虛擬仿真實驗在高中物理教學中的應用

李澤鋒

【摘要】本文闡述虛擬仿真技術在物理教學中的應用情況，論述在高中物理教學融入虛擬仿真實驗的四條途徑，即利用虛擬仿真實驗創設情境、讓學生在虛擬仿真實驗的支持下交互操作驗證猜想、虛擬仿真實驗動態展示實驗過程加深學生的理解以及使實驗數據直觀化從而降低數據處理難度，并以人教版高中物理必修第一冊第二章“勻變速直線運動的研究”中的追及與相遇問題教學片段為例，具體分析將矩道實驗室運用于高中物理探究型實驗教學的策略。

【關鍵詞】虛擬仿真 實驗教學 力與運動?高中物理

【中圖分類號】G63 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2023）23-0109-04

虛擬仿真技術在教學中的廣泛應用，為高中物理實驗課堂設計注入了新的活力。為打破傳統物理實驗課所受到的空間、設施以及客觀誤差等限制，高中物理教師應引進虛擬仿真實驗硬件與軟件，積極打造虛擬仿真實驗課堂。本文闡述虛擬仿真實驗在物理課堂中的應用情況，論述在高中物理教學融入虛擬仿真實驗的途徑，并以人教版高中物理必修第一冊第二章“勻變速直線運動的研究”中的實驗為例，詳細分析虛擬仿真實驗的應用。

一、虛擬仿真技術在物理教學中的應用情況概述

隨著現代化教育技術的不斷成熟，以三維圖形、多媒體、電子信息、伺服等技術為核心的虛擬仿真實驗得到了高中物理教師的青睞。虛擬仿真實驗的出現填補了高中物理實驗教學的缺口，打破了傳統物理實驗受到的空間、器材等現實條件的限制，能夠精準設置實驗條件，模擬實驗場景。目前，虛擬仿真實驗已在高中物理教學中廣泛應用，以Flash、Unity3D、MLTLAB等為代表的動畫建模軟件為虛擬仿真實驗設計提供技術支持，GeoGebra則能夠將抽象的數據與物理量轉化為可視圖像，為相關軌跡實驗提供數理分析并展示運動效果，NoBook虛擬實驗、PhET仿真平臺以及矩道實驗室等面向物理實驗專題的綜合性虛擬仿真實驗軟件，使得模擬力與運動、電學實驗等非直觀實驗過程更加貼合教學需求，為學生呈現更加清晰且精準的實驗流程。信息技術與物理學科教學的不斷融合，進一步優化虛擬仿真實驗在高中物理教學中的應用效果，有力促進實驗與教學有機結合，為豐富學生的知識儲備、提升學生的思維邏輯能力與實踐能力提供了有力的技術支持。

二、在高中物理教學中融入虛擬仿真實驗的四條途徑

（一）創設情境，建立理論與現實的聯系

作為研究物質最基本結構與一般運動規律的自然學科，物理學理論與相關實驗的基礎幾乎全部來源于現實空間，物理學中所總結的規則與定理，也只在運用于實際之時方能顯現出其含義與價值。因此，在高中物理的抽象理論學習過程中，教師需要通過創設情境幫助學生在理論與現實之間建立關聯。例如，利用虛擬仿真實驗進行理想化、細節化的模擬實驗，對平拋運動、勻變速等非直觀運動進行慢放、暫停乃至回放處理，使學生更加細致與清晰地觀察實驗過程，深刻體會實驗場景中包含的理論知識。在將理論與實踐聯系起來的過程中，進一步激發學生物理學習的動力與熱情，讓學生在觀察與實踐中不斷完成知識的自我內化與系統構建，最終形成嚴密而完整的物理思維邏輯。

（二）交互操作，幫助學生驗證猜想

傳統物理教學模式下，面對物理學抽象思維水平尚未形成的高一學生，教師往往為給學生呈現具體的實驗現象或精確的實驗結果，在設計實驗時將猜想與結果進行簡單對應，以個別實驗現象逆推猜想，而后進行理論分析。這種方法雖較易施行，但在教學實踐過程中，筆者發現偶爾也會影響學生對概念的理解，如在關聯速度的學習中，學生很容易在實驗觀察中混淆物體實際運動的合速度與沿繩速度。可見，高中物理實驗教學需要一種能夠將實驗內容具象化且能夠讓學生進行實踐操作的技術，虛擬仿真實驗則能夠滿足這一需求。教師可以利用虛擬仿真實驗中的三維圖形、電子遙感等功能，精準構建實驗環境，在設置基礎實驗數據與物理量后，由學生自主操作，反復驗證猜想，且無須考慮現實環境對實驗造成的誤差，也無須擔心器材損耗與實驗安全。

