許文文

(南京師范大學(xué)教師教育學(xué)院 江蘇 南京 210000)

1 引言

物理學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，物理實(shí)驗(yàn)對(duì)物理學(xué)的形成和發(fā)展起著根本性的作用，是物理學(xué)發(fā)展的源泉，也是檢驗(yàn)物理理論的唯一標(biāo)準(zhǔn)[1].物理實(shí)驗(yàn)雖然在課程標(biāo)準(zhǔn)中被一再?gòu)?qiáng)調(diào)，而在物理課堂中，特別是高中，卻一直是可有可無(wú)的附屬品.一方面，部分教師認(rèn)為實(shí)驗(yàn)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，高中物理的現(xiàn)狀是課時(shí)緊，任務(wù)重，帶著學(xué)生去實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)會(huì)耗費(fèi)大量的時(shí)間，影響課堂進(jìn)度；另一方面，由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，部分實(shí)驗(yàn)器材并未配備，從而無(wú)法進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn).針對(duì)這些問(wèn)題，現(xiàn)代信息技術(shù)為我們提供了一個(gè)解決方法——仿真物理實(shí)驗(yàn).

如今對(duì)于仿真物理實(shí)驗(yàn)的研究已有很多，但大多數(shù)文章都在總結(jié)仿真實(shí)驗(yàn)的優(yōu)缺點(diǎn)，列舉仿真實(shí)驗(yàn)軟件在講解習(xí)題上的應(yīng)用，鮮有人根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，去分析教學(xué)過(guò)程中何處適合用仿真實(shí)驗(yàn)，何處適合用真實(shí)實(shí)驗(yàn)，如何充分利用仿真實(shí)驗(yàn)和真實(shí)實(shí)驗(yàn)為教學(xué)服務(wù).本文以仿真物理實(shí)驗(yàn)室V3.5專業(yè)版軟件中自主設(shè)計(jì)的幾個(gè)例子，說(shuō)明仿真實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)各自應(yīng)用特點(diǎn)，總結(jié)選取實(shí)驗(yàn)手段時(shí)應(yīng)遵循的原則.

2 仿真實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)的選擇策略

真實(shí)實(shí)驗(yàn)的情境真實(shí)，可信度高，但條件受限，不便觀察；仿真實(shí)驗(yàn)便于操作，資源節(jié)約，但數(shù)據(jù)理想，形式抽象.仿真與真實(shí)實(shí)驗(yàn)各自都有優(yōu)缺點(diǎn)，要根據(jù)具體情況選擇在課堂上使用何種實(shí)驗(yàn)手段進(jìn)行教學(xué).

2.1 適合仿真實(shí)驗(yàn)不適合真實(shí)實(shí)驗(yàn)的情境

現(xiàn)在的課堂上，教師迫于教學(xué)壓力，都在追求所謂“高效”的教學(xué)手段，而實(shí)驗(yàn)是大部分教師看來(lái)最耗費(fèi)時(shí)間又不能保證教學(xué)效果的，所以很多應(yīng)做的學(xué)生實(shí)驗(yàn)被教師降為演示實(shí)驗(yàn)甚至直接略過(guò)，課標(biāo)中不做必要要求的實(shí)驗(yàn)更是幾乎無(wú)人問(wèn)津.建構(gòu)主義理論認(rèn)為，教學(xué)應(yīng)該促使學(xué)生從多個(gè)情境中對(duì)問(wèn)題進(jìn)行建構(gòu)，只有理論知識(shí)的直接講授太抽象.比如人教版物理必修1彈力一節(jié)的胡克定律實(shí)驗(yàn)，很多教師都選擇在教學(xué)中直接講授規(guī)律，略去探究步驟.但若采用如圖1所示的仿真物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，通過(guò)簡(jiǎn)潔的探究過(guò)程展示，讓學(xué)生直觀地觀察彈簧拉伸、壓縮一定長(zhǎng)度時(shí)對(duì)應(yīng)的彈簧彈力變化，更容易理解彈簧伸長(zhǎng)量與彈簧總長(zhǎng)的區(qū)別.同時(shí)也節(jié)約了實(shí)驗(yàn)器材費(fèi)用，提高了課堂效率.

