情境模擬在高中物理實驗教學中的應用研究

摘 要：在教育改革不斷深化的背景下，高中物理實驗教學的創新成為提升教學質量的關鍵。情境模擬作為一種極具潛力的教學方法，為高中物理實驗教學開辟了新路徑。本文首先闡述了情境模擬的設計框架，接著以“賽車競速”為主題的實踐案例詳細展開，描述了如何構建賽車模擬場景，讓學生在扮演角色中探究賽車加速度與力、質量的關系，最后針對教學實踐進行反思與改進，旨在為高中物理實驗教學改革提供全面且深入的參考，促進物理學科素養在學生群體中的有效培育。

關鍵詞：情境模擬；高中物理；實驗教學；應用實踐

在高中物理教學中，實驗教學對于學生理解物理概念和規律至關重要。然而，傳統的實驗教學方式存在趣味性不足、學生參與度不高等問題。而情境模擬教學主要將抽象的物理知識融入生動的情境中，以激發學生的好奇心和探究欲望。本文則從情境模擬教學切入，以人教版高一必修第一冊第四章“實驗：探究加速度與力、質量的關系”為例展開探討，以此深化學生對物理知識的理解，全面提升高中物理實驗教學的質量。

一、情境模擬在高中物理實驗教學中的設計框架

（一）情境主題選擇

情境主題是整個情境模擬教學的核心引導。在高中物理實驗教學中，對于主題的選擇，教師應關注以下三點：

1.主題選擇應緊密圍繞物理課程標準與教學目標，需具有針對性，能準確涵蓋特定的物理知識點或概念體系，確保學生在情境體驗中可以接觸到關鍵的物理內容[1]。

2.主題還具有啟發性和拓展性，能夠激發學生的好奇心和探究欲望，引導他們主動深入情境去探索物理原理，以滿足不同層次學生的學習需求。

3.從學科融合角度看，可適當與其他學科相關內容交叉，增強情境的豐富性、綜合性，但要以物理知識為主導。

（二）情境元素構建

1.物理元素

物理元素是情境模擬的靈魂所在，包括物理概念、規律、實驗原理等。這一系列元素應以直觀且符合邏輯的方式呈現，以便學生能在情境中清晰地感知物理知識的存在、作用，實現知識的有效遷移、運用[2]。

2.環境元素

環境元素主要為物理情境提供背景支持，可以是虛擬的實驗環境，也可以是模擬現實中的物理場景，旨在增強情境的真實性、沉浸感。同時，環境元素的設計要考慮對物理過程的呈現和對學生感知的影響，避免過于復雜或簡單而影響物理知識的傳達。

3.角色元素

角色元素能夠為情境模擬增添活力。在高中物理實驗情境中，教師應作為引導者角色，學生則應化身為實驗操作者、數據記錄者等角色，不同角色之間形成明確的分工、互動，完成特定的任務，發揮其在物理實驗探索中的作用。由此，學生在情境中有明確的行為指向，能從不同視角理解物理實驗過程，于無形之中培養團隊協作能力和自主探究能力等。

（三）交互設計

1.學生與情境的交互

學生與情境的交互是知識獲取的直接途徑。這種交互主要通過學生在情境中的操作和觀察行為實現，如操作實驗儀器、觀察物理現象等。交互需具備引導性、反饋性，引導性可促使學生朝著理解知識的方向行動，反饋性則讓學生知曉自身操作的結果。由此，學生能夠依據反饋主動思考、調整學習策略，從而深入理解物理規律，逐漸提升對知識的掌握程度和運用能力，真正將物理知識內化為自己的認知。

2.學生與學生的交互

學生之間的交互有利于知識的共享和思維的碰撞[3]。在物理實驗情境中，學生可以共同討論實驗方案、分析實驗結果，從同伴處獲得不同的觀點、思路，拓寬自己的思維視野。同時，學生在合作完成實驗任務的過程中，能夠培養溝通能力和團隊精神。因此，交互設計要注重為學生創造平等、積極的交流氛圍，避免出現個別學生主導或交流無效的情況。

3.學生與教師的交互

教師在情境模擬教學中扮演著重要的指導角色。學生與教師的交互應是及時且具有針對性的。如教師可以在學生遇到困難時提供提示，引導學生思考物理問題的方向；在學生得出實驗結論后，教師可以與他們共同討論，深化學生對物理知識的理解。這種交互設計要求教師準確把握學生的學習狀態和問題所在，以合適的方式引導學生在情境中不斷進步。

二、情境模擬在高中物理實驗教學中的實踐案例

下面，以人教版高一必修第一冊第四章實驗：探究加速度與力、質量的關系為例，探究情境模擬在高中物理實驗教學中的實踐。

（一）情境主題的選擇與構建

1.主題選擇

本實驗以“賽車競速”為主題，構建賽車模擬場景，讓學生扮演賽車手，通過調整賽車的“動力”（力）和“重量”（質量），探究賽車加速度的變化規律。該主題將抽象的物理概念具象化，緊密圍繞高中物理課程標準與教學目標，具有很強的針對性、啟發性。同時，賽車對于學生而言極具吸引力，能夠極大地激發他們的好奇心和探究欲望，促使他們主動參與到實驗探究中。