（三）動態展示，輔助學生理解過程

通過細剖高中物理實驗教學，筆者發現，力與運動相關的理論知識與實驗操作占比較大。高一年級物理課程中，勻速、勻變速、圓周、拋體運動及以上運動過程中所產生的受力關系與運動規律，均為實驗教學的重點，后續電磁學部分涉及的安培力、洛倫茲力等帶電粒子的電磁場受力與運動狀況，同樣需要對物質的動態運動軌跡進行觀察與分析。由于高中生仍處在抽象運動思維的形成階段，對單一類型的軌跡運動尚能進行模擬想象與理解，但在面對因條件復雜而呈現出多種狀態的復雜運動過程時，學生很難通過抽象或想象來完整構建運動過程并加以理解。因此，完整模擬物體運動狀態這一條件，成為高中物理力學實驗的核心需求。虛擬仿真實驗軟件具備的情境預設、條件模擬等功能，能夠精確且完整地展示物體運動軌跡，教師可在虛擬仿真程序中預設力學計算公式與數據條件，并在課堂教學中根據學生不斷提出的猜想與疑問，隨時改變相關數據，為學生展示更加直觀的運動狀態，幫助學生更好地理解實驗背后的理論知識。

（四）數據可視，降低梳理分析難度

相較于初中階段的物理學習，高中物理學習對定量分析能力要求更高。物理學習在高中階段逐漸由對生活現象的直觀觀察與理解，轉變為根據定律進行一般性運動模擬并分析驗證。許多學生無法適應對一般性運動規律的猜想、驗證、分析與推理過程，加之傳統高中物理教學中，大量的定律理解、數據分析與常規實驗的過程相對枯燥乏味，復雜的計算與抽象的邏輯，使很多學生在物理學習中對定量分析產生畏難心理。對此，教師有必要引入虛擬仿真實驗，在教學過程中從學生更為熟悉的現象觀察入手，通過模擬實驗將書本中枯燥而復雜的定律、數據、條件轉換為直觀圖像，使數據與物體動態行為可視化，從而降低學生開展梳理知識、理解概念與分析實驗數據等學習活動的難度，同時也為其轉變自身的物理思維與邏輯習慣提供便捷渠道。

三、虛擬仿真實驗運用于高中物理探究型實驗的教學案例分析

力與運動是高中物理第一學期的重點學習內容，也是高中物理實驗教學的核心。筆者以人教版高中物理必修第一冊第二章“勻變速直線運動的研究”中涉及的追及與相遇問題為例，運用矩道實驗室開展課堂實驗，闡述虛擬仿真實驗在物理課堂教學的具體應用。

經過前段課時對描述運動的相關概念的學習，學生對位移、速度與加速度等物理量已形成基礎性理解。追及問題、相遇問題雖然是生活中常見的有關運動關系的問題，但這些看似簡單尋常的問題之中包含多種運動狀態，是復雜的物理模型。實驗課堂教學通常被設計在理論教學之后，因此教師在安排追及與相遇問題虛擬仿真實驗細節時，首先可以通過家庭作業或隨堂小測等方式，把握學生對概念的掌握情況；其次分析學生反饋，將不同接受程度的學生進行簡單分層，為后續分組開展實驗設計做好準備；最后根據學生知識掌握的層次比例調整實驗課堂重點，確保實驗課的教學方法、驗證內容與實踐過程能夠與學生整體水平相契合，實現有效的實踐學習。

（一）以情境創設引出實驗主題

師：上一課時，我們學習了勻變速運動的理論，那么請同學們一邊回憶，一邊結合生活實際進行思考，自己能舉出哪些生活中的勻變速運動實例？

生：汽車在行駛時以恒定的加速度進行加速或減速。

師：馬路上不止有一輛車在行駛，那么在運動過程中，多輛車的相對位置是否固定不變？

生：需要分別判斷不同車輛各自的運動狀態。

師：很好，那么接下來我們設想一個場景。此時有一輛公交車正停在路口等待紅綠燈，綠燈亮起時車輛開始加速，加速度恒定為a=3 m/s2，而此時有一輛自行車以恒定速度v2=6 m/s從公交車旁經過。請同學們思考并回答以下兩個問題。問題1，兩車分別進行什么運動？

