楊宗德

摘 要：實(shí)驗(yàn)在物理教學(xué)中起著重要的作用，隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，信息技術(shù)與課程整合也被納入到新課程標(biāo)準(zhǔn)中，這也為本文研究“仿真物理實(shí)驗(yàn)室”在高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。本文分析了高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)仍存在不足，對(duì)“仿真物理實(shí)驗(yàn)室”的進(jìn)行概述并分析了其在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的具體應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：仿真教學(xué)模式;仿真物理實(shí)驗(yàn)室;新課程標(biāo)準(zhǔn);探究式教學(xué)

一、高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)仍存在不足

1.受傳統(tǒng)教學(xué)觀念的影響，仍然強(qiáng)調(diào)知識(shí)的傳授

由于高考競(jìng)爭(zhēng)激烈，再加之受高考制度的影響，大多數(shù)的教師重理論，輕實(shí)踐;重分?jǐn)?shù)，輕能力。只關(guān)心考綱考什么，學(xué)生考試分?jǐn)?shù)如何，而很少注重學(xué)生做了什么，能力如何。所以，很多學(xué)生做實(shí)驗(yàn)題時(shí)，遇到傳統(tǒng)的分析題型會(huì)做，但在創(chuàng)新型的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題型中幾乎不知所措。只憑腦子里死記硬背的知識(shí)，機(jī)械地默寫(xiě)實(shí)驗(yàn)結(jié)論，這樣學(xué)生不僅學(xué)著吃力，最關(guān)鍵的是學(xué)生不能發(fā)揮自己大腦的能動(dòng)性，靈活的運(yùn)用所學(xué)的實(shí)驗(yàn)知識(shí)。

2.物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式單一

傳統(tǒng)的高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式通常有兩種：一是教師演示實(shí)驗(yàn)，學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，填寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告，最后教師總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)論。二是先由教師介紹實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)原理、所用儀器、注意事項(xiàng)等，學(xué)生再按教材上所講的實(shí)驗(yàn)步驟重復(fù)實(shí)驗(yàn)，獲取數(shù)據(jù)，驗(yàn)證規(guī)律、定理、公式等。這樣的實(shí)驗(yàn)教學(xué)表面上看井然有序，但實(shí)質(zhì)上學(xué)生有操作、無(wú)智慧，有行動(dòng)，無(wú)熱情。這種教學(xué)模式下的學(xué)生，只能應(yīng)對(duì)客觀的實(shí)驗(yàn)題，一旦要求他們?cè)O(shè)計(jì)一個(gè)有創(chuàng)意的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生往往束手無(wú)策。

3.物理實(shí)驗(yàn)器材及實(shí)驗(yàn)室短缺

高中物理實(shí)驗(yàn)課時(shí)少，而實(shí)驗(yàn)內(nèi)容較多，加上實(shí)驗(yàn)器材和實(shí)驗(yàn)室數(shù)量有限，實(shí)驗(yàn)安排比較緊張。大部分實(shí)驗(yàn)學(xué)生不能有效地結(jié)合儀器進(jìn)行操作、思考實(shí)驗(yàn)原理，學(xué)生沒(méi)有補(bǔ)做、重做或者選做的機(jī)會(huì)。所以有必要開(kāi)設(shè)一個(gè)裝有“仿真物理實(shí)驗(yàn)室”軟件的開(kāi)放式的機(jī)房。學(xué)生可以利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的便利條件，在虛擬實(shí)驗(yàn)體統(tǒng)下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

4.高中物理實(shí)驗(yàn)存在很多不易操作的抽象實(shí)驗(yàn)

高中物理，除了大量能夠操作的直觀的實(shí)驗(yàn)外，還有部分抽象的，無(wú)法在正常條件下進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，比如說(shuō)天體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，重核裂變、輕核聚變等，課堂上無(wú)法做這些實(shí)驗(yàn)，如果利用虛擬實(shí)驗(yàn)室，可以讓學(xué)生更好的理解那些抽象的知識(shí)，從而提高教學(xué)效果。

二、“仿真物理實(shí)驗(yàn)室”的概述

“仿真物理實(shí)驗(yàn)室”是一種物理教學(xué)軟件平臺(tái)，它提供了一個(gè)實(shí)驗(yàn)器具完備的綜合性實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生可以動(dòng)手創(chuàng)建想象的所有實(shí)驗(yàn)。此軟件包含三個(gè)仿真模塊，《運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力學(xué)模塊》、《電學(xué)模塊》和《光學(xué)模塊》。《仿真物理實(shí)驗(yàn)室-運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力學(xué)》部分包含運(yùn)動(dòng)對(duì)象、小球、彈簧、繩子、聯(lián)桿、滑軌、電荷等實(shí)驗(yàn)器具;并集成了重力場(chǎng)、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、萬(wàn)有引力、阻尼介質(zhì)等實(shí)驗(yàn)環(huán)境。學(xué)生可以在任意組合的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，搭建學(xué)生自己的實(shí)驗(yàn)。從自由落體運(yùn)動(dòng)，到驗(yàn)證機(jī)械能守衡實(shí)驗(yàn);從地球人造衛(wèi)星到太陽(yáng)系的運(yùn)行，仿真物理實(shí)驗(yàn)室都能夠進(jìn)行仿真。

