虛擬實驗軟件與高中物理實驗融合的設計

摘" "要：在智慧教育的推動下，各類虛擬實驗軟件與物理實驗的融合是物理教學的內在需求，在提升教學效果和激發學生學習內驅力方面有顯著成效。以Tracker軟件輔助“振動的描述”教學為例，開展了融合必要性評估、融合軟件選取、融合目標設計、融合過程設計、融合效果評價，為教師在設計融合課時提供參考。

關鍵詞：虛擬實驗軟件； 物理實驗； Tracker軟件； 簡諧運動

在人工智能爆發式發展的時代，創新能力和實踐能力變得尤為重要。物理實驗作為物理教學的核心，對于培養學生的科學探究能力和創新實踐能力具有至關重要的作用[ 1 ]。虛擬實驗軟件的應用為解決傳統物理實驗教學中的挑戰提供了新的解決方案。傳統物理實驗教學常常受實驗設備的局限性、課時時長的固定性、實驗過程的復雜性以及學生參與度不足的限制。虛擬實驗軟件與物理實驗教學的融合，能提升物理實驗教學的效率，提高學生的物理學習興趣，增強學生的科學探究能力[ 2 ]，也有助于培養學生的創新思維、批判性思維和實踐能力。

1" 虛擬實驗軟件與物理實驗相融合的原則

虛擬實驗軟件與物理實驗相融合是現代教育發展的必然趨勢，為確保融合效果，需要遵循以下原則：

（1）整合性原則：虛擬實驗軟件應與物理實驗教學內容和目標緊密結合，形成有機的整體。在融合過程中，保留學生動手進行物理實驗探究的部分，運用虛擬軟件來處理傳統實驗不好解決的部分。例如：在“平拋運動”中，讓學生經歷教材中平拋運動的實驗探究過程，教師再引導運用Tracker軟件追蹤物體的運動過程，可以將物體的運動軌跡直觀化，將“運動的合成與分解”方法具象化，幫助學生更好地進行模型建構[ 3 ]。

（2）互動性原則：在實驗探究課中，虛擬軟件的應用應促進師生之間、學生之間的互動交流。通過虛擬實驗軟件將教師的演示實驗與學生分組實驗相結合，教師引導、學生合作學習、交流與評價，讓學生深度地參與到實驗探究過程中，使互動多元化。

（3）個性化原則：在課外的探究活動中，虛擬軟件的應用能支持個性化學習，滿足不同學生的學習需求[ 4 ]。學生通過課內與傳統實驗的融合應用，掌握虛擬軟件的使用方法與特性，在課外能運用虛擬實驗軟件代替實驗室里的部分專業器材進行測量與分析，提高課后實踐探究活動的熱情與探究質量。

（4）可持續性原則：虛擬實驗軟件在物理實驗教學中的應用應注重長期效果，促進學生的持續學習和發展。在選擇融合所需的虛擬實驗軟件時，盡量選擇適用范圍較廣、操作簡單、實驗效果明顯的軟件，有利于學生的長期使用，使得一部分虛擬實驗軟件成為學生熟悉的“實驗器材”。

2" 虛擬實驗軟件與高中物理實驗融合的設計模型

虛擬實驗軟件與高中物理實驗融合主要經歷5個階段：融合必要性評估、融合軟件選取、融合目標設計、融合過程設計、融合效果評價，從融合效果反思融合的必要性、融合軟件的選取是否適當，進而不斷優化融合課的質量。5個階段的操作順序如圖1所示。

3" 融合必要性評估

虛擬實驗軟件與物理實驗的融合，目的是幫助學生探索物理規律，提高動手能力，應以傳統實驗為主，讓學生獲得真實的實驗體驗，運用虛擬實驗軟件突破實驗壁壘，起輔助作用。因此，不是所有實驗都需要與虛擬實驗軟件融合，更不能用虛擬實驗代替傳統實驗。在設計實驗探究課之前，需要對教材中的原型實驗進行分析：在實際操作過程中會出現什么困難？學生學習的難點在哪里？是否需要借助虛擬實驗軟件？

在“振動的描述”這節課中，對應的課標要求：能用公式和圖像描述簡諧運動。而魯科版教材中設計的原型實驗（如圖2）在授課中存在以下困難：

（1）教材中彈簧振子位移隨時間變化的數據（如圖2中的表2-2）是直接給出的，沒有實驗支撐，說服力不強；

（2）描繪簡諧運動的振動圖像采用的是圖2中的2-12的實驗：在振子下方固定一毛筆頭，勻速拉動紙板，在紙板上描繪振動圖像。要求紙板勻速運動，實驗的可操作性不強，不能定量地得出簡諧運動的位移公式。

