仿真實驗在高中物理教學中的具體運用措施研究

課題項目：文章系河北省教育技術研究規劃立項課題“數字模擬仿真實驗在高中物理教學中的應用”的研究成果，課題編號：hbdj2023153。

作者簡介：張帆（1975～），女，漢族，河北保定人，河北省保定市定興縣定興第三中學，中小學高級教師，研究方向：高中物理教學。

摘? 要：實驗在高中物理教學中占據著十分重要的地位，不僅可以加深學生對教授物理知識的理解，還能實現對學生物理綜合能力的有效培養。依托虛擬仿真軟件進行高中物理實驗教學，除了可以幫助學生直觀形象地體驗實驗操作過程，還能促使高中物理教學效果得到極大提升。文章聯系仿真實驗在高中物理教學中運用的重要作用，對仿真實驗在高中物理教學中運用的措施進行細致分析，并以高中物理驗證動量守恒定律實驗為例，詳盡探討虛擬仿真軟件在該實驗中的應用過程及取得的教學效果。

關鍵詞：高中物理；仿真實驗；運用措施

中圖分類號：G633.7??? 文獻標識碼：A??? 文章編號：1673-8918（2024）16-0123-04

新課程標準的實施讓教師開展高中物理教學時更加注重對學生學科核心素養的有效培養。而物理實驗作為高中物理學科教學的重要組成部分，該項工作開展好壞將直接影響物理教學實效和學生學科能力的形成。以往教師對學生開展物理實驗教學，更多是依托提前準備的實驗器材和制定的實驗操作方法，引導學生動手操作、分析和驗證，整個過程需要投入較多人力、物力、財力。在開展虛擬仿真實驗以后，這些問題就能妥善解決，并且依托虛擬仿真軟件的各種功能，還能增強學生參與實驗探究的積極主動性，使學生對物理實驗教學內容有更加深刻的理解，后續操作應用也會更為準確靈活。

一、 仿真實驗在高中物理教學中運用的作用

對仿真實驗在高中物理教學中運用的作用進行歸納總結，主要包括：①保障物理實驗順利開展。在高中物理學科中，有很多物理知識都是需要學生經過實驗分析驗證以后才能理解、掌握和應用的知識內容。引入仿真實驗以后，教師就可以圍繞具體的物理實驗項目、內容及要求，通過專門的虛擬仿真軟件對相關物理實驗進行制作、演示、分析等，讓學生在接觸實踐更多數量物理實驗中，對蘊含的物理知識、運動規律等進行牢固掌握。②引導學生積極主動探究。對學生開展物理仿真實驗教學活動以后，教師就可以通過物理實驗可視性、可重復觀察實驗過程等，增強學生物理實驗學習探究興趣。甚至還可以通過仿真實驗反饋結果對實驗步驟進行逆向推導驗證，最終在深入思考和反復練習中，明確實驗關鍵環節和發展學生學科素養。③防止各類安全事故發生。傳統實驗教學中，教師引導學生進行物理實驗操作，可能會受到操作不規范、使用材料本身具有危險性等因素影響，導致各類安全問題發生。在開展仿真實驗以后，涉及的實驗活動都直接通過相關軟件展開，學生可以避免實驗本身和自己操作不當帶來的危險。

二、 仿真實驗在高中物理教學中運用的措施

（一）明確實驗教學目標

在仿真實驗教學中，教師要圍繞教學內容向學生仔細闡明本次實驗教學的目標，讓學生在觀看實驗演示過程和進行實際操作分析中，對實驗教學內容有更加深刻的認識，并帶有目的性地完成各項任務。通常情況下，高中物理實驗教學目標主要包括：①通過仿真實驗向學生展示教學物理知識內容，并在加深學生對這些知識的印象中，能夠更好地理解與掌握。②通過仿真實驗展現物理現象以后，引導學生對學習物理知識和探究物理規律有很強的探究欲望，并對仿真實驗提出問題進行積極主動的探尋。③在完成仿真實驗教學以后，學生可以在回顧實驗過程中，對展現的知識內容以思維導圖形式呈現出來，切實提高學生實踐操作和分析解決問題的能力。

（二）精心設計實驗活動

在明確高中物理實驗教學目標以后，教師就可以組織開展仿真實驗精心設計活動，以推動仿真實驗教學更加科學合理地展開。實踐中最好可以對仿真實驗應用優勢進行細致把握，并結合學生高中物理學習實際及需求，采用自主探究+發現總結方式進行仿真實驗教學，這樣可以極大保證物理實驗教學的有效性。在仿真實驗應用優勢方面，主要表現為對學生而言仿真實驗是新穎有趣的，學生參與實驗活動也能對實驗具體過程進行觀察與了解，并在這過程中實現對相關物理知識的有效探索。對教師而言仿真實驗安全性很高，在高中物理教學中運用，可以保證每位學生都能參與其中和動手實踐操作，以此提高實驗教學質量。在學生學習情況及需求方面，教師就能通過考試、交流等方式進行了解，并將掌握信息與設計仿真實驗活動相結合起來，在有效滿足學生學習需求的同時，促使學生積極踴躍參與到物理仿真實驗學習中。