三、仿真物理實(shí)驗(yàn)在高中物理教學(xué)中的應(yīng)用策略

1.高中物理力學(xué)中仿真物理實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用

仿真物理實(shí)驗(yàn)在高中物理力學(xué)中的應(yīng)用較為普遍，例如在機(jī)械能守恒定律內(nèi)容的教學(xué)中，要求用細(xì)繩將一個(gè)小球懸掛后在豎直平面內(nèi)固定，然后將小球拉到離豎直方向適當(dāng)角度后進(jìn)行釋放，若在固定點(diǎn)的下面釘一個(gè)釘子，沒(méi)有釘子和有釘子的小球運(yùn)動(dòng)情況會(huì)形成對(duì)比。此實(shí)驗(yàn)在操作中會(huì)有多種阻力影響，機(jī)械能有較大損失，單擺無(wú)法停在同一種高度。如果利用仿真物理實(shí)驗(yàn)室來(lái)完成實(shí)驗(yàn)，創(chuàng)造出無(wú)阻尼的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，則可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的效果。在具體仿真過(guò)程中，首先選擇的模塊為 Phylab 模塊，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的新建并選擇比例尺、坐標(biāo)系和運(yùn)動(dòng)對(duì)象。設(shè)置好以后，先點(diǎn)擊小球，然后選擇懸掛細(xì)繩，則在小球上面會(huì)出現(xiàn)一條虛線，按照要求來(lái)設(shè)定細(xì)繩的固定點(diǎn)與長(zhǎng)度。如此一來(lái)，就可以建立起一個(gè)簡(jiǎn)單清晰的單擺模型。單擺運(yùn)動(dòng)情況的物理分析對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)是較為復(fù)雜和抽象的，比較難理解。而仿真模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)茏寣W(xué)生依照模擬演示，為后期處理這種物理模型奠定良好的基礎(chǔ)。

2.高中物理復(fù)合場(chǎng)中仿真物理實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用

高中物理復(fù)合廠主要有磁場(chǎng)、電場(chǎng)和重力場(chǎng)等，這對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)是較難的知識(shí)點(diǎn)，老師在教學(xué)中要不斷的講解和訓(xùn)練，才有可能幫助學(xué)生突破。在復(fù)合場(chǎng)問(wèn)題的教學(xué)中，老師如果在腦海中對(duì)相關(guān)問(wèn)題有了基本的映像，在頭腦中形成物體的運(yùn)動(dòng)情況、受力情況和運(yùn)動(dòng)軌跡，然后在基本映像的基礎(chǔ)上來(lái)討論、分析和研究問(wèn)題，那么學(xué)生相對(duì)而言會(huì)有較好的認(rèn)知水平。

3.高中物理電學(xué)中仿真物理實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用

在高中物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，電路的誤差分析、調(diào)試和連線是知識(shí)難點(diǎn)，學(xué)生在進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室后，會(huì)由于興奮而盲目地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，浪費(fèi)了大量時(shí)間且無(wú)法得到預(yù)期效果。教師可以先組織學(xué)生進(jìn)行仿真模擬實(shí)驗(yàn)，一方面降低電學(xué)實(shí)驗(yàn)的難度，另一方面利用模擬練習(xí)來(lái)降低實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。

例如，在用“半偏法”進(jìn)行靈敏電流計(jì)內(nèi)阻測(cè)量的實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以首先在仿真實(shí)驗(yàn)室中選取電阻箱、靈敏電流計(jì)、滑動(dòng)變阻器和電池組等，然后連接導(dǎo)線。學(xué)生能夠清晰地觀察和學(xué)習(xí)到連線的方法和過(guò)程。最后進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中將開(kāi)關(guān) K1閉合，適當(dāng)調(diào)節(jié)變阻器 R1，使得靈敏電流計(jì) G 能夠滿(mǎn)偏。同時(shí)調(diào)整電阻箱 R2，使得 G 表能夠半偏，所讀出的電阻箱 R2的大小也就是 G 表的內(nèi)阻。如圖所示：

圖 1 調(diào)節(jié) R1促使 G 表滿(mǎn) ? ? ? ? ? ?圖 2 調(diào)節(jié)電阻箱 R2促使 G 表半偏

由于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)存在問(wèn)題，R2的大小和 G 表的內(nèi)阻并不相同，教師利用真實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，會(huì)通過(guò)歐姆定律來(lái)推導(dǎo)，本質(zhì)是因?yàn)镵2閉合后電路總電流發(fā)生變化而出現(xiàn)誤差，同時(shí)會(huì)強(qiáng)調(diào)，倘若 R1遠(yuǎn)大于 R2，可以認(rèn)為 R2與 G 表的內(nèi)阻近似相同。相比真實(shí)實(shí)驗(yàn)，仿真物理實(shí)驗(yàn)?zāi)軐⒗碚撝蹬c測(cè)量值并不相等這種情況演示出。而針對(duì)這種不相等的問(wèn)題，學(xué)生相應(yīng)會(huì)產(chǎn)生疑問(wèn)，而進(jìn)行進(jìn)一步探索研究。這種開(kāi)放性的互動(dòng)教學(xué)方法能使學(xué)生快速的掌握電學(xué)相關(guān)知識(shí)，融會(huì)貫通，全面的理解并領(lǐng)悟，提升物理學(xué)習(xí)水平。

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