圖1 胡克定律仿真

還有一些實(shí)驗(yàn)，在真實(shí)環(huán)境下難以甚至無(wú)法進(jìn)行，此時(shí)選用仿真物理實(shí)驗(yàn)，可以較好地向?qū)W生演示實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，讓學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果感知物理規(guī)律.如圖2中的勻強(qiáng)電場(chǎng)對(duì)電子的加速和偏轉(zhuǎn).在真實(shí)壞境中，勻強(qiáng)電場(chǎng)是一個(gè)很難掌控的環(huán)境，且電子的運(yùn)動(dòng)軌跡要想在真實(shí)環(huán)境中清晰地呈現(xiàn)出來(lái)較為復(fù)雜.而在仿真物理實(shí)驗(yàn)室中，可以完全模擬整個(gè)過(guò)程，還可以自由地改變參數(shù)，以滿足不同情況下的運(yùn)動(dòng).將不可見(jiàn)的電場(chǎng)變?yōu)榭梢?jiàn)，將不易觀測(cè)的電子運(yùn)動(dòng)變?yōu)榍逦梢?jiàn)的帶電小球.這樣的仿真實(shí)驗(yàn)可以建議學(xué)生平時(shí)在家進(jìn)行操作，用于檢測(cè)計(jì)算后的結(jié)果，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃季S和對(duì)物理的興趣.

圖2 電子在勻強(qiáng)電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)仿真

2.2 適合真實(shí)實(shí)驗(yàn)不適合仿真實(shí)驗(yàn)的情境

物理實(shí)驗(yàn)在2003版課程標(biāo)準(zhǔn)和2017版新課程標(biāo)準(zhǔn)中都被強(qiáng)調(diào)，2003版課程標(biāo)準(zhǔn)中具體目標(biāo)的知識(shí)與技能方面就提到要認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)在物理學(xué)中的地位和作用，掌握物理實(shí)驗(yàn)的一些基本技能，會(huì)使用基本的實(shí)驗(yàn)儀器，能獨(dú)立完成一些物理實(shí)驗(yàn)[2].可以看到課程標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰κ怯胁僮鞯囊蟮?，而仿真物理?shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程都是在電腦上模擬的，無(wú)法讓學(xué)生的動(dòng)手能力得到真正的鍛煉，這就顯示出仿真實(shí)驗(yàn)并不能完全取代真實(shí)實(shí)驗(yàn).高考考綱將部分實(shí)驗(yàn)列為高考必考實(shí)驗(yàn)，考查內(nèi)容大多是一些操作細(xì)節(jié)，說(shuō)明考綱對(duì)于學(xué)生實(shí)驗(yàn)方面的考查也是建立在必須動(dòng)手實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上的，如在探究速度隨時(shí)間變化的規(guī)律時(shí)，主要是學(xué)會(huì)使用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器來(lái)測(cè)量速度和加速度，還有計(jì)算過(guò)程中一些為了減小偶然誤差而采取的計(jì)算方法，這些都是仿真實(shí)驗(yàn)無(wú)法取代的.

2.3 適合仿真實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的情境

物理定律是在最簡(jiǎn)單、最理想的環(huán)境下最普適的概念.但在真實(shí)環(huán)境中總存在著各種各樣的干擾因素，造成實(shí)驗(yàn)誤差.實(shí)際操作的過(guò)程中會(huì)盡量采用一些彌補(bǔ)的辦法來(lái)減小真實(shí)實(shí)驗(yàn)的這些缺陷所造成的實(shí)驗(yàn)誤差，但這種誤差總是存在的.這時(shí)仿真物理實(shí)驗(yàn)就給我們提供了一個(gè)非常理想的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，可以無(wú)誤差地驗(yàn)證物理定律，讓學(xué)生感受到物理定律的普適意義.但真實(shí)環(huán)境中的干擾總是存在的，我們不能一味地逃避，應(yīng)該教會(huì)學(xué)生在遇到問(wèn)題時(shí)如何努力克服，所以真實(shí)環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)操作不可缺少.這時(shí)就需要將仿真實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，利用仿真實(shí)驗(yàn)室理想的實(shí)驗(yàn)環(huán)境探究出最一般的物理定律，然后在真實(shí)環(huán)境下，盡量克服干擾因素，營(yíng)造一個(gè)最貼近理想環(huán)境的實(shí)驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，得出結(jié)論.在此過(guò)程中啟發(fā)學(xué)生思考，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力.