生：通過題中條件可知，公交車在做勻加速直線運動，而自行車在做勻速直線運動。

師：請同學們進入矩道實驗室中選擇勻變速直線運動模型，輸入數值，模擬兩車的運動，觀察兩車的運動狀態。

（學生打開程序，選擇兩個小球分別代表公交車與自行車，兩者同時從坐標軸原點出發，在y軸方向運動，其中小球上方顯示各自的運動速度，y軸兩側則分別設置本次運動的速度—時間圖像與位移—時間圖像）

師：問題2，上述情境中，公交車能否追上自行車？如果能，求兩車相遇時間。

【設計意圖】在課堂導入環節通過創設情境引出實驗主題，安排學生運用矩道實驗室模擬自行車與公交車的運動軌跡。學生在初步操作中直觀地看到了運動過程與結果，而后運用公式代入數據，計算出最終結果。追及相遇模型的構建能夠使學生的思維由研究單一物體運動向研究多狀態復合型運動轉變，通過解決現實問題，初步構建物理探究思維框架。

（二）以猜想假設推動知識深化

師：基于剛剛給出的情境與條件，同學們再思考一個問題。在自行車與公交車相遇之前，兩車之間的距離發生了怎樣的變化？可以運用矩道實驗室中的位移—時間圖像生成功能進行分析。

生：根據兩車的位移—時間圖像，在公交車剛起步時，二者距離呈擴大趨勢，隨著公交車速度均勻增加，二者距離開始逐漸縮小，直到公交車追上自行車。

師：根據同學們剛剛的觀察可知，兩車之間距離的變化趨勢由逐漸擴大變為逐漸縮小，那么兩車距離何時達到最大？請大家深入思考并進行計算。

生1：通過觀察剛剛模擬實驗的位移—時間圖像，兩車相距最遠的時刻便是二者位移差值最大的時刻，可以先計算兩車的位移距離，而后作差，得出結論。

生2：如果截取兩車在同一路口同時出發的狀態，那么兩車的速度—時間圖像也可以間接表達出位移距離，而通過觀察圖像可以發現，兩車速度相等時相距最遠。

生3：第一位同學提出的方案無法通過已知條件進行計算，而第二位同學的方法可能具有偶然性，如果兩輛車的速度與加速度發生一定變化，這一猜想未必成立。

【設計意圖】經過情境導入環節的鋪墊，學生已在虛擬仿真實驗中初步創建了問題模型，教師拋出更深層次的問題，引導學生進一步運用虛擬仿真模型，通過直觀觀察運動狀態，針對問題提出不同的方案猜想。圍繞問題引導學生發散思維，并將思維引向深入，經由虛擬仿真模型的形象化處理，能夠使問題更加貼合實際，以此加強物理力學概念、公式與實際應用之間的聯系，為全面提升學生的物理觀念與學科思維開拓新的路徑。

（三）以分組實驗促進合作交流

師：剛剛幾位同學都針對兩車最大距離這一問題分享了各自的方法與猜想。那么我們就以這兩種猜想為接下來的實驗內容，進行分組實驗與交流探討。同學們在實驗過程中，需要嘗試改變情境中自行車與公交車運動的相關參數，通過多次試驗、記錄與規律總結，探討兩車速度、加速度與位移距離之間的關系。

（教師根據課前掌握的學情將學生分為若干個課堂實驗小組，通過改變兩車的運動參數，多次模擬兩車運動狀況，并分析生成的速度—時間圖像）

師：請同學們匯報自己的實驗方法與結論。

生1：我們選擇改變運動速度與加速度的參數，并觀察生成的速度—時間圖像，發現只要在兩車同時出發、一車做勻速運動而另一車做勻加速運動這一設定下，無論如何改變參數，二者之間的距離均在二者同速時達到最大值。

師：那么根據同學們記錄的實驗結果，如何解釋這一現象？請同學們回憶之前學過的勻變速直線運動的原理與公式，從理論角度探尋解釋方向。

生1：這一場景下，兩車的普遍運動規律可總結為，當兩車同時開始運動后，由于前車速度大于后車速度，此時兩車距離呈擴大趨勢；而隨著后車在勻加速運動中速度不斷增大，當后車速度大于前車速度時，兩車距離逐漸縮小，直至后車追上前車。

