互動模擬軟件對高中物理問題解決能力的影響研究

摘 要：文章通過分析軟件在不同類型問題中的應用效果，探討軟件輔助解題的優勢與潛在風險，并指出軟件應用的局限性及相應的應對策略。研究表明，恰當運用互動模擬軟件能優化解題策略，進而有效提升學生的問題分析、結果驗證與反思能力。然而，軟件的使用也存在一定局限性，需要教師合理把控和引導。研究為提高高中物理教學效果和學生問題解決能力提供了新的思路和方法。

關鍵詞：互動模擬軟件；高中物理；問題解決能力；運動描述

中圖分類號：G632 文獻標識碼：A 文章編號：1008-0333（2025）15-0050-03

收稿日期：2025-02-25

作者簡介：王東紅，從事高中物理教學研究。

高中物理教學中，“運動的描述”作為一個基礎而關鍵的章節，涉及多個抽象概念和復雜運動分析，學生在理解和應用這些概念時常遇到困難，這對教師的教學方法和策略提出了挑戰。隨著教育信息化的發展，互動模擬軟件作為一種新興的教學工具，展現出了改善這一狀況的潛力。研究旨在探討互動模擬軟件如何在“運動的描述”章節教學中發揮作用，重點關注其對學生物理概念理解的深化效果和問題解決能力的提升作用，以期為優化物理教學提供新的思路和方法。

1 互動模擬軟件在“運動的描述”章節教學中的應用價值

1.1 傳統教學中的難點分析

學生對位移、速度、加速度等概念的理解往往停留于表面，難以深入把握其物理本質。在處理參考系和相對運動問題時，學生常表現出困惑，難以正確建立物理模型。復雜運動的分析，如曲線運動和合成運動，對大多數學生而言難度較大。運動圖像的繪制和解讀是另一個重要難點，學生在將抽象概念與具體圖像對應時經常出現錯誤［1］。這些難點影響學生對基本概念的掌握，阻礙其解決復雜物理問題能力的發展，進而影響后續學習的質量和效果。

1.2 互動模擬軟件的優勢及應用方式

互動模擬軟件在解決“運動的描述”教學難點方面優勢顯著，應用方式多樣。該軟件將抽象物理概念可視化，使學生直觀感受運動過程，加深對位移、速度、加速度等核心概念的理解，其動態模擬環境允許學生自主調節參數，觀察運動變化，有助于建立正確物理模型。對復雜運動，軟件可分解過程，幫助學生理解運動合成本質，并實時生成圖像，展示物理量與圖像關系［2］。教師可在課堂演示、學生探究、問題解決和虛擬實驗環節，靈活運用互動模擬軟件展示運動軌跡、驗證公式、分析復雜運動、模擬各種情景，并結合實物實驗，增強學生理論聯系實際的能力，深化其對運動規律的理解。軟件的強交互性能夠激發學生學習興趣，促進其主動探索思考，全面提高解決物理問題的能力。

2 基于互動模擬軟件的“運動的描述”教學設計

2.1 教學目標與內容分析

基于物理學科核心素養，“運動的描述”教學目標應涵蓋：物理觀念方面，深化對位移、速度、加速度等概念的理解；科學思維方面，培養運動分析和模型構建能力；科學探究方面，提升虛擬實驗設計和數據分析能力；科學態度與責任方面，激發探索精神和批判性思維。教學內容聚焦勻速直線運動、變速直線運動和運動的合成與分解等核心知識點，通過互動模擬軟件創設情境，引導學生將所學知識應用于解決實際問題，全面提升物理核心素養。

2.2 軟件選擇與應用策略

選擇教學軟件時，應考慮功能完備性、操作便捷性和契合度。推薦PhET、Algodoo等知名軟件或國內專業教學軟件，須具備軌跡顯示、實時計算、參數調節等功能［3］。應用策略上，教師要根據教學目標合理安排使用。概念引入時演示建立認識，練習階段鼓勵自主操作探索參數影響，總結時驗證結論加深理解。還要注意引導學生關注軟件模擬與實際現象的聯系和區別，確保軟件有效輔助教學。

2.3 典型教學案例展示

以“勻變速直線運動”為例，設計基于互動模擬軟件的教學案例。課前，教師通過軟件預設典型的運動情境，包括位移-時間圖像分析和運動分解合成等重點問題。課堂導入時，利用軟件展示日常生活中的勻變速運動實例，引導學生關注運動過程中的關鍵物理量。在概念講解階段，軟件動態展示位移、速度、加速度間的定量關系及其圖像表現。學生在實踐環節通過調整運動參數，探索物理量變化規律，特別是運動方向改變時的圖像特征和復雜運動的分解方法，教師引導學生分析結果，幫助他們形成從觀察現象到建立模型與從分析問題到解決問題的完整思維過程。

3 互動模擬軟件對物理問題解決能力的影響

3.1 概念理解的深化

互動模擬軟件通過動態可視化展示，有效深化了學生對核心概念的理解。在運動學教學中，位移與時間及速度等基本物理量之間的關系一直是學生理解的難點。互動模擬軟件的引入為解決這一問題提供了新的途徑，以理解位移-時間圖像為例，軟件能夠動態展示物體運動的連續過程，并實時生成相應的圖像，這種即時的雙向對應讓學生能夠直觀地認識到運動狀態與圖像特征之間的關系。學生通過調整運動參數，如速度與運動方向等，可以觀察圖像的相應變化，從而建立起物理量之間的內在聯系。

