仿真实验在中学物理教学中的应用
欧阳瑛 付响云
摘? ?要：为了在物理教学中有效培养学生的物理核心素养，教师可以根据核心素养的具体内容，将仿真实验安排在不同的教学环节中，利用仿真实验进行知识的过渡、创设问题情境，补充真实实验和讲解科技前沿，以此来辅助课堂教学。文章根据仿真实验的特点和优势，提出了几点仿真实验的教学策略，并结合中学物理实际教学内容，探索了仿真实验在物理理论课堂中的具体应用。
关键词：核心素养;仿真实验;中学物理
中图分类号：G633.7 文献标识码：A ? ? 文章编号：1003-6148（2021）5-0066-4
近年来，由经济合作与发展组织提出的核心素养一词受到了教育界的广泛关注。核心素养是指学生应该具备的能够适应个人终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力[1]。学生核心素养的培养离不开各学科课程的实施，其中物理核心素养主要包括物理观念、科学思维、科学探究和科学态度与责任四个方面[2]。学生物理核心素养的有效培养，不仅需要教學内容和教学方式的改革，更需要教学技术和手段的创新。在众多教学辅助设备中，仿真实验以其独特的优势受到了教育工作者的青睐。
仿真实验利用计算机创设虚拟环境对实验的过程和结果进行模拟[3]，具有形象逼真、安全高效等优点，最初被使用于工程领域，随后逐渐被应用到教育领域。目前，有许多文章都提出了仿真实验在物理实验课和习题课中的应用方法[4，5]，但很少有文章指出如何应用仿真实验针对性地培养学生的物理核心素养。结合教学实践经验和仿真实验的特点，本文提出了几点仿真实验在理论课中的教学应用策略，并分析了几则应用实例。
1? ? 仿真实验的教学实践策略
1.1? ? 明确教学目标，做好教学设计
著名教育家叶圣陶说过“教学有法，教无定法，贵在得法”，同一教学内容往往有多种不同的教学方法，但其最终目标都是希望学生能够掌握相应的知识，获得学科核心素养。因此，教师在教学前应该紧扣教材和课标，明确课堂教学目标，不要盲目追求一些新的教学手段，而是要根据教学内容的特点和学生的情况选择合适的教学方法，根据核心素养培养的侧重点将仿真实验合理地安排在各教学环节中，充分利用仿真实验的价值，使课堂教学效果达到最优。
1.2? ? 熟悉仿真平台，掌握实验操作
不同的仿真平台在实验种类与数量、界面设计、操作控制等方面都存在差异。教师在选定要使用的仿真实验平台后，应提前进入平台系统，了解仿真平台的基本情况，对于课堂中需要用到的仿真实验，应提前进行仿真模拟，熟悉仿真的操作过程和实验现象，以便在教学中顺利地使用仿真平台，给学生提供更好的教学指导。
1.3? ? 留意课堂情况，灵活调整安排
核心素养下的教学过程应是教师与学生的双边互动过程，因此，在课堂中教师应时刻关注学生的情况，根据学生的反应灵活地组织课堂教学。教师应根据学生的意见，及时将仿真实验的画面尺寸调到最佳大小，对于一些重要的实验现象，教师可以采取整体演示和局部放大相结合的方式。在课堂时间充裕的情况下，教师也可以邀请学生上台操作仿真实验，提高学生的课堂参与度。
2? ? 仿真实验的教学实践探索
针对核心素养的不同内容，下面将以几个具体教学内容为例，对仿真实验的应用进行分析。
2.1? ? 架构知识桥梁，搭建学科框架，加深物理观念
