歐陽瑛 付響云

摘? ?要：為了在物理教學中有效培養(yǎng)學生的物理核心素養(yǎng)，教師可以根據核心素養(yǎng)的具體內容，將仿真實驗安排在不同的教學環(huán)節(jié)中，利用仿真實驗進行知識的過渡、創(chuàng)設問題情境，補充真實實驗和講解科技前沿，以此來輔助課堂教學。文章根據仿真實驗的特點和優(yōu)勢，提出了幾點仿真實驗的教學策略，并結合中學物理實際教學內容，探索了仿真實驗在物理理論課堂中的具體應用。

關鍵詞：核心素養(yǎng);仿真實驗;中學物理

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2021）5-0066-4

近年來，由經濟合作與發(fā)展組織提出的核心素養(yǎng)一詞受到了教育界的廣泛關注。核心素養(yǎng)是指學生應該具備的能夠適應個人終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的必備品格和關鍵能力[1]。學生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)離不開各學科課程的實施，其中物理核心素養(yǎng)主要包括物理觀念、科學思維、科學探究和科學態(tài)度與責任四個方面[2]。學生物理核心素養(yǎng)的有效培養(yǎng)，不僅需要教學內容和教學方式的改革，更需要教學技術和手段的創(chuàng)新。在眾多教學輔助設備中，仿真實驗以其獨特的優(yōu)勢受到了教育工作者的青睞。

仿真實驗利用計算機創(chuàng)設虛擬環(huán)境對實驗的過程和結果進行模擬[3]，具有形象逼真、安全高效等優(yōu)點，最初被使用于工程領域，隨后逐漸被應用到教育領域。目前，有許多文章都提出了仿真實驗在物理實驗課和習題課中的應用方法[4，5]，但很少有文章指出如何應用仿真實驗針對性地培養(yǎng)學生的物理核心素養(yǎng)。結合教學實踐經驗和仿真實驗的特點，本文提出了幾點仿真實驗在理論課中的教學應用策略，并分析了幾則應用實例。

1? ? 仿真實驗的教學實踐策略

1.1? ? 明確教學目標，做好教學設計

著名教育家葉圣陶說過“教學有法，教無定法，貴在得法”，同一教學內容往往有多種不同的教學方法，但其最終目標都是希望學生能夠掌握相應的知識，獲得學科核心素養(yǎng)。因此，教師在教學前應該緊扣教材和課標，明確課堂教學目標，不要盲目追求一些新的教學手段，而是要根據教學內容的特點和學生的情況選擇合適的教學方法，根據核心素養(yǎng)培養(yǎng)的側重點將仿真實驗合理地安排在各教學環(huán)節(jié)中，充分利用仿真實驗的價值，使課堂教學效果達到最優(yōu)。

1.2? ? 熟悉仿真平臺，掌握實驗操作

不同的仿真平臺在實驗種類與數量、界面設計、操作控制等方面都存在差異。教師在選定要使用的仿真實驗平臺后，應提前進入平臺系統(tǒng)，了解仿真平臺的基本情況，對于課堂中需要用到的仿真實驗，應提前進行仿真模擬，熟悉仿真的操作過程和實驗現象，以便在教學中順利地使用仿真平臺，給學生提供更好的教學指導。

1.3? ? 留意課堂情況，靈活調整安排

核心素養(yǎng)下的教學過程應是教師與學生的雙邊互動過程，因此，在課堂中教師應時刻關注學生的情況，根據學生的反應靈活地組織課堂教學。教師應根據學生的意見，及時將仿真實驗的畫面尺寸調到最佳大小，對于一些重要的實驗現象，教師可以采取整體演示和局部放大相結合的方式。在課堂時間充裕的情況下，教師也可以邀請學生上臺操作仿真實驗，提高學生的課堂參與度。

2? ? 仿真實驗的教學實踐探索

針對核心素養(yǎng)的不同內容，下面將以幾個具體教學內容為例，對仿真實驗的應用進行分析。

2.1? ? 架構知識橋梁，搭建學科框架，加深物理觀念

學習如同蓋房子，知識點就是一磚一瓦，知識框架則是其中的鋼筋水泥，沒有鋼筋水泥的支撐，堆砌起來的磚瓦容易傾倒。缺乏知識框架的學習，往往也會使學習效果事倍功半。可見，知識框架的構建對于系統(tǒng)而深入地學習一門學科是十分重要的。在中學物理課程內容中，有許多物理概念和物理規(guī)律是在實驗的基礎上總結得出來的。而在實際教學中，實驗課和理論課往往被安排在不同的課時中，這使得很多學生在學習新課時早已忘了先前的實驗內容，不利于新知識的接受與掌握。教師在向學生教授這部分新課內容時，可以利用仿真平臺對做過的實驗進行模擬回顧，喚醒學生頭腦中的實驗印象，繼而在實驗的基礎上引入新課知識。此方法通過仿真實驗將不同的課堂內容聯系起來，幫助學生理清各知識點間的關系，從而加深對物理概念和規(guī)律的理解。

