方平芬

摘 要：仿真演示實驗指的是建立一個模擬實驗環(huán)境，對實驗內(nèi)容進行模擬操作，從而實現(xiàn)實驗教學(xué)的目標(biāo)，這是一種新型的教學(xué)手段，在課堂中運用可以使教學(xué)內(nèi)容呈現(xiàn)得更加清晰，簡單易懂。因此，仿真實驗在教學(xué)實踐中也得到了越來越多的應(yīng)用。但是，目前對于仿真演示實驗在課堂中實踐運用的相關(guān)介紹并不多，沒有對不同課型的教學(xué)設(shè)計進行歸納梳理，也未能實現(xiàn)將核心素養(yǎng)培養(yǎng)目標(biāo)與仿真演示實驗教學(xué)充分結(jié)合。本文對仿真演示實驗在高中物理教學(xué)中的實施與應(yīng)用開展了調(diào)查，深入分析仿真實驗的優(yōu)缺點，呈現(xiàn)課堂應(yīng)用的實踐效果，做到更好地貫徹核心素養(yǎng)的培養(yǎng)教學(xué)目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：仿真演示實驗；高中物理；實驗設(shè)計；核心素養(yǎng)

在目前的基礎(chǔ)教育改革中，培養(yǎng)核心素養(yǎng)是實現(xiàn)“立德樹人”教學(xué)任務(wù)的重要環(huán)節(jié)，而核心素養(yǎng)的培養(yǎng)又是通過各個學(xué)科課程具體的教學(xué)實踐來實現(xiàn)的。高中物理圍繞核心素養(yǎng)這一中心任務(wù)來安排教學(xué)，合理整合教學(xué)資源來實施課堂教學(xué)過程，不僅使課堂教學(xué)更具針對性，而且也保證了課堂教學(xué)的質(zhì)量，讓學(xué)生們在學(xué)習(xí)物理的同時也能夠更好地對一些基本概念有所了解，激發(fā)學(xué)生的科學(xué)思維，提升探索能力，培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，為學(xué)生未來的工作發(fā)展打下基礎(chǔ)，做到更好地與社會相適應(yīng)。

一、高中物理仿真實驗的時代性

科技提升教育質(zhì)量、教育推動科技發(fā)展，教育的進步與科技發(fā)展息息相關(guān)。這主要體現(xiàn)在兩方面，一是教育的發(fā)展受到科技發(fā)展的制約，科技水平的快速發(fā)展有利于教育的正向發(fā)展。二是教育的發(fā)展會推動科學(xué)知識的更新以及科技成果的形成。通過對仿真演示實驗的教學(xué)實踐進行探究，促進教育人員對教育技術(shù)的理解和規(guī)范使用，從而推動教育現(xiàn)代化的進程。

在傳統(tǒng)的高中物理教學(xué)中，教學(xué)模式較為單調(diào)，教學(xué)方法過于死板，且大都是教師占據(jù)主導(dǎo)地位，這樣固化老套的教學(xué)方式不僅無法培養(yǎng)學(xué)生的能力，無法充分發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)，而且會大大降低學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，導(dǎo)致學(xué)生出現(xiàn)了不愛學(xué)習(xí)的現(xiàn)象，甚至逃學(xué)等一系列問題。仿真演示實驗是借助多媒體平臺，利用虛擬現(xiàn)實、可視化等手段，在計算機上建立一個虛擬的實驗環(huán)境，來模擬實驗的過程與結(jié)果。在實驗過程中，使用者不需要使用真實的儀器設(shè)備，只需要通過操控鼠標(biāo)，選擇所需的實驗儀器，開啟實驗過程模擬，便可獲得與真實操作環(huán)境中相同的實驗結(jié)果。本文對仿真演示實驗在教學(xué)中的實踐應(yīng)用進行了探討，充分利用技能融合的新思想，促進教師根據(jù)實際情況轉(zhuǎn)變教學(xué)觀念、改進教學(xué)方法，這一措施不僅為教師們提供了一個學(xué)習(xí)的機會，也對學(xué)生的發(fā)展起到積極的推動作用。

