李澤鋒

【摘要】本文闡述虛擬仿真技術(shù)在物理教學(xué)中的應(yīng)用情況，論述在高中物理教學(xué)融入虛擬仿真實驗的四條途徑，即利用虛擬仿真實驗創(chuàng)設(shè)情境、讓學(xué)生在虛擬仿真實驗的支持下交互操作驗證猜想、虛擬仿真實驗動態(tài)展示實驗過程加深學(xué)生的理解以及使實驗數(shù)據(jù)直觀化從而降低數(shù)據(jù)處理難度，并以人教版高中物理必修第一冊第二章“勻變速直線運動的研究”中的追及與相遇問題教學(xué)片段為例，具體分析將矩道實驗室運用于高中物理探究型實驗教學(xué)的策略。

【關(guān)鍵詞】虛擬仿真 實驗教學(xué) 力與運動?高中物理

【中圖分類號】G63 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2023）23-0109-04

虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)中的廣泛應(yīng)用，為高中物理實驗課堂設(shè)計注入了新的活力。為打破傳統(tǒng)物理實驗課所受到的空間、設(shè)施以及客觀誤差等限制，高中物理教師應(yīng)引進虛擬仿真實驗硬件與軟件，積極打造虛擬仿真實驗課堂。本文闡述虛擬仿真實驗在物理課堂中的應(yīng)用情況，論述在高中物理教學(xué)融入虛擬仿真實驗的途徑，并以人教版高中物理必修第一冊第二章“勻變速直線運動的研究”中的實驗為例，詳細分析虛擬仿真實驗的應(yīng)用。

一、虛擬仿真技術(shù)在物理教學(xué)中的應(yīng)用情況概述

隨著現(xiàn)代化教育技術(shù)的不斷成熟，以三維圖形、多媒體、電子信息、伺服等技術(shù)為核心的虛擬仿真實驗得到了高中物理教師的青睞。虛擬仿真實驗的出現(xiàn)填補了高中物理實驗教學(xué)的缺口，打破了傳統(tǒng)物理實驗受到的空間、器材等現(xiàn)實條件的限制，能夠精準設(shè)置實驗條件，模擬實驗場景。目前，虛擬仿真實驗已在高中物理教學(xué)中廣泛應(yīng)用，以Flash、Unity3D、MLTLAB等為代表的動畫建模軟件為虛擬仿真實驗設(shè)計提供技術(shù)支持，GeoGebra則能夠?qū)⒊橄蟮臄?shù)據(jù)與物理量轉(zhuǎn)化為可視圖像，為相關(guān)軌跡實驗提供數(shù)理分析并展示運動效果，NoBook虛擬實驗、PhET仿真平臺以及矩道實驗室等面向物理實驗專題的綜合性虛擬仿真實驗軟件，使得模擬力與運動、電學(xué)實驗等非直觀實驗過程更加貼合教學(xué)需求，為學(xué)生呈現(xiàn)更加清晰且精準的實驗流程。信息技術(shù)與物理學(xué)科教學(xué)的不斷融合，進一步優(yōu)化虛擬仿真實驗在高中物理教學(xué)中的應(yīng)用效果，有力促進實驗與教學(xué)有機結(jié)合，為豐富學(xué)生的知識儲備、提升學(xué)生的思維邏輯能力與實踐能力提供了有力的技術(shù)支持。

二、在高中物理教學(xué)中融入虛擬仿真實驗的四條途徑

（一）創(chuàng)設(shè)情境，建立理論與現(xiàn)實的聯(lián)系

作為研究物質(zhì)最基本結(jié)構(gòu)與一般運動規(guī)律的自然學(xué)科，物理學(xué)理論與相關(guān)實驗的基礎(chǔ)幾乎全部來源于現(xiàn)實空間，物理學(xué)中所總結(jié)的規(guī)則與定理，也只在運用于實際之時方能顯現(xiàn)出其含義與價值。因此，在高中物理的抽象理論學(xué)習(xí)過程中，教師需要通過創(chuàng)設(shè)情境幫助學(xué)生在理論與現(xiàn)實之間建立關(guān)聯(lián)。例如，利用虛擬仿真實驗進行理想化、細節(jié)化的模擬實驗，對平拋運動、勻變速等非直觀運動進行慢放、暫停乃至回放處理，使學(xué)生更加細致與清晰地觀察實驗過程，深刻體會實驗場景中包含的理論知識。在將理論與實踐聯(lián)系起來的過程中，進一步激發(fā)學(xué)生物理學(xué)習(xí)的動力與熱情，讓學(xué)生在觀察與實踐中不斷完成知識的自我內(nèi)化與系統(tǒng)構(gòu)建，最終形成嚴密而完整的物理思維邏輯。

