DeepSeek與仿真實驗賦能高中物理探究式學習

物理是一門基于實驗的科學，眾多物理定律源于對物理現象的觀察與總結，而理解抽象的物理概念也需要實際案例支撐。在高中物理教學中，“力、熱、電、光”等知識板塊設有一定數量的演示實驗，然而“原子”“分子”等概念，以及天體層面的實驗和現象，因微觀或宏觀特性，難以在課堂中直觀展示。教材規定的學生實驗也面臨諸多挑戰，實驗用具的陳舊損壞、系統誤差，以及操作不當等，常常導致實驗結果與理論預期偏差較大。此外，在動量守恒、能量轉化等原理的學習中，學生因缺乏足夠的理性材料支持，只能依賴公式推導構建直觀理解，這不僅降低了學生的學習效率，還打擊了學生的學習熱情。

《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》倡導多樣化學習方式，強調借助多樣化教學手段，運用現代信息技術，引導學生把握物理學本質，全面認識自然界，養成科學思維習慣，提升科學探究與實際問題解決能力。基于此，PhET、GeoGebro、Phyphox 等平臺與軟件為拓展實驗空間提供了新途徑。這些工具能提供豐富、安全的交互式模擬實驗，其操作界面簡潔，易于上手。而近年來生成式人工智能大模型的突飛猛進，如DeepSeek的廣泛運用，為高中物理實驗教學指明了新的方向。本文將結合教學實踐，探討‘ ^?AI+ 仿真實驗”在高中物理教學中的應用。

物理教學“可視化”的突出問題

（一）動畫不“動”，交互缺失的“可視化”

高中物理教學的難點之一在于“可視化”。“可視化教學”旨在通過視覺通道拓寬知識獲取途徑，降低認知難度，在學習初期提升信息處理效率，即“眼見為實”。當前，高中物理課件使用廣泛，但在實踐操作受限或現象不明顯時，演示視頻或圖像雖作為重要補充，動畫占比卻較低；且多數動畫以演示為主，缺乏探究性，由教師按預設程序播放，學生參與度低。這導致模擬動畫雖色彩豐富、實驗誤差小，卻不如實物操作令人印象深刻。

（二）被奪走的“探究權”，高中實驗教學的重重壁壘

在高中物理教學實踐中，“探究式”實驗常淪為“驗證式”實驗。究其原因，主要有以下幾點：教學資源方面，學校實驗室器材陳舊，易產生實驗誤差，且標準化器材難以滿足學生自主探索需求；教師層面，當課堂容量有限時，教師為完成教學目標，會壓縮學生的思考時間，直接給出實驗步驟，或因課堂組織能力不足，導致指令模糊，學生活動流于形式；學生層面，知識儲備不足、實驗操作與分析能力欠缺，以及長期形成的“被動接受式”學習模式，削弱了學生的學習主動性；教學評價方面，“結果導向”的評價方式使學生更關注數據而非過程，且物理實驗與日常學習中開放性評價的缺失，限制了學生思維的長足發展。

以“探究兩個互成角度的力的關系”實驗為例，學生在操作中易出現諸多誤差，如彈簧測力計不匹配、測量范圍小，拉動時未與桌面平行，無法準確繪制力的圖示，實驗結論不符時依賴教師引導得出平行四邊形等。不合理的實驗器具、不規范的操作流程和偶然的實驗結論，降低了學生科學探究的嚴謹性。

“碰撞實驗”的素養育人實踐：AI與仿真的協同創新

與GeoGebro、Phyphox等軟件相比，PhET平臺操作簡便，無技術語言障礙，便于教師短期內掌握并推廣給學生進行課外自主探究。PhET采用“探索一反饋”循環設計，引導學生通過控制變量、反復試錯，理解現象與結論的因果關系。其豐富的情境設計和配套教學資源，如教學設計、實驗截圖、教學模型等，為師生開展仿真實驗提供了有力支持。

（一）誤差控制與科學推理

仿真實驗突破了傳統實驗的硬件限制，有效消除了系統誤差和操作不當導致的偶然誤差，為科學推理打下了良好基礎。以“碰撞與動量守恒”實驗為例，傳統實驗中，滑塊在導軌上碰撞受摩擦力和熱量損失影響，實驗誤差大，速度測量困難。而仿真實驗可創設絕對理想的實驗條件，幫助學生構建碰撞模型。其可視化的實驗現象和理想的實驗結果，降低了學生依據實驗數據進行科學推理的難度。學生通過調節碰撞參數，如物體質量、運動速度，多次模擬實驗，收集充足的數據，更易總結出動量守恒定律的普遍性，推導出相關物理規律。

學生在PhET中調節兩球質量比（ m₁：m₂=1：1 、1：3、3：1），收集碰撞前后動量數據（見表1），通過列表對比發現“系統動量在誤差 ?3% 時守恒”。

表1在PhET中調節兩球質量比

在此基礎上，教師引導學生結合牛頓第三定律推導動量守恒定理，讓學生“運用科學推理得出規律并驗證”的推理能力得到進一步提升。

（二）模型建構與時空拓展

高中物理實驗常面臨實驗過程耗時過長或現象轉瞬即逝的問題，學生難以捕捉關鍵變化。PhET平臺可控制實驗進程，支持多次重復與驗證，還能對瞬間現象進行細節回放。以選擇性必修一“動量”單元中“碰撞”概念教學為例，一維彈性碰撞模型相對容易構建與分析，而二維、三維碰撞及非彈性碰撞在教學中定量分析難度大，但在“ α 粒子散射實驗”“布朗運動”“氣體分子碰撞產生壓強的微觀解釋”等實際應用中廣泛存在。由于碰撞過程短暫，學生對碰撞瞬間的速度、動量及機械能變化缺乏直觀理解，而PhET仿真實驗平臺恰恰可以完整展示碰撞全過程。

