洪哲新 梁國瑛 皮飛鵬

摘 要：習題教學在高中物理教學中占據(jù)著重要地位，探討利用虛擬仿真技術(shù)優(yōu)化和創(chuàng)新物理習題教學模式是一項有意義的工作.本文分析了高中物理習題教學中虛擬仿真的主要功能，建構(gòu)了探究性和支架型兩種教學模式，并給出了兩種模式結(jié)合虛擬仿真軟件NOBOOK及PhET應(yīng)用于“追及與相遇”與“v-t圖像與運動的描述”教學的實際案例，最后討論了虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于物理習題教學的建議.

關(guān)鍵詞：高中物理;習題教學;虛擬仿真;教學模式

中圖分類號：G633.7???? 文獻標識碼：B???? 文章編號：1008-4134（2021）13-0059-05

作者簡介：洪哲新（1991-），男，廣東人，碩士研究生，研究方向：中學物理學科教學;

梁國瑛（1992-），女，廣東人，碩士研究生，研究方向：中學物理學科教學.

通訊作者：皮飛鵬（1965-），男，湖南人，博士，副教授，研究方向：中學物理學科教學.

1 引言

信息技術(shù)的飛速發(fā)展及其與教育的深度融合正在重塑教育的形態(tài)，教育部《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011-2020年）》強調(diào)要推進信息技術(shù)與教學融合，建立以學習者為中心的教學模式[1];《普通高中物理課程標準（2017年版）》提出要積極探索信息技術(shù)與物理教學的融合，以拓寬物理教學與學習的途徑[2].實際上，越來越多的教育工作者已經(jīng)將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于中學物理教學，特別是物理概念、物理規(guī)律以及物理實驗教學.習題教學是高中物理教學的重要組成部分，本文通過實際教學探討將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于物理習題教學的途徑，為優(yōu)化習題教學提供參考.

2 物理習題教學中虛擬仿真的主要功能與應(yīng)用

相比于真實實驗，虛擬仿真實驗?zāi)芴峁└玫母泄袤w驗、更方便的重復演示、更理想的實驗與現(xiàn)實環(huán)境模擬.將虛擬仿真應(yīng)用于物理習題教學，可以幫助學生突破物理情境、理解障礙、培養(yǎng)物理思維，并促進教學方式多樣化，所以可以將其功能定位在以下三個方面.

2.1 物理情境視聽化，激發(fā)物理學習興趣

情境認知理論學習觀認為，情境是一切認知活動的基礎(chǔ)[3]，知識是個體在解決具體情境問題時思維的建構(gòu)與組織[4].虛擬仿真以動態(tài)視圖形式，創(chuàng)設(shè)虛擬物理問題情境，將物理情境視聽化，幫助學生克服常規(guī)教學造成的物理習題學習的倦怠情緒，激發(fā)學生學習興趣并促進知識建構(gòu).

2.2 增加觀察經(jīng)驗，培養(yǎng)物理抽象思維能力

“經(jīng)驗之塔”理論強調(diào)以經(jīng)驗為基礎(chǔ)建立有意義的概念[5]，應(yīng)用仿真將抽象的文字以動態(tài)視圖展現(xiàn)，使“抽象經(jīng)驗”轉(zhuǎn)化為低一級的“觀察經(jīng)驗”，可以避免常規(guī)講解中物理問題抽象、難懂的困難，為問題解決提供感性材料，幫助學生完成從具體到抽象的跨越，提高抽象思維能力.

2.3 建構(gòu)原始物理模型，突破習題解題障礙

物理解題的關(guān)鍵環(huán)節(jié)包括識別物理現(xiàn)象、選擇合適方法、運用數(shù)學知識等[6]，而高中生物理習題解答的主要障礙在于難以建構(gòu)物理模型[7]，建立原始物理模型是習題教學的關(guān)鍵步驟.支架式教學理論提出，應(yīng)將學習者置于一定的情境中，并順著支架獨立探索問題，在發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的反復探索中不斷地完成自主建構(gòu)[8].虛擬仿真可以通過增加或減少條件，簡化復雜抽象的習題背景，突出重點物理特征，幫助學生創(chuàng)設(shè)原始物理模型，從而順利進行問題探索.

根據(jù)上述功能分析，在物理習題教學中應(yīng)用虛擬仿真主要有以下幾種情況：

（1）實驗器材與教具等無法滿足物理習題教學要求.由于學校缺少光的干涉衍射實驗器材，筆者結(jié)合虛擬仿真軟件輔助習題教學效果非常好.