（3）因為簡諧運動的位移公式是教材直接給出的，為了讓學生更好地理解位移公式，引出了圖2中的2-14的實驗，該實驗能直觀地觀察到小球的投影點在做往復運動，卻不能證明投影點的運動是簡諧運動。

因此，教材中的原型實驗不能很好地幫助學生理解簡諧運動的圖像和位移公式，需要借助虛擬實驗軟件來輔助實驗。

4" 融合軟件的選取

融合軟件的選取要考慮原型實驗的困難點、學生學習的難點、各種虛擬實驗軟件的優勢，選出適合的實驗軟件。如“振動的描述”在魯科版教材中的原型實驗存在的困難主要是無法實時追蹤彈簧振子的運動過程，并且將“位移-時間”關系定量地表示出來。學生學習時，只能看到物體快速地往復運動，不能理解一維的簡諧運動與二維的圓周運動有關系。Tracker軟件具有出色的追蹤能力和建模功能，能完成物體二維運動的追蹤，并對兩個方向互相垂直的運動分別建模，操作簡單，在力學實驗中有很多很好的運用，有利于學生的長期使用。因此選擇Tracker軟件與簡諧運動、圓周運動相融合來突破本節的教學難點。

5" 融合目標設計

融合目標的設計，需要綜合考慮學情分析與課標要求。

5.1" 學情分析

設計融合課分析學情時，一是要分析學生所掌握的前置知識及所能運用的科學思維方法，二是要清楚學生所具備的信息技術基礎。“振動的描述”的學情分析如表1。

5.2" 融合目標設計

設計融合目標時，還需根據教材內容對課程標準的內涵進行析解。從學科核心素養出發，“振動的描述”的融合目標如表2。

6" 融合過程設計

融合過程是實現融合目標的載體，是融合課的呈現過程，是一節融合課能否成功的關鍵。設計時，要注意融合目標的落實、教學重難點的突破、還要關注學生積極性的調動，師生、生生之間的互動及評價環節的設置。

（1）實驗教學設計思路

“振動的描述”的實驗設計思路如圖3，采用問題驅動式的情境化教學，以“如何描述物體的振動”為核心問題引領學生學習，設計了3個子問題驅動學生主動思考，設置了課內與課外兩個延伸問題作為評價。以Tracker軟件與彈簧的簡諧運動、金屬塊的圓周運動相融合創設真實的實驗探究情境，實現定性實驗向定量實驗的轉化，突破學生的學習難點。

（2）課堂主要環節的實施

環節一：創設情境，問題引入。

觀看熊貓蕩秋千的視頻，引出核心問題：如何描述物體的振動？引導學生回顧機械振動及簡諧運動的特征。總結：機械振動中，描述運動快慢的速度、加速度都與位移有關，可以用位移來描述振動。

提出子問題1：什么物理量不會隨位移變化，也能描述振動？

環節二：分組實驗，初步建立概念。

學生分組觀察：將豎直彈簧振子的鉤碼拉到不同位置釋放，猜想振動過程中的不變量。

學生猜想：①振子偏離平衡位置的距離是不變的。教師引導建立振幅的概念。

②每個全振動的時間可能不變。引導學生建立周期、頻率的概念。

提出子問題2：能不能用這個實驗裝置來驗證你的猜想？實驗過程中，你遇到了什么困難？

學生：振子上下振動不夠穩定、單個全振動時間太短無法測量、振動太快無法確定振子的位置等。

環節三：演示實驗，突出重點。

引導思考：如何解決振動不穩定的問題呢？

嘗試在鉤碼下方再加一根一樣的彈簧，發現振子的晃動問題得到解決。

教師進一步引導：用Tracker軟件確定鉤碼的位置與時間信息。用新實驗裝置重做實驗，并用手機拍下振動過程。將拍攝下來的視頻導入到Tracker軟件，追蹤振子的振動過程（如圖4），在屏幕右側直接看到y-t圖像，分析圖像找出振幅、周期，確定可以用周期、頻率、振幅描述機械振動。