（二）交互操作，幫助學(xué)生驗證猜想

傳統(tǒng)物理教學(xué)模式下，面對物理學(xué)抽象思維水平尚未形成的高一學(xué)生，教師往往為給學(xué)生呈現(xiàn)具體的實驗現(xiàn)象或精確的實驗結(jié)果，在設(shè)計實驗時將猜想與結(jié)果進行簡單對應(yīng)，以個別實驗現(xiàn)象逆推猜想，而后進行理論分析。這種方法雖較易施行，但在教學(xué)實踐過程中，筆者發(fā)現(xiàn)偶爾也會影響學(xué)生對概念的理解，如在關(guān)聯(lián)速度的學(xué)習(xí)中，學(xué)生很容易在實驗觀察中混淆物體實際運動的合速度與沿繩速度?？梢?，高中物理實驗教學(xué)需要一種能夠?qū)嶒瀮?nèi)容具象化且能夠讓學(xué)生進行實踐操作的技術(shù)，虛擬仿真實驗則能夠滿足這一需求。教師可以利用虛擬仿真實驗中的三維圖形、電子遙感等功能，精準構(gòu)建實驗環(huán)境，在設(shè)置基礎(chǔ)實驗數(shù)據(jù)與物理量后，由學(xué)生自主操作，反復(fù)驗證猜想，且無須考慮現(xiàn)實環(huán)境對實驗造成的誤差，也無須擔心器材損耗與實驗安全。

（三）動態(tài)展示，輔助學(xué)生理解過程

通過細剖高中物理實驗教學(xué)，筆者發(fā)現(xiàn)，力與運動相關(guān)的理論知識與實驗操作占比較大。高一年級物理課程中，勻速、勻變速、圓周、拋體運動及以上運動過程中所產(chǎn)生的受力關(guān)系與運動規(guī)律，均為實驗教學(xué)的重點，后續(xù)電磁學(xué)部分涉及的安培力、洛倫茲力等帶電粒子的電磁場受力與運動狀況，同樣需要對物質(zhì)的動態(tài)運動軌跡進行觀察與分析。由于高中生仍處在抽象運動思維的形成階段，對單一類型的軌跡運動尚能進行模擬想象與理解，但在面對因條件復(fù)雜而呈現(xiàn)出多種狀態(tài)的復(fù)雜運動過程時，學(xué)生很難通過抽象或想象來完整構(gòu)建運動過程并加以理解。因此，完整模擬物體運動狀態(tài)這一條件，成為高中物理力學(xué)實驗的核心需求。虛擬仿真實驗軟件具備的情境預(yù)設(shè)、條件模擬等功能，能夠精確且完整地展示物體運動軌跡，教師可在虛擬仿真程序中預(yù)設(shè)力學(xué)計算公式與數(shù)據(jù)條件，并在課堂教學(xué)中根據(jù)學(xué)生不斷提出的猜想與疑問，隨時改變相關(guān)數(shù)據(jù)，為學(xué)生展示更加直觀的運動狀態(tài)，幫助學(xué)生更好地理解實驗背后的理論知識。

（四）數(shù)據(jù)可視，降低梳理分析難度

相較于初中階段的物理學(xué)習(xí)，高中物理學(xué)習(xí)對定量分析能力要求更高。物理學(xué)習(xí)在高中階段逐漸由對生活現(xiàn)象的直觀觀察與理解，轉(zhuǎn)變?yōu)楦鶕?jù)定律進行一般性運動模擬并分析驗證。許多學(xué)生無法適應(yīng)對一般性運動規(guī)律的猜想、驗證、分析與推理過程，加之傳統(tǒng)高中物理教學(xué)中，大量的定律理解、數(shù)據(jù)分析與常規(guī)實驗的過程相對枯燥乏味，復(fù)雜的計算與抽象的邏輯，使很多學(xué)生在物理學(xué)習(xí)中對定量分析產(chǎn)生畏難心理。對此，教師有必要引入虛擬仿真實驗，在教學(xué)過程中從學(xué)生更為熟悉的現(xiàn)象觀察入手，通過模擬實驗將書本中枯燥而復(fù)雜的定律、數(shù)據(jù)、條件轉(zhuǎn)換為直觀圖像，使數(shù)據(jù)與物體動態(tài)行為可視化，從而降低學(xué)生開展梳理知識、理解概念與分析實驗數(shù)據(jù)等學(xué)習(xí)活動的難度，同時也為其轉(zhuǎn)變自身的物理思維與邏輯習(xí)慣提供便捷渠道。