二、高中物理仿真演示實驗的教學(xué)優(yōu)越性

自21世紀(jì)以來，大數(shù)據(jù)時代信息技術(shù)飛速發(fā)展，教育的發(fā)展在這個時代下出現(xiàn)了契機，其中教育信息化是一個熱門話題?！镀胀ǜ咧形锢碚n程標(biāo)準(zhǔn)》中明確指出，要將中學(xué)物理的教學(xué)應(yīng)用與信息技術(shù)充分結(jié)合，借助多媒體平臺，開發(fā)教學(xué)新模式，以此拓寬中學(xué)物理教學(xué)和學(xué)習(xí)方式[1]。主要在以下幾方面有所體現(xiàn)：

（一）確保大部分同學(xué)能接觸到實驗。在以前的物理實驗中經(jīng)常會遇到缺乏實驗設(shè)備的問題，導(dǎo)致無法進行實驗。而仿真演示實驗則是在一定程度上突破了這一局限，有效杜絕了這一問題的發(fā)生，使大部分學(xué)生能夠充分參與實驗中來，大大提高了學(xué)生的課堂參與性。

（二）以適應(yīng)學(xué)習(xí)者的需要為目標(biāo)。比如仿真軟件NOBOOK，能夠準(zhǔn)確模擬中學(xué)物理的實驗，通過手機、平板、電腦等工具即可實現(xiàn)仿真實驗過程。在實驗?zāi)M的過程中激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動力，培養(yǎng)學(xué)生對物理學(xué)習(xí)的興趣。

（三）仿真演示實驗把一些肉眼無法直接看到的物理現(xiàn)象以動畫的形式再現(xiàn)，使實驗更為生動形象。將抽象的物理知識通過動畫的形式展現(xiàn)出來，使枯燥的實驗變得更加具體，有助于學(xué)生構(gòu)建物理模型，培養(yǎng)抽象思維。同時，仿真演示實驗還能有效防止意外事件的發(fā)生，提高了實驗的安全性。

（四）不受地點空間的限制。以測試紙帶的瞬間速度實驗為例，需要利用打點計時器，了解其工作結(jié)構(gòu)和原理，做到規(guī)范使用儀器，且實驗步驟極其煩瑣。在實驗測試之后還需要對紙條進行測量統(tǒng)計，計算出紙帶的瞬時速度。但如若利用仿真軟件，采用實驗?zāi)M法可以迅速建立起物理模型，實驗完成后系統(tǒng)也會自動顯示出相鄰點之間的間距，不僅可以節(jié)約時間，還可以減少手工測量帶來的誤差。通過對實驗結(jié)果的分析即可得到圖像，整個過程中實驗的內(nèi)容既豐富又生動。

（五）實驗內(nèi)容豐富。仿真軟件中包括多種物理場模型和實驗器械設(shè)備，比如：在力與運動中，充分展示輕繩、輕桿、彈簧等實驗器械，以此代表運動對象；在機械物理場方面，包括重力場、電場、磁場和其他一些物理場；在常規(guī)實驗操作方面，包括自由落體運動、曲線運動、驗證能量守恒等。還有極為重要的一點，在仿真演示實驗中可以進行一些在實驗室無法完成的實驗。如電場中荷電粒子的加速和偏折，磁場中荷電粒子的圓周運動等，這些都是教學(xué)要求的實驗內(nèi)容，但傳統(tǒng)實驗卻無法完成，通過仿真實驗可以較好地得以展現(xiàn)。

（六）重復(fù)性。在初步建立一個物理實驗?zāi)M系統(tǒng)時，需要老師和相關(guān)的專業(yè)人員進行大量的研究[2]。然而，一旦建成之后它便可作為一種電子資源，以一種近乎零成本在不受時空限制的條件下被重復(fù)使用。此外，仿真系統(tǒng)的電子數(shù)據(jù)在現(xiàn)實交流中有著巨大的優(yōu)勢，一些經(jīng)典實驗和優(yōu)秀案例能夠在特定的區(qū)域內(nèi)進行分享，從而進一步增強了系統(tǒng)的可重復(fù)性和可交流性。