師：非常棒。那么我們由此可知，兩車速度相等的時刻即為二者距離變化關系的轉折點，我們可以將其稱為臨界點。

生2：老師，我有一個疑問。我們在模擬兩車運動狀態時，都遵循了兩車在同一位置出發這一條件，那么如果兩車出發的位置不同，兩車速度相同時距離最遠的結論還會成立嗎？

師：很好，有同學提出了新的疑問。那么就請同學們交流討論一下，如果取消“同一位置出發”這一條件，結論是否會發生改變？如果將所有因素都納入考慮范圍，在運動狀況更加復雜的現實生活中，又會出現多少種追及變速情況？同學們可以一邊討論，一邊用矩道實驗室模擬運動狀態，對可能出現的變速狀態進行記錄與總結。

生3：經過大家的討論與交流，我們大概總結出以下六種情況。“勻加速追勻速”“勻加速追勻減速”“勻速追勻加速”“勻速追勻減速”“勻減速追勻速”以及“勻減速追勻加速”。

師：好，那么就將這六種情況作為接下來的實驗內容，每一小組負責一種情況，實驗結束后集中進行結果匯報與討論。

生4：我們三個小組經過討論和總結發現，在“勻加速追勻速”“勻速追勻減速”以及“勻加速追勻減速”這三種情況下，共速的一瞬間依舊是兩車距離變化趨勢發生轉變的臨界點，我們還總結出了兩車最遠距離的常規表示，即距離為x0+Δx，指出發時兩者之間的距離與共速一瞬間位移差值之和。

生5：我們組負責研究的是“勻減速追勻速”這一情況，經過模擬實驗我們發現這種情況可能不在這一情境的討論范圍內。“勻減速追勻速”這一情況僅出現在后車初速度大于前車速度時，如果兩車初始距離不夠大，或后車初速度遠大于前車，那么二者將會在共速之前相遇；如果兩車間初始距離較大，或后車初速度不是遠大于前車，則兩車根本沒有相遇的可能。

生6：我們組也開展了“勻減速追勻速”這一情況的模擬實驗。我們僅針對一種情況進行驗證，即將二車之間的初始距離設置為較大數值，為兩車留有足夠大的運動空間，同時后車初始速度大于前車。經過反復模擬并記錄速度—時間圖像，我們發現在這一情況下，兩車距離在共速前不斷縮小，在兩車共速后兩車距離轉為擴大趨勢，也可將共速的瞬間視為臨界點。

【設計意圖】教師在這一環節中安排了大量的模擬實驗內容，并以小組討論的方式，引導學生在交流與探討中逐漸深入思考變速追及與相遇問題。學生在虛擬仿真實驗過程中，通過不斷改變模型參數，觀察與記錄兩個運動物體之間的距離關系變化，再分析數據圖像，驗證自己的猜想。提出猜想—實驗探究—深入拓展—探討總結，學生在這一過程中逐步完善了自身對勻變速運動的多種情況設想與關系認知，在深入思考的同時完成了知識內化，并在虛擬仿真實驗操作中實現了知識的遷移與應用。

虛擬仿真實驗貫穿整節課：教師利用虛擬仿真實驗創設情境引出課題，激發了學生的學習熱情；學生通過開展虛擬仿真實驗驗證猜想；學生在實驗過程中發現新的問題，分組開展虛擬仿真實驗深入研究，逆向推理，驗證與總結一般運動規律。可見，將虛擬仿真實驗運用于高中物理課堂教學，為學生形成物理觀念與科學思維提供了更加廣闊的實踐空間，學生在這一過程中完成概念知識的內化與應用。

物理是一門與生活緊密聯系的自然科學，僅靠枯燥地介紹抽象的理論與公式、概念，很難讓學生形成物理思維，也無法發展學生的問題解決能力。將虛擬仿真實驗引入物理教學，能夠讓學生通過直觀的實踐操作，自主構建知識體系，從而有效發展學生的物理學科核心素養。信息技術發展突飛猛進、生機勃勃，在此時代背景下，廣大物理教師有必要與時俱進，研究虛擬仿真實驗在物理教學中的應用，不斷尋找提高物理教學有效性的路徑，實現培養學生物理學科核心素養的目標。

參考文獻

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