三、虛擬仿真實驗運用于高中物理探究型實驗的教學(xué)案例分析

力與運動是高中物理第一學(xué)期的重點學(xué)習(xí)內(nèi)容，也是高中物理實驗教學(xué)的核心。筆者以人教版高中物理必修第一冊第二章“勻變速直線運動的研究”中涉及的追及與相遇問題為例，運用矩道實驗室開展課堂實驗，闡述虛擬仿真實驗在物理課堂教學(xué)的具體應(yīng)用。

經(jīng)過前段課時對描述運動的相關(guān)概念的學(xué)習(xí)，學(xué)生對位移、速度與加速度等物理量已形成基礎(chǔ)性理解。追及問題、相遇問題雖然是生活中常見的有關(guān)運動關(guān)系的問題，但這些看似簡單尋常的問題之中包含多種運動狀態(tài)，是復(fù)雜的物理模型。實驗課堂教學(xué)通常被設(shè)計在理論教學(xué)之后，因此教師在安排追及與相遇問題虛擬仿真實驗細節(jié)時，首先可以通過家庭作業(yè)或隨堂小測等方式，把握學(xué)生對概念的掌握情況；其次分析學(xué)生反饋，將不同接受程度的學(xué)生進行簡單分層，為后續(xù)分組開展實驗設(shè)計做好準備；最后根據(jù)學(xué)生知識掌握的層次比例調(diào)整實驗課堂重點，確保實驗課的教學(xué)方法、驗證內(nèi)容與實踐過程能夠與學(xué)生整體水平相契合，實現(xiàn)有效的實踐學(xué)習(xí)。

（一）以情境創(chuàng)設(shè)引出實驗主題

師：上一課時，我們學(xué)習(xí)了勻變速運動的理論，那么請同學(xué)們一邊回憶，一邊結(jié)合生活實際進行思考，自己能舉出哪些生活中的勻變速運動實例？

生：汽車在行駛時以恒定的加速度進行加速或減速。

師：馬路上不止有一輛車在行駛，那么在運動過程中，多輛車的相對位置是否固定不變？

生：需要分別判斷不同車輛各自的運動狀態(tài)。

師：很好，那么接下來我們設(shè)想一個場景。此時有一輛公交車正停在路口等待紅綠燈，綠燈亮起時車輛開始加速，加速度恒定為a=3 m/s2，而此時有一輛自行車以恒定速度v2=6 m/s從公交車旁經(jīng)過。請同學(xué)們思考并回答以下兩個問題。問題1，兩車分別進行什么運動？

生：通過題中條件可知，公交車在做勻加速直線運動，而自行車在做勻速直線運動。

師：請同學(xué)們進入矩道實驗室中選擇勻變速直線運動模型，輸入數(shù)值，模擬兩車的運動，觀察兩車的運動狀態(tài)。

（學(xué)生打開程序，選擇兩個小球分別代表公交車與自行車，兩者同時從坐標軸原點出發(fā)，在y軸方向運動，其中小球上方顯示各自的運動速度，y軸兩側(cè)則分別設(shè)置本次運動的速度—時間圖像與位移—時間圖像）

師：問題2，上述情境中，公交車能否追上自行車？如果能，求兩車相遇時間。

【設(shè)計意圖】在課堂導(dǎo)入環(huán)節(jié)通過創(chuàng)設(shè)情境引出實驗主題，安排學(xué)生運用矩道實驗室模擬自行車與公交車的運動軌跡。學(xué)生在初步操作中直觀地看到了運動過程與結(jié)果，而后運用公式代入數(shù)據(jù)，計算出最終結(jié)果。追及相遇模型的構(gòu)建能夠使學(xué)生的思維由研究單一物體運動向研究多狀態(tài)復(fù)合型運動轉(zhuǎn)變，通過解決現(xiàn)實問題，初步構(gòu)建物理探究思維框架。

（二）以猜想假設(shè)推動知識深化

師：基于剛剛給出的情境與條件，同學(xué)們再思考一個問題。在自行車與公交車相遇之前，兩車之間的距離發(fā)生了怎樣的變化？可以運用矩道實驗室中的位移—時間圖像生成功能進行分析。