（七）成本具有可控性。對于建立物理實驗仿真系統(tǒng)，其投資費用遠遠低于建立實體的物理實驗室，學(xué)校只需購買相應(yīng)的軟件，并對相應(yīng)的教師進行統(tǒng)一培訓(xùn)。除進行必要的更新之外，仿真系統(tǒng)基本不需進行后期的運行和維護，從而達到控制教學(xué)成本的目的。在經(jīng)歷信息化改革后，教育體系中的信息化和數(shù)字化課堂已經(jīng)取得了一定的成果，電子黑板和計算機系統(tǒng)已經(jīng)成為課堂教學(xué)的一部分，在這樣的情況下，引進一個物理實驗?zāi)M系統(tǒng)，也不會帶來任何額外的費用。

（八）適用范圍更加廣泛。仿真系統(tǒng)是用計算機來模擬物理現(xiàn)象，所涉及的物理參數(shù)和常量都可以隨意調(diào)整，便于控制物理實驗的影響因素。例如：在設(shè)計電場實驗時，教師輸入相應(yīng)的參數(shù)來調(diào)整物體的具體質(zhì)量、電流等，讓物理實驗的結(jié)果變得更加多樣化，也更有利于學(xué)生觀察到實驗現(xiàn)象。此外，該系統(tǒng)還能夠模擬真實環(huán)境中不能實現(xiàn)的一些實際情況，例如調(diào)整重力、建立真空環(huán)境等，從而大大擴展了物理實驗的可能性，拓寬了實驗的范圍。

三、仿真演示實驗的軟件依托

實施物理仿真演示系統(tǒng)需要借助專門具有物理引擎功能的軟件。目前適用于物理仿真演示實驗的軟件有專用仿真軟件和廣譜仿真平臺兩大平臺。

（一）專用仿真軟件

專用仿真軟件是為物理實驗所設(shè)計的，指專門為物理實驗而研制的專用模擬平臺。其應(yīng)用中有很多的模板類型和經(jīng)典案例，以支持電子黑板數(shù)字教學(xué)系統(tǒng)的軟件LABX為例，它包括了基本上中學(xué)物理各個年級階段的大綱實驗內(nèi)容以及實驗結(jié)果的展示。在實驗操作過程中，教師只需通過設(shè)定系統(tǒng)中所設(shè)定的參數(shù)，就可以實現(xiàn)實驗演示，這在客觀上減少老師的使用難度，幫助老師們更快地在課堂上部署和使用。

（二）廣譜仿真平臺

廣譜仿真平臺能夠為用戶提供范式仿真功能，其平臺功能豐富多樣，不但可以展現(xiàn)大綱教學(xué)要求的所有實驗，還可以在微電子學(xué)、復(fù)雜電路等領(lǐng)域提供一定的支撐。但該平臺的適用面主要針對具有一定編程、仿真和計算機應(yīng)用能力的教師，因為在教學(xué)過程中教師需要根據(jù)教學(xué)內(nèi)容自行建立特定的仿真程序。以COMSOL軟件應(yīng)用為例，教師使用COMSOL仿真軟件對光學(xué)實驗展開仿真教學(xué)，教師需要調(diào)用不同的光學(xué)軟件來構(gòu)建仿真光與物質(zhì)之間的相互作用，輸入不同的模擬數(shù)值得到輸出結(jié)果，再讓學(xué)生來觀察實驗，這對教師的專業(yè)水平要求較高，具有一定難度。

四、仿真實驗教學(xué)實施過程分析

結(jié)合高中物理的實驗內(nèi)容，遵循有效、靈活的教學(xué)應(yīng)用原則，根據(jù)仿真演示實驗的教學(xué)設(shè)計和應(yīng)用思路，將仿真演示實驗的優(yōu)點和應(yīng)用的具體策略相結(jié)合，對教學(xué)案例進行分析設(shè)計，利用仿真演示實驗來輔助高中物理教學(xué)，為未來的教學(xué)實施提供了一定的參考思路[3]。以《驗證機械能守恒定律》這一實驗教學(xué)為例。