例如，牛頓第二定律是在探究加速度與力、質量關系的基礎上總結推理得出來的。而在人教版高中物理教材中，這兩個內容被分成了單獨的兩小節(jié)。在《牛頓第二定律》的新課教學中，教師可以使用仿真實驗進行一個知識的過渡。如圖1所示，利用NOBOOK虛擬實驗平臺對加速度與力、質量關系的探究實驗進行快速的仿真模擬。然后結合實驗現象對學生進行提問：為什么要在木板的一側墊一個木塊？怎么處理實驗數據得出小車的加速度？這個實驗涉及了三個物理量，在實驗過程中我們采用了什么實驗方法？對數據處理分析后我們發(fā)現了什么規(guī)律？完成問題探討后，可在復習的基礎上，由實驗結論引出新課知識。

與常規(guī)的直接引入方式相比，仿真實驗新穎的動畫一方面可以吸引學生的注意力，將學生的思緒快速拉回課堂;另一方面也可以幫助學生對上節(jié)課的實驗過程進行回顧，為新課學習提供知識基礎。通過再現實驗情境過程，讓學生回想起自己動手操作的情況，而一系列的提問，則加深了學生對實驗原理和方法的理解。在實驗結果的基礎上進行總結，并引出牛頓第二定律的內容，短短幾分鐘便能將一個提出問題—實驗—數據分析—得出結論的探究過程體現出來，將課堂與課堂緊密相連，既為學生理解、接受新知識奠定了基礎，又有助于學生建立起知識的邏輯體系，加深對物理概念的理解。

2.2? ? 巧設問題情境，引導思考過程，形成科學思維

知識的學習不等于知識的掌握，相比知識點的記憶更重要的是能夠學以致用，通過創(chuàng)設問題來培養(yǎng)學生的分析、思考和應用能力是常用的教學方法。很多學生在課堂上能夠牢記相關的概念公式，但課后碰到題目時卻感覺無從下手，甚至對題目練習產生厭煩和抵觸心理。為了減少學生的挫敗感，調動學生思考的積極性，教師可以利用仿真實驗創(chuàng)設問題情境帶領大家一起做題。教師先讓學生對情境中的問題進行獨立思考，然后通過實驗模擬驗證答案，再結合仿真實驗的動畫過程引導學生對題目進行分析推理。這種講練方式能夠避免書面題目的枯燥乏味，提高學生對問題解決的興趣，仿真實驗的動畫則能使學生加深對物體運動過程的理解進而形成正確的解題思路，讓學生正確運用知識的同時提高思考能力，從而實現培養(yǎng)學生科學思維的目的。

例如，在學習完平拋運動的知識后，可以利用Flash仿真動畫（圖2）設置一個問題情境：已知飛機的離地高度和行駛速度，為使炮彈擊中停在地面的坦克，則應在與坦克水平距離多遠時投彈？教師邀請幾位學生上臺操作嘗試，其余學生在座位上一起觀看游戲過程。有的炮彈與坦克相距甚遠，有的炮彈與坦克失之交臂，全班學生一起緊張、期待、嘆氣、歡呼，將課堂氣氛推至高潮。游戲結束后，讓學生利用所學的平拋運動的知識對物體的運動過程進行定性和定量分析。首先，炮彈在下落的過程中是一個什么運動？然后，分析平拋運動在水平和豎直方向上的分運動又有什么特點和規(guī)律？要使炮彈能夠擊中坦克需要滿足什么條件？

在仿真實驗的問題情境中，教師一步步引導學生對題目進行分析，將實際問題的運動過程簡化成物理模型，在分析和推理的過程中將所學知識運用起來。讓學生在解答問題的同時體悟物理模型的建構和科學推理的過程，在題目練習中逐漸形成科學思維。這種寓教于樂的學習方式更容易被學生接納，從而達到良好的教學效果。

2.3? ? 虛擬與真實實驗相結合，促進科學探究

物理學的發(fā)展離不開實驗，實驗也是培養(yǎng)學生探究能力的一個重要途徑。真實實驗雖能提高學生的實際動手能力，但受實驗器材和課時的限制，它很難在實際教學中充分開展，在環(huán)境和人工操作的影響下，它的實驗結果也可能存在較大的誤差。而虛擬仿真實驗則恰恰能夠避免外界的干擾，創(chuàng)造一些理想化的環(huán)境，并且能夠突破時空的限制，使學習不局限于課堂。因此，教師可以根據教學需要和學校實際條件，適當地補充一些仿真實驗，豐富教學實驗內容，盡可能地給學生創(chuàng)造實驗探究的機會，以充分培養(yǎng)學生的科學探究能力。