生：根據(jù)兩車的位移—時間圖像，在公交車剛起步時，二者距離呈擴大趨勢，隨著公交車速度均勻增加，二者距離開始逐漸縮小，直到公交車追上自行車。

師：根據(jù)同學(xué)們剛剛的觀察可知，兩車之間距離的變化趨勢由逐漸擴大變?yōu)橹饾u縮小，那么兩車距離何時達到最大？請大家深入思考并進行計算。

生1：通過觀察剛剛模擬實驗的位移—時間圖像，兩車相距最遠的時刻便是二者位移差值最大的時刻，可以先計算兩車的位移距離，而后作差，得出結(jié)論。

生2：如果截取兩車在同一路口同時出發(fā)的狀態(tài)，那么兩車的速度—時間圖像也可以間接表達出位移距離，而通過觀察圖像可以發(fā)現(xiàn)，兩車速度相等時相距最遠。

生3：第一位同學(xué)提出的方案無法通過已知條件進行計算，而第二位同學(xué)的方法可能具有偶然性，如果兩輛車的速度與加速度發(fā)生一定變化，這一猜想未必成立。

【設(shè)計意圖】經(jīng)過情境導(dǎo)入環(huán)節(jié)的鋪墊，學(xué)生已在虛擬仿真實驗中初步創(chuàng)建了問題模型，教師拋出更深層次的問題，引導(dǎo)學(xué)生進一步運用虛擬仿真模型，通過直觀觀察運動狀態(tài)，針對問題提出不同的方案猜想。圍繞問題引導(dǎo)學(xué)生發(fā)散思維，并將思維引向深入，經(jīng)由虛擬仿真模型的形象化處理，能夠使問題更加貼合實際，以此加強物理力學(xué)概念、公式與實際應(yīng)用之間的聯(lián)系，為全面提升學(xué)生的物理觀念與學(xué)科思維開拓新的路徑。

（三）以分組實驗促進合作交流

師：剛剛幾位同學(xué)都針對兩車最大距離這一問題分享了各自的方法與猜想。那么我們就以這兩種猜想為接下來的實驗內(nèi)容，進行分組實驗與交流探討。同學(xué)們在實驗過程中，需要嘗試改變情境中自行車與公交車運動的相關(guān)參數(shù)，通過多次試驗、記錄與規(guī)律總結(jié)，探討兩車速度、加速度與位移距離之間的關(guān)系。

（教師根據(jù)課前掌握的學(xué)情將學(xué)生分為若干個課堂實驗小組，通過改變兩車的運動參數(shù)，多次模擬兩車運動狀況，并分析生成的速度—時間圖像）

師：請同學(xué)們匯報自己的實驗方法與結(jié)論。

生1：我們選擇改變運動速度與加速度的參數(shù)，并觀察生成的速度—時間圖像，發(fā)現(xiàn)只要在兩車同時出發(fā)、一車做勻速運動而另一車做勻加速運動這一設(shè)定下，無論如何改變參數(shù)，二者之間的距離均在二者同速時達到最大值。

師：那么根據(jù)同學(xué)們記錄的實驗結(jié)果，如何解釋這一現(xiàn)象？請同學(xué)們回憶之前學(xué)過的勻變速直線運動的原理與公式，從理論角度探尋解釋方向。

生1：這一場景下，兩車的普遍運動規(guī)律可總結(jié)為，當兩車同時開始運動后，由于前車速度大于后車速度，此時兩車距離呈擴大趨勢；而隨著后車在勻加速運動中速度不斷增大，當后車速度大于前車速度時，兩車距離逐漸縮小，直至后車追上前車。

師：非常棒。那么我們由此可知，兩車速度相等的時刻即為二者距離變化關(guān)系的轉(zhuǎn)折點，我們可以將其稱為臨界點。

生2：老師，我有一個疑問。我們在模擬兩車運動狀態(tài)時，都遵循了兩車在同一位置出發(fā)這一條件，那么如果兩車出發(fā)的位置不同，兩車速度相同時距離最遠的結(jié)論還會成立嗎？

師：很好，有同學(xué)提出了新的疑問。那么就請同學(xué)們交流討論一下，如果取消“同一位置出發(fā)”這一條件，結(jié)論是否會發(fā)生改變？如果將所有因素都納入考慮范圍，在運動狀況更加復(fù)雜的現(xiàn)實生活中，又會出現(xiàn)多少種追及變速情況？同學(xué)們可以一邊討論，一邊用矩道實驗室模擬運動狀態(tài)，對可能出現(xiàn)的變速狀態(tài)進行記錄與總結(jié)。