引導學生：把坐標系的原點設置在平衡位置，y-t圖像實際上是振子的位移隨時間的變化關系。它們滿足什么關系呢？學生觀察，猜想：滿足正弦函數關系。按正弦函數擬合（如圖5），實驗數據線與正弦函數曲線重合，分析A、B、C、D的物理意義，定量得到簡諧運動的位移公式：

y=sin（ωt+φ） ①

環節四：實驗進階，培養批判性思維。

提出子問題３：振幅、周期、頻率都可以用來描述振動。同一簡諧運動的周期與振幅有關嗎？

實驗：改變鉤碼振動的振幅，讓學生用Tracker軟件找出各自的振動周期（如表3）。理解固有周期、固有頻率的概念。

表 3" 同一簡諧運動的周期與振幅的變化關系

引導學生對實驗結果進行評價：Tracker軟件中振幅能精確到10-5 m，時間可以精確到10-3 s。實驗精確度真的能達到這么高嗎？實驗的主要誤差來源是什么？

學生經過交流與討論，發現實驗的精確度不完全由軟件決定，實驗的主要誤差還包括：（1）拍攝視頻時物體離鏡頭的距離不同，會有“近大遠小”的問題；（2）建立定標桿時存在誤差；（3）在追蹤過程中，將鉤碼看成質點，而每次追蹤的點不一定相同；（4）視頻的時間以幀計算，并不連續，有可能沒有追蹤到最遠點。

通過實驗誤差分析，找出誤差來源，學生能辯證對待軟件給出的結果，培養批判性思維。

環節五：拓展延伸，突破難點，表現性評價。

提出延伸問題：在位移公式中，用到角速度，而角速度是描述圓周運動快慢的物理量，圓周運動與簡諧運動有什么關系呢？如何用Tracker軟件追蹤物體的二維運動？

學生：可以將圓周運動分解為互相垂直的兩個方向的運動。

學生動手實驗：并用手機拍攝圓周運動的視頻。將視頻導入Tracker軟件進行追蹤（如圖6），得到x-t圖像和y-t圖像，分別擬合，發現x、y方向均做簡諧運動（如圖7）。勻速圓周運動可以分解為兩個相互垂直的簡諧運動，即簡諧運動是圓周運動往某一方向的投影。自然地引入簡諧運動的位移公式的理論推導，加深學生對位移公式的理解，突破難點。

環節六：課后拓展，提高參與度。

布置課后探究作業：用Tracker軟件輔助分析你在生活中遇到的振動問題，與今天所學的簡諧運動圖像、公式進行比較，有什么異同點，為什么？

課后探究作業只提供了探究的方向，給學生的課后學習提供了個性化發展的空間，也為接下來要學習的阻尼振動做鋪墊。

7" 融合效果評價

融合效果評價是對融合課的反思，可以從教學目標的落實情況、學生參與度、課堂評價、課后評價等方面進行。“振動的描述”這節融合課的評價如下：

（1）教學目標的落實：運用Tracker軟件與傳統的物理實驗相融合，能直觀得到“位移-時間”圖像，將定性實驗定量化，加深學生對簡諧運動位移公式的理解，提高了實驗課的效率。

（2）學生參與度：通過對物體運動的追蹤、擬合，學生能深度參與到實驗中，對實驗過程有形象的認識，降低了學習難度。不足之處：受教室電腦數量限制，融合實驗無法分組，通過設計課后探究活動，引導學生課后進行實踐操作，提高參與度。

（3）課堂評價：在實驗教學過程中，通過學生動手實驗、追蹤物體、擬合位移方程來設計表現性評價，通過對實驗結果的交流討論、誤差來源的分析進行“預測—觀察—解釋”活動評價[ 5 ]，作為融合課有效性的評價依據，融合效果良好。

（4）課后評價：Tracker軟件不僅在本節課的融合中取得了很好的實驗效果，在課后跨學科實踐活動中，也有很大的應用價值。學生不愿意做課后探究活動的原因之一：缺乏測量器材，無法定量分析。學會Tracker軟件，可以解決大部分力學問題，提高學生實驗探究的熱情，提升課后探究的質量。

8" 總結

物理學是一門以實驗為基礎的學科，在培養學生的實踐探究能力、創新思維、批判性思維方面有不可替代的作用。在信息技術飛速發展的今天，將傳統實驗與虛擬實驗軟件融合是上好實驗課的新方法。教師在設計融合課時應讓學生充分地參與到實驗探究中，精選虛擬實驗軟件讓實驗效果明顯化、實驗過程形象化、實驗結果定量化。如此，才能充分發揮虛擬實驗軟件的優勢，激發學生學習內驅力，培養學生運用信息技術解決問題的意識，為學生課外探究活動和跨學科實踐活動提供助力。

參考文獻：

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［3］ 高嵩，郅文龍，蔡陽健. 利用Tracker幫助學生進行平拋運動建模[J].中學物理，2023，41 （21）：25-28.

［4］ 張華杰，戴穎，黃志高.基于Tracker軟件的學生居家探究實驗：以蹦極運動為例[J].物理通報，2023（9）：116-120.

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