（2）有些真實實驗呈現(xiàn)的物理過程與現(xiàn)象難以觀察與分析（如過程過快、干擾因素較多、重點現(xiàn)象不突出等）.例如，變速運動追及問題中的臨界現(xiàn)象在實際中很難清晰呈現(xiàn)，而虛擬仿真的動作慢化、細節(jié)放大等處理則有利于完善這些不足.

（3）習題涉及的物理現(xiàn)象與過程是學生普遍熟知的，應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)可以提高教學效率.

3 虛擬仿真應(yīng)用于物理習題教學的兩種教學模式

要通過物理習題教學達到培養(yǎng)學生物理思維能力的目標，關(guān)鍵還是要進行物理過程、物理模型的分析，虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用需要結(jié)合具體情況而定，為此筆者提出了兩種基本的教學模式.

3.1 探究型：先虛擬仿真與演示，后物理過程分析

當習題涉及的物理過程是學生普遍不熟悉的、不便用真實實驗呈現(xiàn)或呈現(xiàn)效果不利于觀察與分析的，應(yīng)該先進行仿真演示，創(chuàng)設(shè)問題情境，再引導學生進行問題探究，例如重力場、粒子復合場、人船模型等問題.教學流程如圖1所示.

在虛擬仿真演示環(huán)節(jié)，要突出重點物理現(xiàn)象與過程，啟發(fā)學生思考，幫助學生辨析解題突破點.在學生探究環(huán)節(jié)，要注意體現(xiàn)學生的主體地位，引導學生積極猜想并設(shè)計探究實驗方案，體驗科學探究過程，并解答習題，教師則在過程中糾正學生分析和解題的誤區(qū)，加深理解.

該模式的優(yōu)勢在于：一是先進行虛擬仿真演示，可以激發(fā)學生學習興趣并啟發(fā)思考，幫助學生帶著已知的現(xiàn)象進行問題猜想與探究，培養(yǎng)自主分析能力;二是教師在探究過程中能觀察并引導學生思考，加深學生的理解;三是虛擬仿真的數(shù)據(jù)處理、局部放大、慢化處理等功能，可以規(guī)避無關(guān)因素的干擾，突出重點物理過程，有助于培養(yǎng)學生的針對性分析能力.

3.2 支架型：先物理過程分析，后虛擬仿真與演示

當習題涉及的物理過程是生活中易于觀察或?qū)W生普遍熟悉的，例如斜面、杠桿等，學生已經(jīng)具備了一定的感性經(jīng)驗，基本能夠理解物理情境并進行簡單分析.但為了提高課堂自主探索的效率和解決課堂時間局限的問題，教師可在學生探索問題前搭建支架，再讓學生獨立分析，最后進行仿真演示來驗證結(jié)論，增加視覺印象，教學流程如圖2所示.

在學生獨立分析環(huán)節(jié)，學生基于已有的經(jīng)驗儲備嘗試獨立分析并解答習題.學生盡管已有一定的經(jīng)驗基礎(chǔ)，但仍然難以找到最快、最準確的問題解決方法，教師使用虛擬仿真演示為學生搭建“思維支架”，引導學生的探索方向.學生在教師的建議和啟發(fā)下，建立最適合題目的物理模型.但需要注意，虛擬仿真演示應(yīng)突出原始模型，增加學生的感性認識.

該模式的優(yōu)勢在于，首先，學生在教師搭建的支架下結(jié)合虛擬仿真進行探索和分析，提高了教學效率從而保證學生獨立學習和思考的質(zhì)量;其次，仿真能加深學生的視覺印象，豐富觀察經(jīng)驗，為物理抽象思維能力的培養(yǎng)儲備感性材料;再次，仿真可以規(guī)避一些無關(guān)因素，將復雜問題模型化并突出重點，仿真結(jié)果與原理分析的完美自洽，能增強說服力，深化學生邏輯思維.

4 虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于物理習題教學的教學案例

筆者采用上述教學模式在廣州市某高中進行了近3個月的教學實踐，下面以“追及與相遇”與“v-t圖像與運動的描述”習題教學為例，分別利用NOBOOK與PhET虛擬仿真軟件進行示例.