2.情境構建

（1）物理元素

在“賽車競速”情境中，物理元素包括代表賽車的小車模型、模擬動力變化的砝碼、模擬賽車重量變化的配重、測量賽車運動參數的光電門等。這些元素分別對應著實際賽車中的不同部分和物

理量。

在實驗開始前，教師可通過生動的動畫演示或實物模型講解，向學生介紹每個元素與真實賽車場景的關聯，如砝碼增加相當于賽車發動機功率提升帶來更大的牽引力，配重改變如同賽車增減裝備改變質量，以此引導學生理解加速度、力、質量這些核心物理概念在賽車情境中的體現和相互關系，為實驗做好理論鋪墊。

（2）環境元素

教師可選擇學校的實驗室作為主要實驗環境，實驗室中設置模擬賽車賽道的區域，地面做好相應處理以減少摩擦干擾，周圍擺放賽車海報、輪胎模型等裝飾，營造出濃厚的賽車氛圍，增強學生的沉浸感[4]。在實驗過程中，教師可播放精心挑選的賽車比賽視頻，重點展示賽車起跑、加速超越等環節，并且利用視頻分析軟件展示賽車速度變化、距離與時間的關系等數據，讓學生更直觀地觀察賽車在不同階段的加速情況。這些視頻素材將實驗室環境與真實賽車場景緊密聯系起來，能夠為學生理解實驗原理提供豐富的視覺支持。

（3）角色元素

教師可將學生分成若干小組，每組4至5人。每個學生扮演不同的角色，模擬賽車團隊：部分學生擔任“賽車手”，負責操控小車模型在模擬賽道上行駛；有的學生化作“機械師”，負責調整砝碼（動力）和配重（質量）；有的學生作為“數據分析師”，負責記錄和分析光電門（測速裝置）測得的數據；另有學生扮演“策略師”，根據數據分析結果制定下一次的“賽車調校”方案。教師則化身為整個賽車團隊的“總教練”，在實驗過程中指導學生完成各自的任務，解答學生遇到的問題。

（二）模擬實驗設計與實施

1.實驗準備階段

教師可協同學生在實驗室布置好模擬賽車場景，包括搭建好的模擬賽道、準備好的小車（賽車）模型、砝碼、配重、光電門等實驗器材，并確保所有器材能夠正常工作。同時，在實驗室四周展示更多賽車相關資料，如不同賽車的參數介紹、著名賽車手的比賽策略等，進一步強化情境氛圍。

接下來，教師可向學生詳細介紹本次實驗的目的：通過探究物體加速度與所受合外力及物體質量之間的關系，驗證牛頓第二定律。實驗原理：在物體質量不變的情況下，物體的加速度與所受合外力成正比；在合外力不變的情況下，物體的加速度與物體質量成反比。

緊接著，教師指導小組內成員明確自身的角色和職責，確保學生清楚自己要做什么，然后以小組為單位，帶領學生熟悉實驗器材，講解如何操作小車、如何添加和調整砝碼與配重、如何讀取光電門的數據等，同時強調實驗安全注意事項。

2.實驗探究階段

（1）第一輪實驗

每個小組的“機械師”先將小車模型調整到初始狀態，即確定一個基礎的“質量”（配重固定）和“動力”（砝碼固定）。“賽車手”將小車放置在模擬賽道起點，在教師發出指令后啟動小車，使其沿著賽道行駛。“數據分析師”記錄光電門測得的小車通過不同位置的時間和速度數據。完成一次行駛后，小組內成員共同討論，初步感受小車在當前“動力”和“質量”下的加速情況。

（2）改變力的實驗

“機械師”在小組討論后，逐漸增加砝碼（模擬提升賽車動力），每次增加后，“賽車手”重復啟動小車行駛的操作，“數據分析師”持續記錄數據。在這個過程中，“策略師”引導小組討論，隨著“動力”增加，“賽車”加速度的變化規律。教師在各小組間巡視，提醒學生注意觀察數據變化，鼓勵學生思考加速度與“力”之間的關系。

（3）改變質量的實驗

在完成“動力”改變的實驗后，“機械師”保持“動力”不變，開始改變配重（模擬改變賽車重量）。每次改變后，“賽車手”和“數據分析師”重復操作和記錄，小組共同分析隨著“質量”變化“賽車”加速度的變化情況。教師引導學生對比不同“質量”下相同“動力”時的加速度數據，思考質量對加速度的影響。

3.數據分析與結論階段

（1）小組內分析

各小組的“數據分析師”將記錄的數據整理成表格和圖表，包括速度－時間圖像、加速度－動力圖像、加速度－質量圖像等。“策略師”則組織小組成員共同分析數據，嘗試找出加速度與“力”“質量”之間的數學關系。在此過程中，如小組成員發現異常數據點，則需要一起討論可能的原因，如實驗操作中的誤差（小車啟動不平穩、光電門位置不準確等）或者環境因素（模擬賽道上有微小雜物影響小車行駛）等。

