讓思維可見　讓創(chuàng)意有形

摘 要：物理學(xué)科是一門理論知識和實(shí)驗(yàn)操作相輔相成的學(xué)科，其中實(shí)驗(yàn)操作是學(xué)生通過升學(xué)考試和實(shí)現(xiàn)個(gè)人發(fā)展必備的技能。在信息技術(shù)飛速發(fā)展的今天，“互聯(lián)網(wǎng)+教育”模式的應(yīng)用愈發(fā)普遍，虛擬仿真技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的融合發(fā)展走進(jìn)廣大物理教育工作者的視野。基于此，文章就仿真物理實(shí)驗(yàn)在高中物理教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行討論，為高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)化提供幾點(diǎn)參考。

關(guān)鍵詞：高中物理教學(xué)；仿真物理實(shí)驗(yàn)；物理思維

基金項(xiàng)目：江蘇省南通市教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃課題“信息技術(shù)支持下的‘仿真實(shí)驗(yàn)物理教學(xué)實(shí)踐研究”（JS2020014）。

作者簡介：孟小兵（1981—），男，江蘇省南通中學(xué)。

在信息技術(shù)快速發(fā)展的時(shí)代，數(shù)字化教學(xué)技術(shù)為實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來了多元化的模式。其中，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)手段能在最大限度上還原實(shí)驗(yàn)操作和步驟，因此，仿真物理實(shí)驗(yàn)深受教育者的喜愛。高中物理實(shí)驗(yàn)涉及定量計(jì)算和數(shù)據(jù)處理，教師借助計(jì)算機(jī)技術(shù)與仿真技術(shù)能在課堂教學(xué)中實(shí)時(shí)展示物理現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的精確化和可視化，讓學(xué)生以直觀的方式觀察物理現(xiàn)象，充分理解現(xiàn)象背后的物理規(guī)律，不斷強(qiáng)化物理學(xué)科教學(xué)效果。

一、仿真物理實(shí)驗(yàn)在物理教學(xué)中應(yīng)用的意義

（一）平臺易于操作，結(jié)果安全可靠

素質(zhì)教育背景下，實(shí)驗(yàn)教學(xué)在高中物理學(xué)科教學(xué)中的重要性日益凸顯，實(shí)驗(yàn)講解和自主操作在物理學(xué)科教學(xué)中的時(shí)間占比逐漸增多。但在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作時(shí)，有的教師選擇讓學(xué)生根據(jù)教師的實(shí)驗(yàn)演示、教材上的實(shí)驗(yàn)步驟“照葫蘆畫瓢”。在模仿性的訓(xùn)練中，學(xué)生對物理知識的理解深度不夠，且高中階段的許多現(xiàn)象觀察類的實(shí)驗(yàn)瞬時(shí)性強(qiáng)，較難復(fù)現(xiàn)，這也導(dǎo)致學(xué)生不能快速掌握相關(guān)物理知識。

隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，仿真物理實(shí)驗(yàn)的運(yùn)用能夠讓物理教學(xué)得到更優(yōu)質(zhì)的發(fā)展，它不受實(shí)驗(yàn)場地的限制，能夠減少教師的工作量。與傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)相比，仿真實(shí)驗(yàn)易于操作，不受空間、時(shí)間束縛，安全可靠。同時(shí)，它還具備成本低的優(yōu)點(diǎn)，能夠在短時(shí)間完成不同參數(shù)的設(shè)置，使實(shí)驗(yàn)操作更加規(guī)范，也使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比更加充分，保證物理實(shí)驗(yàn)的精準(zhǔn)度和實(shí)驗(yàn)效率。仿真實(shí)驗(yàn)還有一項(xiàng)較為突出的優(yōu)勢，那就是能夠在特定情境下模擬具有危險(xiǎn)性的實(shí)驗(yàn)，滿足物理教學(xué)需求，實(shí)現(xiàn)學(xué)生對物理實(shí)驗(yàn)的全面感知。