（三）創設實驗教學情境

要充分調動學生實驗情緒和引導學生主動參與，教師在仿真實驗中就要注意創設教學情境。尤其是在學生面對計算機中的仿真實驗軟件界面時，若沒有情境引導，學生就容易表現出無從下手的情況，這無疑會對仿真實驗教學帶來不利的影響。這時候教師就可以結合物理實驗內容和學生學習需求，對相應教學情境進行創設，并遵照由淺入深原則設置多個問題，讓學生在獨立實驗操作中進行自主思考探索和得到實驗結論，由此順利達成物理實驗教學目標。另外，針對學生出現的不知如何進行實驗操作的情況，教師也要從旁扮演好引導者的角色，通過對學生進行適當點撥，促使整個仿真實驗操作順利進行下去，并根據觀看到的物理現象和獲得的信息數據，形成最終的物理實驗結論。

（四）呈現實驗假設任務

要引導學生探索實驗真諦和掌握有效物理學習方法，在進行仿真實驗教學時還要注意向學生呈現實驗的假設與任務。實踐中，仿真實驗假設的設計與提出必須建立在明確實驗原理基礎上，若出現學生實驗原理掌握不夠的情況，即便是能熟練操作仿真實驗軟件，依然不能得到正確有效的實驗結論。要避免這一情況發生，仿真實驗之前教師就可以指導學生翻閱書本教材對實驗原理進行了解掌握，待對相關物理知識進行有效學習以后，再利用仿真實驗軟件中的設置功能對相關實驗進行設計，最終在實驗演示操作、物理現象分析、動量計算等中，實現對運動原理的反復驗證，進而得到更為準確的實驗結論。

三、 實際案例分析

在有效了解仿真實驗在高中物理教學中的積極作用和實踐應用策略以后，教師進行高中物理教學，就可以選擇合適虛擬仿真軟件，比如“geogebra”“algodoo”“tracker”和仿真物理實驗室等，對物理實驗活動進行精心設計，然后引導學生操作、模擬和分析，以此加深物理知識理解和發展學科核心素養。下文以高中物理驗證動量守恒定律實驗為例，詳盡探討虛擬仿真軟件在該實驗中的有效應用及取得效果。

（一）NOBOOK虛擬實驗平臺

作為一款用于輔助高中物理教學的虛擬仿真軟件，它基本可以覆蓋高中物理教材所有的實驗，比如力學、光學、電與磁等，甚至還可以支持教師和學生進行DIY實驗。整體來看，NOBOOK操作十分簡單，可以即時生成實驗現象，并支持計算機、平板電腦等進行數據共享，對傳統實驗起到較好的輔助作用，學生無論是觀察實驗現象，還是動手設計操作實驗，都非常方便靈活。

（二）了解實驗思路

在依托NOBOOK虛擬實驗平臺組織開展驗證動量守恒定律虛擬實驗之前，教師要先引導學生對實驗的具體思路進行有效梳理，這樣學生進行虛擬實驗操作時才會有條不紊。通過學生對書本教材呈現動量守恒定律知識進行學習和了解以后，就可以知道對動量守恒定律進行驗證，具體思路是：①兩個物體碰撞前沿著同一直線進行運動，在發生碰撞后仍然沿著這條直線進行運動，這種碰撞就是一維碰撞。②在一維碰撞情況下，與物體運動相關的物理量只有物體的速度與質量。③假設兩個物體的質量分別用m1和m2表示，物體碰撞之前的速度v1和v2，物體碰撞之后的速度用v′1和v′2進行表示，假設速度與設定坐標軸方向一致就取正值，反之就取負值，通過探究m1v1+m2v2=m1v′1+m2v′2是否成立，見圖1所示。