（2）小組間交流與全班討論

在小組分析的基礎上，每個小組派代表向其他小組展示自己小組的實驗數據、圖像和初步結論。其他小組可以提問、質疑并提出建議。例如：小組一發現加速度與“力”大致成正比，其他小組可以對比自己的數據是否有相同結論，并且討論在實驗過程中遇到的問題是否會影響這個結論的準確性。在小組間交流后，教師組織全班討論，對比不同小組在相同“動力”和“質量”調整下的數據，進一步驗證加速度與力、質量的關系，得出更普遍的結論，從而使學生理解牛頓第二定律在“賽車競速”情境中的體現[5]。

（三）教學反思與改進

1.教學成果

教師作為教學活動的組織者，通過觀察學生在整個實驗過程中的積極性、參與度，發現：

（1）學生對“賽車競速”主題實驗充滿熱情，通過親手操作和觀察，對實驗原理和物理概念形成了更深入的理解，他們不再覺得加速度、力、質量這些概念是抽象的公式，而是能切實感受到它們在“賽車”加速過程中的作用。

（2）學生之間的合作與交流得到了顯著加強。每個小組內不同角色的學生緊密配合，共同完成實驗任務。在此過程中，他們學會了傾聽他人的意見，分工協作解決問題，培養了團隊精神和溝通能力。如“賽車手”在操作過程中發現的問題能及時反饋給“機械師”和“數據分析師”，共同調整實驗策略。

（3）在實驗數據的分析和處理環節，學生通過繪制圖表、尋找數據規律等操作，成功驗證了牛頓第二定律在模擬賽車情境中的正確性。這提高了他們的實驗技能，還提升了數據分析能力，學會了從數據中發現物理規律，并能運用這些規律解釋實驗現象。

2.不足之處與改進措施

（1）實驗操作問題

部分學生在實驗過程中存在操作不規范的情況，如在添加砝碼或配重時沒有準確固定，導致實驗過程中出現晃動，影響數據準確性；在啟動小車時用力不均勻，使初始速度有差異。針對這一系列問題，教師在后續的實驗教學中可以增加專門的操作練習時間，讓每個學生都有機會多次練習添加砝碼、配重和啟動小車等關鍵操作，確保操作的規范性。

（2）數據分析問題

部分學生在分析實驗數據時缺乏批判性思維和解決問題的能力，只是簡單地根據數據得出表面結論，對于數據中的異常點或者實驗誤差沒有深入思考。為改善此情況，教師可以在學生進行數據分析時提出引導性問題，如“這個數據點與其他數據點差異較大，可能是什么原因造成的？”“我們在實驗過程中有哪些操作可能會引入誤差？”以此啟發學生主動思考，培養他們的批判性思維。

（3）師生互動問題

在教學過程中，教師雖在各小組間巡視，但仍有部分學生在遇到問題時未能及時向教師反饋，導致問題積累影響實驗效果。為加強教師與學生之間的交流、互動，教師可以在實驗開始前向學生明確，遇到任何問題都要及時向教師詢問。同時，教師可以建立有效的反饋機制－設置問題卡片，即學生在實驗過程中遇到問題可以隨時記錄在卡片上，教師定期收集卡片并解答問題，確保能及時了解學生的學習情況和困難，為學生提供必要的幫助、指導，以進一步優化實驗教學過程，提高教學質量。

結束語

綜上所述，情境模擬在高中物理“賽車競速”實驗教學中展現出顯著優勢。通過精心設計情境主題、元素和交互環節，學生積極投入實驗探究中，不僅能深化對加速度、力和質量關系等物理知識的理解，更能在團隊協作、自主探究等能力方面得到鍛煉。然而，實踐過程中也暴露出實驗操作、數據分析、互動不足等方面的問題，這為改進教學提供了方向，通過加強培訓、引導、建立反饋機制等，可進一步完善情境模擬教學。未來，教育者還應持續優化教學設計，讓物理實驗教學在創新中煥發新的光彩。

參考文獻

[1]徐臻成.真實情境下基于誤差評估的高中物理實驗探究設計：以“探究自制平行板電容器”一課為例[J].現代教學，2024（21）：27-28.

[2]李才軍.探究基于真實情境的高中物理實驗教學模式[J].數理天地（高中版），2024（10）：106-108.

[3]彭芳.高中物理實驗情境化教學研究：以“楞次定律探究實驗”教學為例[J].中學物理教學參考，2024，53（4）：58-61.

[4]秦桂寶.素養導向下高中物理教學情境創設的策略[J].新智慧，2024（1）：68-70.

[5]周洪欣.基于真實情境的高中物理實驗教學模式設計與實施[J].數理天地（高中版），2023（20）：66-68.