（二）加強(qiáng)多元互動(dòng)，促進(jìn)教學(xué)相長

在“互聯(lián)網(wǎng)+教育”的深度融合下，實(shí)驗(yàn)教學(xué)也逐漸升級。將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和物理實(shí)驗(yàn)進(jìn)行結(jié)合，可以讓學(xué)生利用數(shù)字化設(shè)備和操作平臺自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、搭配實(shí)驗(yàn)器材、模擬實(shí)驗(yàn)操作，在后臺大數(shù)據(jù)庫的支持下匹配實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果。同時(shí)，學(xué)生作為學(xué)習(xí)的主體，能夠在仿真物理實(shí)驗(yàn)的操作過程中改進(jìn)學(xué)習(xí)方式，端正學(xué)習(xí)態(tài)度，獲得更加優(yōu)異的學(xué)習(xí)成果。仿真物理實(shí)驗(yàn)?zāi)軌騽?chuàng)設(shè)更為豐富的物理實(shí)驗(yàn)環(huán)境，大大降低學(xué)生實(shí)驗(yàn)難度，保證學(xué)生的學(xué)習(xí)活動(dòng)有序進(jìn)行，從而優(yōu)化物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)成效。

從教師的角度來看，仿真物理實(shí)驗(yàn)具有自由性、互動(dòng)性以及高效性，不僅可以在根本上解決實(shí)驗(yàn)儀器匱乏的問題，還可以幫助教師改進(jìn)個(gè)人教學(xué)手段，轉(zhuǎn)變教育理念，提升專業(yè)性，能夠減少教師的教學(xué)工作量與負(fù)擔(dān)，真正實(shí)現(xiàn)智能化教育，提高高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

二、仿真物理實(shí)驗(yàn)在物理教學(xué)中應(yīng)用的策略

（一）明確教學(xué)目標(biāo)，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

明確的目標(biāo)是教學(xué)活動(dòng)順利開展的基礎(chǔ)，尤其在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生有時(shí)在繁雜的文字描述中很難獨(dú)立找準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)的方向，會(huì)使得實(shí)驗(yàn)教學(xué)的進(jìn)程減慢。因此，教師要結(jié)合教材內(nèi)容，從中擇取出實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，并結(jié)合仿真實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，本著培養(yǎng)學(xué)生物理思維的目的對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，避免盲目追趕教學(xué)進(jìn)度。

以人教版高中物理必修第三冊第十二章第三節(jié)《實(shí)驗(yàn)：電池電動(dòng)勢和內(nèi)阻的測量》為例，學(xué)生前期已具備了基本的電路設(shè)計(jì)和電學(xué)知識，因此首先，教師可以通過分析，讓學(xué)生明確實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)標(biāo)題確定大致實(shí)驗(yàn)方向。其次，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，畫出電路圖。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生討論后給出方案：分別測出兩組電流和電壓，利用E=U+Ir進(jìn)行計(jì)算即可。再次，教師組織學(xué)生通過仿真平臺展開初步的實(shí)驗(yàn)。教師：“現(xiàn)在有一個(gè)新的問題，電壓表損壞無法使用了，怎樣利用其他的器材完成這一測量任務(wù)？”學(xué)生思考、討論后回答：“利用串聯(lián)電路中的電流處處相等的規(guī)律，把滑動(dòng)變阻器改成電阻箱，再用E=U+Ir公式計(jì)算。”教師對學(xué)生的優(yōu)化方案給予肯定，再追問：“如果是只有電壓表而沒有電流表呢？”學(xué)生回答：“那就測出電阻箱兩端的電壓，再算出電流?！弊詈?，學(xué)生繪制出電路圖，并展開測量實(shí)驗(yàn)。

在本節(jié)課的教學(xué)中，教師通過對教材內(nèi)容和考試題目的分析，以基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)為依托，不斷向?qū)W生提出優(yōu)化改進(jìn)的方向。在這個(gè)過程中，學(xué)生在明確目標(biāo)的指引下對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行“再”思考，在優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的同時(shí)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)思維［1］。

（二）架構(gòu)知識橋梁，加深理論理解

學(xué)習(xí)的過程就如同蓋大樓，基礎(chǔ)穩(wěn)固才能確保最后建造的高樓的質(zhì)量。高中物理知識有一定難度，且涉及不少學(xué)生生活中不常見、抽象性較高的物理概念，學(xué)生在進(jìn)行這部分知識的學(xué)習(xí)時(shí)，困難重重。對此，教師可利用仿真實(shí)驗(yàn)來架構(gòu)學(xué)生與知識之間的橋梁，以較為直觀的方式促進(jìn)學(xué)生對理論知識的理解。