4.1 探究型：NOBOOK應(yīng)用于“追及與相遇”習題教學

分析追及與相遇問題一般從“速度相等”這一臨界條件入手，然而在實際運動中該臨界條件下的物理現(xiàn)象是不明顯、不便于觀察與分析的.選用探究型教學模式，應(yīng)用NOBOOK對“追及”過程作局部的放大與慢化處理，重點突出追及過程中的位移和速度的變化，能更有針對性地幫助學生分析物理過程，促進學生思考與積極探究，教學設(shè)計見表1.

例題1 A以20m/s在平直的單行道上行駛，緊急制動后4s停下，制動過程可視為勻減速直線運動.A發(fā)現(xiàn)在正前方18m處有B正以6m/s的速度同向勻速行駛，A立即制動.關(guān)于是否會發(fā)生追尾，某同學解答過程是：“設(shè)A制動后4s的位移為sA，B在這段時間的位移為sB，則sA=vAt=40m，sB=vBt=24m，位移差Δs=sA-sB=16m<18m，兩車并不相撞！”請問該分析合理嗎？學生思考題目，小組討論，并嘗試用NOBOOK設(shè)計實驗方案該題是勻減速直線運動與勻速直線運動結(jié)合的追及問題，主要考查學生對勻變速直線運動的掌握程度及對多物體同時運動的圖像建構(gòu)完整度，涉及到兩個研究對象的三個物理量——v、s和t的動態(tài)變化問題.學生在建構(gòu)運動過程時有一定難度，難以辨析何種情況為臨界狀態(tài)，而這恰是該題的突破口.學生容易誤以為當A勻減速至速度為0時，兩車是否相遇是判斷兩車是否會追尾的條件，陷入思維誤區(qū)

虛擬仿真演示

在本環(huán)節(jié)，教師布置學生自主設(shè)計實驗方案，設(shè)置NOBOOK軟件參數(shù)，仿真習題的物理過程

在學生自主探究過程中，教師引導學生觀察、討論虛擬實驗，并解釋實驗過程，得到結(jié)論

學生分別用藍球、紅球代表A和B，設(shè)置初始參數(shù)，取藍球位于（0，0），初速度為20m/s、加速度為-5m/s2;紅球位于（18，0），以6m/s勻速行駛.觀察、討論、解釋實驗過程，得到結(jié)論（如圖3）

通過仿真演示，學生能定量分析出A、B相遇時的位移關(guān)系，并且發(fā)現(xiàn)：減速至靜止并不是判斷AB追尾的條件.教師引導學生基于例題1，應(yīng)用NOBOOK進一步仿真演示，深入探究相遇的條件

4.2 支架型：PhET應(yīng)用于“v-t圖像與運動的描述”習題教學

位移x、速度v、加速度a是必修1運動學部分的基本物理量，學生對此具備一定的前概念.通過知識遷移，學生相對比較容易理解速度與位移概念，但對加速度的理解存在困難.另外，理解并繪制v-t圖像是本章的學習重點，但初學時學生往往對v-t圖像的斜率、截距等數(shù)學量的物理意義不是很清楚.本案例選用支架型教學模式（見表2），教師在常規(guī)教學后應(yīng)用PhET進行v-t圖像生成過程的演示，能加深視覺印象，幫助鞏固與理解知識，突破教學難點.

題意識別引入開放性的例題，鼓勵學生嘗試從不同角度描述汽車的運動情況

例題2 小明控制遙控汽車做勻變速直線運動，初始速度為6m/s，經(jīng)過5s后，速度為-4m/s，請描述這5s內(nèi)小車的運動情況學生思考與討論該題是開放題，不拘泥于公式定理的套用，重在鼓勵學生從不同角度構(gòu)建物理情境，拓展思維.教師在觀察學生的反應(yīng)后，提供PhET仿真并搭建支架，引導學生觀察并思考問題，加深對v-t圖像的認識

5 結(jié)束語

虛擬仿真應(yīng)用于物理習題教學需要注意的問題：首先，在教學設(shè)計時，要注意結(jié)合實際教學情況決定是否應(yīng)用虛擬仿真;其次，要注重典型的物理習題設(shè)計與原始物理模型的建立，在此基礎(chǔ)上應(yīng)用虛擬仿真幫助學生解決物理習題的復雜性與抽象性的問題;再次，要注意恰當設(shè)計“題眼”，啟發(fā)學生循序漸進地得出結(jié)論;最后，在實施虛擬仿真教學時，課堂氣氛會相對活躍，動態(tài)視圖也容易分散學生的注意力，巧妙地控場也是教學中必須攻克的難點.

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（收稿日期：2020-12-13）