如圖3和圖4探究牛頓第二定律的實(shí)驗(yàn)中，猜想小車的加速度a可能與小車受到的力F和小車本身的質(zhì)量M有關(guān)，用控制變量法驗(yàn)證猜想.

圖3 探究牛頓第二定律(M一定)

圖4 探究牛頓第二定律(F合一定)

3 啟發(fā)與建議

在實(shí)際教學(xué)中，教師要靈活利用現(xiàn)代技術(shù)手段，既不可過(guò)分依賴，也不能一味排斥，應(yīng)該做到取其優(yōu)點(diǎn)，去其缺點(diǎn).對(duì)于仿真物理實(shí)驗(yàn)室，教師應(yīng)該懷著學(xué)習(xí)的心態(tài)去接受，采用辯證的思維去看待.

3.1 根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)情境選取適合的實(shí)驗(yàn)手段

由于真實(shí)環(huán)境下，有的實(shí)驗(yàn)可以完成，有的實(shí)驗(yàn)在學(xué)校有限的器材下無(wú)法完成，需要教師根據(jù)實(shí)驗(yàn)的可完成度來(lái)選擇是否需要用仿真物理實(shí)驗(yàn).同時(shí)，教師還要抉擇在有限的課堂時(shí)間內(nèi)，用什么樣的實(shí)驗(yàn)方法最有效，達(dá)到的課堂效果最好，這些是教師在做教學(xué)預(yù)設(shè)時(shí)必須要考慮到的.教師要在充分考慮到器材的局限性和課堂效果的前提下，去選擇實(shí)驗(yàn)手段.

3.2 根據(jù)預(yù)期的教學(xué)目標(biāo)選取適合的實(shí)驗(yàn)手段

教學(xué)過(guò)程中教師說(shuō)的每句話，上的每一節(jié)課，都有其預(yù)期的目的，同樣，教師做的每一個(gè)實(shí)驗(yàn)亦如此.同一實(shí)驗(yàn)，由于教師采用的實(shí)驗(yàn)方法不同或者展示的側(cè)重點(diǎn)不同，達(dá)到的教學(xué)目的也是完全不同的.如果教學(xué)的側(cè)重點(diǎn)在概念的理解上，那么完全可以采取仿真實(shí)驗(yàn)，給予學(xué)生更加形象的視覺(jué)展示，讓學(xué)生覺(jué)得物理概念不再那么抽象.如果教學(xué)的側(cè)重點(diǎn)在實(shí)驗(yàn)的操作過(guò)程上，那么就應(yīng)采用真實(shí)實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生動(dòng)手操作，親身體驗(yàn)，經(jīng)歷整個(gè)實(shí)驗(yàn)流程，鍛煉其操作能力.

3.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中要注重培養(yǎng)學(xué)生的探究能力啟發(fā)學(xué)生思考

教師要精選實(shí)驗(yàn)，精設(shè)實(shí)驗(yàn)，最大限度地啟發(fā)學(xué)生的思考，培養(yǎng)學(xué)生的探究能力.不斷發(fā)展的實(shí)驗(yàn)方法，只是為教師提供了更多的硬性條件，讓教師不做“無(wú)米之炊”，但最終一堂課是否能夠培養(yǎng)學(xué)生的探究能力，依靠的還是教師正確的引導(dǎo).教師要根據(jù)教學(xué)需求，精心設(shè)計(jì)教案，合理地將仿真實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，層層遞進(jìn)，以期更好地培養(yǎng)學(xué)生的探究能力.