以人教版高中物理必修第一冊第二章第四節(jié)《自由落體運(yùn)動(dòng)》為例，學(xué)生剛學(xué)完勻變速直線運(yùn)動(dòng)知識，需要通過實(shí)踐去更深入地理解勻變速直線運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，而自由落體運(yùn)動(dòng)剛好符合勻變速直線運(yùn)動(dòng)的規(guī)律特點(diǎn)。自由落體運(yùn)動(dòng)是一種理想化情況下的物理模型，在現(xiàn)實(shí)條件下很難完成這一實(shí)驗(yàn)，因此，教師可進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)。教師可借助亞里士多德的猜想引發(fā)學(xué)生的思維矛盾，提出問題：“關(guān)于輕重不同的物體的下落情況，亞里士多德曾有這樣的猜想——‘重的物體下落得快。大家認(rèn)同他的說法嗎？”學(xué)生的發(fā)言中有肯定的聲音，也有反對的意見。此時(shí)，教師可結(jié)合生活情境引導(dǎo)學(xué)生思考：“在我們的日常生活環(huán)境中，空氣會(huì)給運(yùn)動(dòng)的物體一些阻力。而我們一會(huì)要觀察在實(shí)驗(yàn)的理想情況下，也就是沒有空氣的環(huán)境中，物體如何做自由落體運(yùn)動(dòng)。”教師先利用仿真實(shí)驗(yàn)演示有空氣的情況下輕重不同的物體的下落情況，再展示真空環(huán)境中輕重不同的物體自由下落的情況。學(xué)生總結(jié)：在真空環(huán)境中，輕重不同的物體下落得同樣快。教師提問：“通過這個(gè)實(shí)驗(yàn)，同學(xué)們能不能說一說什么樣的運(yùn)動(dòng)才是自由落體運(yùn)動(dòng)？”學(xué)生回答：“沒有阻力且從靜止開始下落。”教師進(jìn)一步引導(dǎo)：“同學(xué)們總結(jié)得非常好，只在重力作用下從靜止開始下落的運(yùn)動(dòng)就是自由落體運(yùn)動(dòng)。那么做自由落體運(yùn)動(dòng)的物體的運(yùn)動(dòng)情況是什么樣的呢？同學(xué)們能不能根據(jù)剛才的實(shí)驗(yàn)提出自己的猜想？”有學(xué)生回答：“一定不是勻速運(yùn)動(dòng)，因?yàn)槲矬w的初速度為0，肯定是經(jīng)過加速才運(yùn)動(dòng)起來的?！边€有學(xué)生回答：“我覺得有點(diǎn)像是勻加速直線運(yùn)動(dòng)?！备鶕?jù)學(xué)生回答情況，教師帶領(lǐng)學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證。教師講解“用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器研究自由落體運(yùn)動(dòng)”的實(shí)驗(yàn)操作和注意事項(xiàng)，并親自演示，隨后組織學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)［2］。

（三）仿真現(xiàn)實(shí)結(jié)合，促進(jìn)科學(xué)探究

物理的學(xué)習(xí)離不開實(shí)驗(yàn)，從教學(xué)效果上來看，組織學(xué)生前往實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行動(dòng)手操作的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果是最好的，但部分實(shí)驗(yàn)條件苛刻、易受外界因素影響，且實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察難度大。教師在進(jìn)行這類實(shí)驗(yàn)的教學(xué)時(shí)，可充分發(fā)揮仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)的優(yōu)勢，將實(shí)際操作與仿真實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，充分提升學(xué)生的科學(xué)探究參與感。仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虬凑赵ǖ哪繕?biāo)內(nèi)容來呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果，更好地體現(xiàn)物理實(shí)驗(yàn)價(jià)值，實(shí)現(xiàn)科學(xué)探究指導(dǎo)，對學(xué)生的學(xué)習(xí)發(fā)展有著重要促進(jìn)作用［3］。

以人教版高中物理選擇性必修第一冊第四章第四節(jié)《實(shí)驗(yàn)：用雙縫干涉測量光的波長》為例，本實(shí)驗(yàn)的操作存在一定的難度，需要學(xué)生理解雙縫干涉的原理，能夠觀察入射光分別為白光和單色光的圖樣，并運(yùn)用公式測量波長。教師可在講述實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹⒉襟E、原理、器材、誤差分析以及實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)的基礎(chǔ)上，先組織學(xué)生在仿真實(shí)驗(yàn)平臺上進(jìn)行模擬操作，使其熟悉實(shí)驗(yàn)流程。接著，教師利用仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行演示，使學(xué)生初步觀察光的干涉仿真實(shí)驗(yàn)，并向?qū)W生介紹雙縫干涉的實(shí)驗(yàn)裝置，將所用到的凸透鏡、濾光鏡、遮光筒、毛玻璃屏等儀器進(jìn)行組裝，保證開關(guān)打開后白熾燈發(fā)亮。講解實(shí)驗(yàn)操作步驟以及需要測量的物理量后，組織學(xué)生利用仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行操作練習(xí)，待操作熟練后，分組展開雙縫干涉實(shí)驗(yàn)。最后，教師可與學(xué)生進(jìn)行誤差分析。在測定單色光的波長時(shí)，影響結(jié)果的主要因素是測量誤差，當(dāng)條紋間距的測量不精準(zhǔn)時(shí)會(huì)引起誤差，雙縫到屏的距離測量不準(zhǔn)也會(huì)引起誤差，這兩種情況都會(huì)在不經(jīng)意間出現(xiàn)，屬于偶然誤差，需要在實(shí)驗(yàn)中通過多次測量來減少誤差因素影響。以仿真實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，對學(xué)生進(jìn)行科學(xué)指導(dǎo)，可以促進(jìn)學(xué)生的科學(xué)探究，提升學(xué)生的實(shí)驗(yàn)水平［4］。