在二維碰撞實驗中（圖略），兩球碰撞前后動量代數和雖不相等，但將動量沿相互垂直的兩個方向分解后，學生通過分析數據發現，在 x 軸和y軸方向上動量守恒。借助PhET的慢放功能，學生可深入理解動量傳遞過程，助力“矢量疊加”模型的構建。

PhET碰撞實驗室可提供多個主題，在一維彈性碰撞實驗中，可通過速度矢量直觀展示速度大小和方向，實時呈現小球碰撞前后的速度、動能和動量。“球 1^′′ （質量 m₁ ）與“球 2^′′ （質量 m₂ ）兩個小球，對一維碰撞可以進行情景自定義：（1）當 m₁gt;gt;m₂ 時，球1的速度變化幾乎可以忽略，球2的速度為球1的兩倍，類比于鋼球碰撞同等體積的乒乓球；（2） m₁lt;2 時（30倍，下同），球1以原速度反彈，球2的速度變化幾乎可以忽略，類比于小球撞到墻上；（3）當 m₁=m₂ 時，球1則與球2相互交換速度。

這些情境在數學上可推導，但實際觀察困難，PhET仿真實驗通過慢放、快進、倒退等功能，突破了現象瞬間性的限制，為學生提供了直觀、可重復的實驗現象和詳細數據，激發學生深入思考，如小質量小球撞大質量小球是否一定反彈？同質量小球同速彈性碰撞是否會靜止？通過增加小球數量，還可進一步探究反復碰撞問題，將探究學習延伸至課后。

（三）AI編程與質疑創新

盡管PhET等仿真實驗平臺具有諸多優勢，但模式相對固定，實驗演示重點可能與教材不完全契合，限制了學生創新實驗設計。此時，DeepSeek作為一種對話式人工智能工具，可作為有益補充。它能讓具備一定知識基礎的物理教師和學生通過簡單自然語言和物理規律編寫代碼，實現“模型可視化”，并通過不斷優化代碼，達到接近實物實驗的效果。

在“碰撞與動量守恒\"實驗教學中，學生與DeepSeek展開對話。首次輸入“生成一維碰撞模擬器”獲得初始代碼后，發現“ 'e=0 時動能未完全損失”，進而提出“缺少形變能量損耗項”的假設，通過發送指令“加入形變時間參數t”“嵌入胡克定律公式”來優化代碼，最終使模型效果對比誤差率從 15% 降至 3% 。學生利用DeepSeek生成可調節恢復系數的碰撞模擬器，通過修改代碼探究“彈性/非彈性碰撞”的能量規律，實現從“驗證規律”到“創造模型”的跨越。通過調節碰撞的彈性恢復系數，學生可深人理解完全彈性碰撞和非完全彈性碰撞對實驗的影響，剖析實驗誤差產生的原因及減少誤差的方法，將實驗誤差控制在可接受的范圍內。

在教學中，教師可設置認知沖突點，如“為何仿真中動量嚴格守恒，而真實實驗誤差大”來引導學生分析守恒條件，“如何用AI模擬不同材質的碰撞效果”來激發學生創新模型參數，引導學生在質疑中提升創新思維品質。通過與DeepSeek的多輪交互，學生得以深入思考碰撞過程的物理規律。

以“ α 粒子散射實驗”為例，該實驗是原子物理的經典實驗，也是“碰撞和動量守恒”的典型應用。但實驗要求高，需用準直的 ∝ 射線轟擊微米級厚度的金箔，且多數 ∝ 粒子穿過金箔時偏轉極小，在中學物理教學中演示難度大、效果不佳。利用仿真實驗，這些問題都可得到有效解決。

首先，學生利用DeepSeek的對話模式向它發出指令“請幫忙生成一個 ∝ 散射實驗的模擬器，以 html 文件輸出”。接到指令后，DeepSeek通過解讀指令的意圖通過編程，生成一系列代碼。隨后，把這些代碼復制到一個xx.txt文本文件之中保存后關閉。接著，把文件的屬性xx.txt改為 xx.html ，點擊圖標運行代碼。學生根據自己的想法提出進一步優化和添加新可調節參數的功能等，比如 ∝ 粒子的數目、原子核的大小、 ∝ 粒子的速度、徑跡的長度和排斥的半徑等。通過不斷優化和進一步迭代，直到生成一個自己比較滿意的 ∝ 散射實驗模擬器。它能夠較好地分析 ∝ 粒子與原子核發生相互作用后的運動關系，但在處理不同體積大小微粒受分子碰撞時，其分析效果相對有限，在動量變化上區別不大，這就需要學生發現這個漏洞，并發出新的指令來優化代碼，從而實現參量的變化。在“設置參量一觀察現象一思考反饋”的過程中，學生對 ∝ 粒子散射實驗現象和 ∝ 粒子碰撞過程中的動量守恒規律理解得更加深刻。

綜上所述，借助DeepSeek這類互動性人工智能平臺，學生的高中物理仿真實驗學習路徑從被動接受轉變為“問題發現一實驗驗證”的主動探究循環。

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