例如，在《牛頓第一定律》的教學中，讓學生了解伽利略理想實驗的內容和思想是一個重要的教學目標。由于現實生活無法提供一個沒有摩擦力的理想環(huán)境，所以教師可以借助虛擬仿真實驗平臺將理想實驗演示給學生。如圖3所示，教師通過鼠標多次調節(jié)第二斜面的傾斜度，并結合虛擬實驗的現象，對伽利略思考推導的過程進行還原描述，讓學生不僅掌握這個理想實驗的結論，而且了解其背后的思想方法。但這個虛擬實驗畢竟是在一種過于理想化的情境中進行的，其結果和我們的生活常識產生了沖突。一些想象和理解能力稍差的學生可能難以接受，甚至會產生質疑。此時，教師可以在教學環(huán)節(jié)中再安排一個真實實驗讓學生觀察思考。

如圖4所示，將一小車從同一斜面的同一高度釋放，小車分別滑至鋪有木板、棉布和毛巾的平面上。教師首先讓學生觀察小車在各種平面上的運動情況，接著讓學生分析各平面的阻力大小，思考平面阻力和小車滑行距離之間的關系，再進一步提問如果平面是無限光滑的，小車的運動情況會怎樣？

在真實實驗數據和教師的引導下，學生們很快就可以得到和伽利略理想實驗一樣的結論，從而打消對虛擬仿真實驗的懷疑和顧慮，為牛頓第一定律的學習奠定思想基礎。課堂中虛擬實驗的演示有效地激發(fā)了學生的問題意識，而真實實驗的演示則促使學生去獲取信息處理數據進行思考，兩種實驗的結合有效地培養(yǎng)了學生的科學探究能力，也讓學生對實驗推理法有了更深的體會，為學生今后進行實驗探究奠定了基礎。

2.4? ? 聯系科技生活，培養(yǎng)科學態(tài)度與責任

物理學作為自然科學的基礎學科與我們的社會生活緊密相連，中學物理教學作為物理教育的基礎階段，對學生后續(xù)階段的學習有著重要影響。因此，課堂教學除了向學生傳授理論知識，也需要補充一些科學技術中的物理知識。教師可以根據教學內容，選取合適的仿真實驗進行演示，通過簡單的實驗動畫講解科技發(fā)明背后的基本原理，將課堂知識與科學技術聯系起來，讓學生了解物理知識在科學技術中的應用和重要性，從而激發(fā)學生學習物理的熱情，促使學生形成良好的科學態(tài)度。

例如，在《宇宙航行》一節(jié)中，衛(wèi)星的變軌問題是一個隱藏的知識點，教材沒有對它進行詳細說明，需要教師在課堂上進行補充講解。為了幫助學生更好地理解、記憶這一知識，教師可以利用NOBOOK虛擬實驗平臺將衛(wèi)星變軌模型展示出來。如圖5和圖6所示，點擊播放按鈕，代表著衛(wèi)星的小球開始運動，環(huán)繞一周后改變速度進入高軌或者低軌。結合仿真實驗畫面，教師進一步向學生介紹我國航空航天事業(yè)取得的成就，并指出衛(wèi)星發(fā)射過程中就用到了課堂里的變軌知識。

仿真實驗與科技介紹相結合的方式比直接的知識講解更加形象生動，既提高了學生在課堂中的注意力，又豐富了學生的課外科技知識。同時也能引導學生積極關注科技生活，從而形成良好的科學責任感。

3? ? 結束語

學生物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng)是當前中學物理教學的重要目標，相關教學改革促使教育工作者不斷在教學技術和教學手段上進行創(chuàng)新。仿真實驗作為一種新的教學輔助工具對課堂教學的實施與核心素養(yǎng)的培養(yǎng)有一定的積極促進作用，其在教學中的實際實施仍有很大的發(fā)展空間，教師應該結合教學實際合理運用物理仿真實驗，努力促進學生核心素養(yǎng)的發(fā)展。

參考文獻：

[1]吳旭東.“影視資源”在高中物理核心素養(yǎng)之科學思維形成中的應用策略——以電磁炮模型的建立為例[J].中學物理，2017，35（05）：1-2.

[2]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[3]張英，張譜.淺析仿真實驗在大學物理實驗教學中的作用[J].教育現代化，2019，6（70）：170-171+177.

[4]張時學，吳秋月.仿真物理實驗軟件在物理實驗中應用的分析[J].中學物理，2011，29（17）： 22-24.

[5]周麗潔.仿真物理實驗室在高中習題教學中的應用初探[J].中學物理，2019，37（09）：56-57.

（欄目編輯? ? 邱曉燕）