生3：經(jīng)過大家的討論與交流，我們大概總結(jié)出以下六種情況?！皠蚣铀僮穭蛩佟薄皠蚣铀僮穭驕p速”“勻速追勻加速”“勻速追勻減速”“勻減速追勻速”以及“勻減速追勻加速”。

師：好，那么就將這六種情況作為接下來的實驗內(nèi)容，每一小組負責(zé)一種情況，實驗結(jié)束后集中進行結(jié)果匯報與討論。

生4：我們?nèi)齻€小組經(jīng)過討論和總結(jié)發(fā)現(xiàn)，在“勻加速追勻速”“勻速追勻減速”以及“勻加速追勻減速”這三種情況下，共速的一瞬間依舊是兩車距離變化趨勢發(fā)生轉(zhuǎn)變的臨界點，我們還總結(jié)出了兩車最遠距離的常規(guī)表示，即距離為x0+Δx，指出發(fā)時兩者之間的距離與共速一瞬間位移差值之和。

生5：我們組負責(zé)研究的是“勻減速追勻速”這一情況，經(jīng)過模擬實驗我們發(fā)現(xiàn)這種情況可能不在這一情境的討論范圍內(nèi)?！皠驕p速追勻速”這一情況僅出現(xiàn)在后車初速度大于前車速度時，如果兩車初始距離不夠大，或后車初速度遠大于前車，那么二者將會在共速之前相遇；如果兩車間初始距離較大，或后車初速度不是遠大于前車，則兩車根本沒有相遇的可能。

生6：我們組也開展了“勻減速追勻速”這一情況的模擬實驗。我們僅針對一種情況進行驗證，即將二車之間的初始距離設(shè)置為較大數(shù)值，為兩車留有足夠大的運動空間，同時后車初始速度大于前車。經(jīng)過反復(fù)模擬并記錄速度—時間圖像，我們發(fā)現(xiàn)在這一情況下，兩車距離在共速前不斷縮小，在兩車共速后兩車距離轉(zhuǎn)為擴大趨勢，也可將共速的瞬間視為臨界點。

【設(shè)計意圖】教師在這一環(huán)節(jié)中安排了大量的模擬實驗內(nèi)容，并以小組討論的方式，引導(dǎo)學(xué)生在交流與探討中逐漸深入思考變速追及與相遇問題。學(xué)生在虛擬仿真實驗過程中，通過不斷改變模型參數(shù)，觀察與記錄兩個運動物體之間的距離關(guān)系變化，再分析數(shù)據(jù)圖像，驗證自己的猜想。提出猜想—實驗探究—深入拓展—探討總結(jié)，學(xué)生在這一過程中逐步完善了自身對勻變速運動的多種情況設(shè)想與關(guān)系認知，在深入思考的同時完成了知識內(nèi)化，并在虛擬仿真實驗操作中實現(xiàn)了知識的遷移與應(yīng)用。

虛擬仿真實驗貫穿整節(jié)課：教師利用虛擬仿真實驗創(chuàng)設(shè)情境引出課題，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情；學(xué)生通過開展虛擬仿真實驗驗證猜想；學(xué)生在實驗過程中發(fā)現(xiàn)新的問題，分組開展虛擬仿真實驗深入研究，逆向推理，驗證與總結(jié)一般運動規(guī)律。可見，將虛擬仿真實驗運用于高中物理課堂教學(xué)，為學(xué)生形成物理觀念與科學(xué)思維提供了更加廣闊的實踐空間，學(xué)生在這一過程中完成概念知識的內(nèi)化與應(yīng)用。

物理是一門與生活緊密聯(lián)系的自然科學(xué)，僅靠枯燥地介紹抽象的理論與公式、概念，很難讓學(xué)生形成物理思維，也無法發(fā)展學(xué)生的問題解決能力。將虛擬仿真實驗引入物理教學(xué)，能夠讓學(xué)生通過直觀的實踐操作，自主構(gòu)建知識體系，從而有效發(fā)展學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。信息技術(shù)發(fā)展突飛猛進、生機勃勃，在此時代背景下，廣大物理教師有必要與時俱進，研究虛擬仿真實驗在物理教學(xué)中的應(yīng)用，不斷尋找提高物理教學(xué)有效性的路徑，實現(xiàn)培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的目標。

參考文獻

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