落體運動的本質，在實驗中同學生一起觀察并總結自由落體運動的主要特征及其規律.

3.2 借助理想實驗，培養抽象思維能力

理想實驗的本質是要求學生在提出假說后，依靠縝密的思維邏輯開展想象或推理，以現實為基礎，在想象中完成實驗操作.隨后，結合日常生活中的固有經驗，分析并得出最終的實驗結論，便能夠有效理解物理規律及物理知識.而物理學科作為一自然科學學科，其中涉及的多項知識點過于抽象，要求學生具備極高的想象思維、抽象思維及聯想能力，在學生對各知識點深入理解與系統學習后，發揮個人的創新精神，才能真正開展想象推理，完成理想實驗，并得出最終的實驗結論.從這一角度上看，合理的理想實驗可以有效培養學生的抽象思維能力，能有效提高學生的物理學科素養，幫助學生將生活經驗與物理學習有效聯系起來，在豐富的想象空間中，探索物理知識的本質.學生通過信息技術模擬理想實驗，可以在虛擬的實驗環境中，觀察許多在現實生活中難以直接觀測到的實驗過程或實驗結果.而虛擬線上平臺也能夠有效滿足學生的想象力，讓學生親自動手操作許多在現實生活中無法達成條件的理想實驗，有利于學生正確理解各類抽象性的物理知識.

例如 ?在高中物理力學中，“機械能守恒定律”是很重要的一大知識點.高中教材對機械能守恒定律的定義為：在僅有重力或彈力做功的情況中，物體動能、勢能可互相轉換，但其機械能總量始終保持不變.在教材的定義中，該定律的描述有一大前提，即忽略空氣阻力及摩擦力影響，這正是在真實實驗中無法達到的條件.這時，教師可以使用信息技術，模擬理想化的實驗環境，忽略實驗過程中空氣阻力及接觸面摩擦力對物體機械能轉化的影響.在虛擬實驗室中，設置僅有重力做功的物體系統，使學生在了解機械能守恒定律的基礎上，在小組討論中設計驗證機械能守恒的理想實驗.

3.3 借助理想實驗，走入物理科學本質

在常規的真實實驗中，受實驗環境、實驗操作，實驗方式等各類因素影響，實驗結果往往存在較大誤差.此時，教師需要學生依靠想象，在腦海中創設理想實驗環境，隨后再憑借想象與邏輯推理論證物理規律.而在信息技術下，虛擬實驗室可以排除客觀因素的干擾，降低實驗誤差，真正化想象為現實.在物理實驗教學中合理應用理想實驗，可以為物理定律的理解或物理理論的研究提供具有極高價值的參考依據.同時，理想實驗可以排除真實實驗中的客觀因素影響，真正讓學生走入物理科學的本質，探索物理科學的規律.

例如 以“單擺簡諧運動”實驗為例，在教學過程中，教師可以先為學生展示單擺，隨后讓學生思考：若處于理想環境，將單擺小球看做是一個質點，并忽略空氣阻力、細線的質量等外界因素的影響，單擺的運動軌跡應該是怎樣的？在此過程中，教師必須引導學生大膽假設，并勇于提出個人的設想.之后，教師需要完成真實場景下的簡諧運動實驗，帶領學生觀測單擺運動的實際情況，學生會發現，真實環境下單擺振幅會漸漸減小直至為零.這時，再由教師引入簡諧運動的實際概念，帶領學生分析單擺小球在運動過程中的受力情況及其機械能轉化情況.最后，在虛擬實驗室模擬理想狀態下的單擺簡諧運動實驗，應用虛擬實驗室驗證學生此前的猜想.本課教學，先由教師提出問題，再由學生做出假設，同時輔以真實實驗場景下的受力分析，最終利用真實實驗與理想實驗現象及結論的對比，讓學生真正觀測到了單擺簡諧運動的實際形態，使學生對該運動的基本特征及其規律產生更加深入的了解.

4 結語

在信息技術的模擬功能下，教師可以在虛擬實驗室為學生預設物理規律，并按照實際情況為學生展示實驗過程，讓學生直觀地了解物理現象，能縮減真實實驗成本，創造理論與實踐相結合的物理課堂.使用線上虛擬平臺完成實驗交互，可以提高學生的學習興趣，讓學生意識到物理學習的樂趣所在，培養學生的動手實踐能力、思維創新意識.但在此過程中，教師必須要對學生做出正向引導，避免學生因各類虛擬實驗或違反客觀實際的實驗結果和實驗流程，產生錯誤的認知觀念，才能真正提高學生的物理學科綜合素養，讓學生暢游在物理知識的海洋.

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