（一）教學(xué)目標(biāo)分析

本章為高中物理驗證性實驗章節(jié)，其內(nèi)容是利用重物的自由下落運動驗證機械能守恒定律，學(xué)習(xí)實驗的操作方法與技巧，深化對機械能守恒定律的理解，還涉及了紙帶選取和測量瞬時速度的方法，具有較高的知識基礎(chǔ)、較高的綜合能力。

（二）學(xué)習(xí)情況分析

高年級學(xué)生對理論知識已經(jīng)有了較好了解，掌握了運動學(xué)、力學(xué)的基本概念和規(guī)律，在實驗過程中對物體的受力情況做出判斷，并采集數(shù)據(jù)，做到對實驗結(jié)果進行準(zhǔn)確分析。在這一階段，學(xué)生的抽象性思維得到了很大提高。但同時也出現(xiàn)了一些問題，如學(xué)生對系統(tǒng)的思路和方法未能較好地掌握，學(xué)生的解題能力還不夠，這也主要受問題的難度和復(fù)雜度的影響。

（三）教學(xué)設(shè)計思路

在這節(jié)課的設(shè)計中，主要有兩個方面涉及了仿真演示實驗的應(yīng)用，一方面，對打點計時器測量紙帶瞬時速度進行模擬，該方法可以有效解決實際實驗效果存在的阻力誤差問題。另一方面，模擬物體自動下落的運動過程，教師通過調(diào)整物體重量、高度等參數(shù)變化讓學(xué)生進行觀察，實驗的動態(tài)過程更為鮮明，促進學(xué)生對所學(xué)內(nèi)容的掌握。

（四）實驗教學(xué)過程

1.觀察實驗現(xiàn)象，分析現(xiàn)象產(chǎn)生的原因：老師首先對電磁打點計時器的結(jié)構(gòu)和工作原理做簡單的介紹，再通過Nobook軟件模擬實驗平臺，對該裝置的工作進行演示，引導(dǎo)學(xué)生注意觀察屏幕上紙帶打點的運動距離，并將其記錄下來。在此基礎(chǔ)上，通過改變不同的運動速度，觀測到不同的紙帶打點距離變化差異。通過對實驗結(jié)果的分析，驗證相關(guān)結(jié)論。設(shè)計理念：為了讓學(xué)生有更好的觀測感受，教師采用仿真演示試驗的方式來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的演示方式。將實驗通過動畫的形式生動具體地展現(xiàn)在學(xué)生面前，并進行對比提問，為學(xué)生思維提供一個直觀的參照，并教會學(xué)生處理數(shù)據(jù)分析實驗結(jié)果。

2.通過復(fù)習(xí)舊知識，推導(dǎo)出法則公式，教師與學(xué)生共同梳理復(fù)習(xí)上一節(jié)課所學(xué)的知識，并探討勻變速直線運動的紙帶某點瞬時速度，對物體的運動狀態(tài)進行分析、總結(jié)，并探究運動過程中的具體影響因素。引導(dǎo)學(xué)生利用數(shù)學(xué)知識，計算重物動能的增加量和重力勢能的減少量，從而更好地掌握機械能量守恒規(guī)律。設(shè)計理念：讓學(xué)生親身經(jīng)歷知識的回溯和推理過程，獲取并掌握新的知識，這與建構(gòu)主義理念的要求相一致，既可以使學(xué)生對所學(xué)知識有更深層次的了解，又可以培養(yǎng)學(xué)生的思維能力。

3.介紹了儀器和裝置，揭示了其工作原理。利用 Nobook軟件模擬實驗平臺，演示電磁打點計時器和電火花計時器的結(jié)構(gòu)。同時，對物體自由落體運動進行了仿真，從而加深物體運動的認(rèn)識。設(shè)計理念：通過仿真平臺，對科學(xué)儀器的基本構(gòu)造及工作過程進行展示，這樣不僅可以讓學(xué)生對有關(guān)原理的理解再一次加深，還可以讓課堂與科技之間的關(guān)系變得更加密切，從而讓學(xué)生們養(yǎng)成一種熱愛科學(xué)、熱愛學(xué)習(xí)的態(tài)度。