（四）借助軟件載體，培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?/p>

隨著數(shù)字化教學(xué)的進(jìn)步，各種網(wǎng)絡(luò)資源逐步融入教育教學(xué)中，成為教師教學(xué)的助力，也成為學(xué)生學(xué)習(xí)知識的動(dòng)力。現(xiàn)如今，關(guān)于物理教學(xué)的APP應(yīng)用十分廣泛，它們既對學(xué)生的自主學(xué)習(xí)有所幫助，還能夠成為教師的“左膀右臂”，增強(qiáng)教育實(shí)踐性。而物理仿真實(shí)驗(yàn)可以在APP的幫助下發(fā)揮出交互作用，有助于提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)水平，使學(xué)生在多元化途徑中得到成長。

以“物理實(shí)驗(yàn)室”APP為例，高中物理所包含的知識很多情況下都需要在實(shí)驗(yàn)中呈現(xiàn)，但課堂的時(shí)間是有限的，教師難以為學(xué)生重復(fù)展示物理實(shí)驗(yàn)過程，導(dǎo)致部分接受能力較差的學(xué)生學(xué)習(xí)效果不佳。對此，教師可以借助APP優(yōu)化教育工作，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?。如在《?shí)驗(yàn)：測定電池的電動(dòng)勢和內(nèi)阻》的課堂學(xué)習(xí)后，為了讓學(xué)生在課下能夠自主回顧實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，提升學(xué)習(xí)能力，教師可以利用仿真實(shí)驗(yàn)軟件為學(xué)生搭建學(xué)習(xí)平臺，使物理學(xué)習(xí)更加簡單多樣，學(xué)生的學(xué)習(xí)也能不受地點(diǎn)、時(shí)間的限制。學(xué)生可以借助電子設(shè)備自主開展實(shí)驗(yàn)，回顧實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)。在“物理實(shí)驗(yàn)室”APP中，所有的電學(xué)元件從外觀模型到內(nèi)部結(jié)構(gòu)，各種細(xì)節(jié)的呈現(xiàn)都十分精致，而且每個(gè)器件都是獨(dú)立的，學(xué)生可按照自身的想法來復(fù)原電路，提升實(shí)驗(yàn)技能。這樣的軟件對于教學(xué)而言有著重要的促進(jìn)作用，能夠有效鍛煉學(xué)生的實(shí)驗(yàn)規(guī)劃與操作能力，發(fā)展學(xué)生物理思維和物理實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?。同時(shí)，這樣的仿真實(shí)驗(yàn)更具有直觀性、立體性、安全性，便于學(xué)生了解實(shí)驗(yàn)背后的原理［5］。

結(jié)語

總而言之，在素質(zhì)教育背景下，高中物理教育工作者要以培養(yǎng)學(xué)生的思維能力和創(chuàng)新精神為己任，著力于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改進(jìn)與優(yōu)化，將仿真實(shí)驗(yàn)與物理教學(xué)進(jìn)行多效融合，打造現(xiàn)代化的高中物理實(shí)驗(yàn)課堂，助力學(xué)生的全面進(jìn)步和成長。同時(shí)，要以學(xué)生為中心，借助仿真實(shí)驗(yàn)來打破教學(xué)的空間限制、時(shí)間限制，激發(fā)學(xué)生的物理學(xué)習(xí)興趣，有效提升學(xué)生物理核心素養(yǎng)。

［參考文獻(xiàn)］

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[3] 倫應(yīng)杰.物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在高中物理智慧課堂教學(xué)中的應(yīng)用研究［D］.濟(jì)南：山東師范大學(xué)，2022.

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