圖1? 驗證動量守恒定律的實驗裝置圖示

（三）創設相應情境

教師在引導學生對驗證動量守恒定律的實驗思路進行細致了解以后，就可以通過創設教學情境提出相關問題，以激發學生學習主動性。執行時教師可以引入研究氣墊導軌上滑塊碰撞時的動量守恒情境，見圖2，讓學生根據NOBOOK虛擬實驗平臺展現畫面，思考整個實驗需要運用哪些實驗器材，需要注意觀察的物理量是什么等問題。然后通過學生進行使用天平測量兩個滑塊的質量m1和m2、調整導軌使之處于水平狀態，并開啟光電計時器系統工作等操作。讓學生觀察用細線將彈簧片彎成弓形放在兩個滑塊之間，使它們處于靜止的狀態，燒斷細線后，這時候兩個滑塊就會往相反的方向進行運動。在學生觀察NOBOOK虛擬實驗平臺觀察到實驗模擬情境以后，教師提出問題：我們可以利用哪個公式計算出兩滑塊相互作用前后的速度？這時學生根據實驗展現的滑塊上遮光條的寬度Δx和光電計時器顯示遮光時間，就可以知道通過v=ΔxΔt公式可計算出兩滑塊相互作用前后的速度。創設實驗情境后，教師設置了許多相關的問題，因此學生參與思考積極性得到了提升，后面仿真演示的在一個滑塊上裝彈簧，使兩個滑塊相互碰撞、在兩個滑塊的碰撞端分別裝上撞針和橡皮泥，兩者碰撞后粘在一起實驗操作，學生觀察思考熱情也非常高。最終根據創設實驗情境得到的物理量，將之填入碰撞前和碰撞后速度、質量表格當中，看在允許范圍內動量是否守恒。

圖2? 驗證動量守恒定律裝置

（四）呈現實驗任務

教師在仿真實驗教學中，要引導學生進行有效的物理實驗設計，執行時就可以借助設計實驗假設的方式，為學生呈現實驗任務和引導學生自主探究。實踐中教師要先指導學生通過翻閱教材對本次實驗原理進行細致的了解，在深入把握相關知識內容以后，就可以讓學生通過計算機和虛擬實驗軟件進行操作。所呈現的實驗任務包括測出參與測試兩個物體的質量和物體各自碰撞前后的速度，分別用m1、m2和v1、v2、v′1、v′2表示。根據公式p=m1v1+m2v2、p′=m1v′1+m2v′2計算出碰撞前后的動量p和p′。在把握這些實驗任務之后，學生就可根據實驗原理，利用NOBOOK仿真實驗軟件中的設置功能，通過設計兩個小球，使小球質量保持相同，再利用運動原理將一個小球向另一個小球進行撞擊，根據監測所得數據對兩個小球的速度進行確定，然后根據所得數據信息完成動量計算，在學生經過對比以后就能發現能量是否守恒，見圖3。另外，要保證所得數據信息和實驗結果準確性，學生還可以在教師引導下，對上述實驗進行反復操作驗證，操作時還可以通過NOBOOK仿真軟件對小球、速度等實驗參數進行重新設置，在準確記錄每一次的動量變化以后，通過對比分析也能完成對動量守恒定律的有效驗證。

圖3? 驗證動量守恒實驗任務

（五）學生探索真知

盡管在虛擬仿真物理實驗中，教師給予了學生充足的時間進行實驗操作和思考分析，但是課堂時間畢竟十分有限，不可能讓學生有更多的實驗試錯機會。這就要求教師要扮演好自身引導者的角色，通過提供極具針對性的啟發引導，促使學生朝著正確方向思考操作，并保證最終得到實驗結論真實準確。在通過NOBOOK虛擬實驗平臺引導學生進行動量守恒定律驗證時，教師可以在第一時間啟發學生，比如學生可以自己嘗試打開仿真實驗操作界面，通過軟件功能模塊選準兩個相同小球實驗對象，在打開設置按鈕之后完成對兩個小球質量、速度、坐標等參數的有效設置。待完成這項工作以后，將注意力放在實驗環境設置上面，操作中可以將小球運動軌道的摩擦系數設置為零，運動軌道的總長度設置為30米，將完成實驗參數設置的兩個小球分別放到運動軌道的兩端，使兩者按照設定好的運行速度進行碰撞，針對界面呈現出的實驗小球運動過程，學生要注意對小球的運動特點進行觀察，針對初始碰撞的小球運行速度也要觀察記錄。最后對開展實驗的所有參數進行重新設置，再進行同樣的實驗操作，整個實驗次數不得低于3次，在對不同實驗得到數據結果進行對比分析以后，就能得到最終的實驗結果。整個過程中學生有了教師的啟發引導，學生學會了遵照物理原理進行仿真實驗，并將之前教師引導得到實驗結果與后面改變設置參數自己演示操作得到的實驗結果進行對比，就能完成對動量守恒定律的深入探究，整個過程中學生物理綜合實踐能力得到鍛煉與提升。

四、 結論

文章是對仿真實驗在高中物理教學中運用措施的分析。新時期教師通過利用仿真實驗軟件引導學生進行高中物理實驗學習操作，可以解決傳統實驗教學存在的投入資源過多、實際操作困難、無法兼顧所有學生等問題。實踐中教師需要圍繞具體的實驗教學目標，對相應實驗教學情境進行創設，在充分調動學生主觀能動性后，通過呈現實驗任務、加強啟發引導等方式，讓學生通過NOBOOK仿真實驗軟件界面進行自主實驗設計與操作，并在深入探究和歸納總結中，順利實現實驗教學目標。

參考文獻：

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