4.講授習(xí)題練習(xí)，以鞏固應(yīng)用知識為目的，要求學(xué)生做好教科書上的相關(guān)習(xí)題，并在課上完成對知識的掌握和應(yīng)用。

五、仿真演示實驗課堂教學(xué)效果分析

在仿真演示實驗的過程中，充分運用現(xiàn)代信息技術(shù)平臺，借助多媒體教學(xué)手段，學(xué)生通過觀看視頻來理解實驗原理，將抽象的物理理論知識變得更加生動形象。此外，對實驗結(jié)果進行處理時，可利用計算機軟件進行處理，大大節(jié)省了操作時間。

自主性學(xué)習(xí)是每一個學(xué)生都必須掌握的技能，指的是學(xué)生根據(jù)實際學(xué)習(xí)情況明確學(xué)習(xí)目標(biāo)，通過制訂合理的學(xué)習(xí)計劃、選擇適當(dāng)?shù)膶W(xué)習(xí)策略，對學(xué)習(xí)過程進行自我監(jiān)控，以及對學(xué)習(xí)效果進行自我評價。在高中物理仿真演示實驗的過程中，學(xué)生可以以實驗內(nèi)容和實驗原理為依據(jù)，對實驗過程進行設(shè)計，還可以不斷地改變實驗條件、實驗變量，學(xué)生在仿真演示實驗的過程中始終保持強烈的好奇心，充分利用高中物理的有關(guān)理論知識應(yīng)用展開實驗設(shè)計，并得出實驗結(jié)論，并能夠自主地設(shè)置實驗數(shù)據(jù)，極大地提高了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。

在高中物理實驗的教學(xué)過程中，教師設(shè)置不同的物理參數(shù)指導(dǎo)學(xué)生對物理知識展開探索和學(xué)習(xí)，有助于學(xué)生進一步理解物理知識。當(dāng)學(xué)生們對仿真系統(tǒng)有了一定了解之后，老師可以自主編程或自主設(shè)計實驗，指導(dǎo)學(xué)生對豐富的物理課外知識展開探索和學(xué)習(xí)。

在具體實踐過程中，教師可以組建物理實驗興趣小組便于管理學(xué)生。在學(xué)生小組內(nèi)部，激發(fā)學(xué)生的想象力，鼓勵學(xué)生自主創(chuàng)新，設(shè)定實驗方向，理論知識與實踐相結(jié)合，再利用仿真實驗確定結(jié)果，進行一定程度的物理探索。這不僅能夠幫助學(xué)生將所學(xué)的理論知識切實運用到實際工作中去，直觀觀察物理實驗結(jié)果，還能夠有效提升學(xué)生的學(xué)習(xí)成就感，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，進而促進學(xué)生對物理實驗教學(xué)，乃至整個物理學(xué)科產(chǎn)生濃厚的學(xué)習(xí)欲望。

結(jié)束語

將仿真演示實驗應(yīng)用到高中物理教學(xué)中，可以有效降低學(xué)校的實驗成本，大大提升物理實驗的教學(xué)效果，在一定程度上也使物理課堂教學(xué)效率得到提升。因此，將仿真演示實驗引入到高中物理教學(xué)中是極其有必要的。教師需要進一步明確教學(xué)目標(biāo)，對教學(xué)流程合理規(guī)劃，側(cè)重教學(xué)細節(jié)的實施，對有效的知識內(nèi)容進行適當(dāng)拓展，充分將仿真演示實驗與高中物理課堂融合起來，確保有效打造出一個高效的物理課堂，激發(fā)學(xué)生對高中物理的學(xué)習(xí)興趣，從而真正提高學(xué)生對高中物理的學(xué)習(xí)積極性。

參考文獻

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