例1 一個物體做勻速直線運動從甲地到乙地，該物體在乙地停留一段時間后，又從乙地做勻速直線運動返回到甲地。如圖1，在描述該物體整個運動過程的幾個位移圖象中，正確的是（）。

解析 通過互動模擬軟件的演示，學生能夠系統地理解：位移-時間圖像中，運動方向的改變表現為斜率的正負變化，而不是時間的倒退，當物體從甲地到乙地時，位移隨時間均勻增加，呈現為斜率為正的直線段；在乙地停留期間，位移保持不變，表現為水平線段；返回甲地時，位移隨時間均勻減小，顯示為斜率為負的直線段。通過軟件的輔助，學生不再是簡單地記憶圖像特征，而是能夠從物理本質的角度理解及分析問題，為掌握更高層次的物理知識奠定了堅實基礎。

3.2 問題解決能力的提升與應用實效

互動模擬軟件的應用顯著提升了學生的物理問題解決能力。軟件通過提供可視化的動態模擬環境，幫助學生建立了從問題分析到解決方案設計的完整思維鏈條。學生能夠通過軟件模擬不同的物理情境，驗證自己的解題思路，并在實踐中不斷優化解決方案。

例2 如圖2甲所示，以9。8 m/s的初速度水平拋出的物體，飛行一段時間后，垂直地撞在傾角為30°的斜面上。可知物體完成這段飛行的時間是。

在這個平拋運動問題中，互動模擬軟件的應用體現了其提升問題解決能力的多個方面：第一，通過軟件的動態演示，學生能夠準確把握問題的物理情境，理解“垂直撞擊”的具體含義；第二，借助軟件的運動分解功能，學生學會了將復雜問題化簡為基本問題的方法，提升了問題分析能力；第三，通過調節運動參數并觀察結果，學生能夠檢驗自己的解題思路，培養了解決問題的自信心；第四，軟件的即時反饋功能使學生能夠及時發現并糾正解題過程中的錯誤，提高了解決問題的準確性。

解析 通過軟件輔助，學生可以系統地解決此類問題：首先利用軟件理解物體的運動過程，準確識別水平初速度及垂直撞擊這兩個關鍵條件；然后借助軟件的分解功能，將末速度分解為水平及豎直分速度（如圖2乙所示），理解速度分解的物理意義；接著運用平拋運動的基本規律，分析水平速度保持不變（v0=v1）的特點；最后根據垂直撞擊條件及豎直方向的自由落體運動規律，求解運動時間。這個過程充分展示了學生在軟件輔助下解決物理問題能力的全面提升。

4 互動模擬軟件在物理問題解決中的應用與局限性

4.1 軟件在不同類型問題中的應用效果及優勢互動模擬軟件在“運動的描述”章節的教學應用中，主要體現出了概念理解和問題解決兩方面的優勢。在概念理解方面，軟件通過動態可視化手段，使學生直觀理解物理量之間的內在聯系，例如在位移-時間圖像分析中，軟件能實時展示運動過程與圖像變化的對應關系，有效提升學生對圖像特征的理解深度［4］。在問題解決方面，軟件對復雜運動問題（如平拋運動）的處理尤為有效，通過運動分解功能幫助學生建立系統的分析思路，軟件的即時反饋機制既支持學生探索不同解題策略，又能及時驗證解題結果，培養了學生科學探究能力的同時，提高了解決實際物理問題的效率及準確性。

4.2 軟件應用的局限性及應對策略

互動模擬軟件在物理教學中雖發揮重要作用，但仍存在局限性：難以完全模擬復雜力學分析問題，如連續變力運動；對需深入數學推導的理論問題作用有限；基于理想化模型，難以完全反映真實世界復雜性；計算精度可能受限；某些深奧概念和復雜推導過程難以直觀展示。過度依賴軟件可能導致學生忽視基本原理和推導能力培養，不利于批判性和創造性思維發展［5］。針對這些局限，教師可采取策略：結合實物實驗對比差異，設計層次化問題；強調基礎理論重要性，鼓勵探討模擬結果合理性，培養科學質疑精神；合理把控軟件使用，引導學生正確認識其輔助作用，培養辨別能力。這些措施不僅能提高軟件教學效果，還能克服局限性，最終全面提升學生的物理問題解決能力。

5 結束語

互動模擬軟件在高中物理“運動的描述”教學中的應用，為提升學生的問題解決能力開辟了新的路徑。互動模擬軟件通過深化概念理解、優化解題策略和提升結果驗證與反思能力，顯著提高了教學效果。然而，研究也指出了軟件應用的局限性。教師在使用互動模擬軟件時需要采取適當的策略，如結合實物實驗、強調基礎理論，以克服這些局限性。未來，隨著技術的進步和教學實踐的深入，互動模擬軟件在物理教學中的應用將更加廣泛和深入，但其使用應始終服務于提升學生的物理思維和問題解決能力。

參考文獻：

［1］ 高丹。運用信息技術開展高中物理情境教學的實踐研究［J］。中小學電教，2023（Z2）：146-148。

［2］ 夏敏。互動式教學主體的PhET計劃在物理教學中的應用［J］。物理通報，2014（10）：5-8。

［3］ 龔武元。高中物理教學中的問題解決能力培養策略研究［J］。數理天地（高中版），2023（24）：87-89。

［4］ 簡偉偉。指向問題解決的高中物理結構性思維教學策略：以斜面上斜拋運動的思維分析為例［J］。教學考試，2023（31）：35-37。

［5］ 魯移林。整體思想解決高中物理力學問題的方法［J］。數理天地（高中版），2023（08）：18-20。

［責任編輯：李 璟］