学习如同盖房子，知识点就是一砖一瓦，知识框架则是其中的钢筋水泥，没有钢筋水泥的支撑，堆砌起来的砖瓦容易倾倒。缺乏知识框架的学习，往往也会使学习效果事倍功半。可见，知识框架的构建对于系统而深入地学习一门学科是十分重要的。在中学物理课程内容中，有许多物理概念和物理规律是在实验的基础上总结得出来的。而在实际教学中，实验课和理论课往往被安排在不同的课时中，这使得很多学生在学习新课时早已忘了先前的实验内容，不利于新知识的接受与掌握。教师在向学生教授这部分新课内容时，可以利用仿真平台对做过的实验进行模拟回顾，唤醒学生头脑中的实验印象，继而在实验的基础上引入新课知识。此方法通过仿真实验将不同的课堂内容联系起来，帮助学生理清各知识点间的关系，从而加深对物理概念和规律的理解。
例如，牛顿第二定律是在探究加速度与力、质量关系的基础上总结推理得出来的。而在人教版高中物理教材中，这两个内容被分成了单独的两小节。在《牛顿第二定律》的新课教学中，教师可以使用仿真实验进行一个知识的过渡。如图1所示，利用NOBOOK虚拟实验平台对加速度与力、质量关系的探究实验进行快速的仿真模拟。然后结合实验现象对学生进行提问：为什么要在木板的一侧垫一个木块？怎么处理实验数据得出小车的加速度？这个实验涉及了三个物理量，在实验过程中我们采用了什么实验方法？对数据处理分析后我们发现了什么规律？完成问题探讨后，可在复习的基础上，由实验结论引出新课知识。
与常规的直接引入方式相比，仿真实验新颖的动画一方面可以吸引学生的注意力，将学生的思绪快速拉回课堂;另一方面也可以帮助学生对上节课的实验过程进行回顾，为新课学习提供知识基础。通过再现实验情境过程，让学生回想起自己动手操作的情况，而一系列的提问，则加深了学生对实验原理和方法的理解。在实验结果的基础上进行总结，并引出牛顿第二定律的内容，短短几分钟便能将一个提出问题—实验—数据分析—得出结论的探究过程体现出来，将课堂与课堂紧密相连，既为学生理解、接受新知识奠定了基础，又有助于学生建立起知识的逻辑体系，加深对物理概念的理解。
2.2? ? 巧设问题情境，引导思考过程，形成科学思维
知识的学习不等于知识的掌握，相比知识点的记忆更重要的是能够学以致用，通过创设问题来培养学生的分析、思考和应用能力是常用的教学方法。很多学生在课堂上能够牢记相关的概念公式，但课后碰到题目时却感觉无从下手，甚至对题目练习产生厌烦和抵触心理。为了减少学生的挫败感，调动学生思考的积极性，教师可以利用仿真实验创设问题情境带领大家一起做题。教师先让学生对情境中的问题进行独立思考，然后通过实验模拟验证答案，再结合仿真实验的动画过程引导学生对题目进行分析推理。这种讲练方式能够避免书面题目的枯燥乏味，提高学生对问题解决的兴趣，仿真实验的动画则能使学生加深对物体运动过程的理解进而形成正确的解题思路，让学生正确运用知识的同时提高思考能力，从而实现培养学生科学思维的目的。
例如，在学习完平抛运动的知识后，可以利用Flash仿真动画（图2）设置一个问题情境：已知飞机的离地高度和行驶速度，为使炮弹击中停在地面的坦克，则应在与坦克水平距离多远时投弹？教师邀请几位学生上台操作尝试，其余学生在座位上一起观看游戏过程。有的炮弹与坦克相距甚远，有的炮弹与坦克失之交臂，全班学生一起紧张、期待、叹气、欢呼，将课堂气氛推至高潮。游戏结束后，让学生利用所学的平抛运动的知识对物体的运动过程进行定性和定量分析。首先，炮弹在下落的过程中是一个什么运动？然后，分析平抛运动在水平和竖直方向上的分运动又有什么特点和规律？要使炮弹能够击中坦克需要满足什么条件？
在仿真实验的问题情境中，教师一步步引导学生对题目进行分析，将实际问题的运动过程简化成物理模型，在分析和推理的过程中将所学知识运用起来。让学生在解答问题的同时体悟物理模型的建构和科学推理的过程，在题目练习中逐渐形成科學思维。这种寓教于乐的学习方式更容易被学生接纳，从而达到良好的教学效果。
2.3? ? 虚拟与真实实验相结合，促进科学探究
物理学的发展离不开实验，实验也是培养学生探究能力的一个重要途径。真实实验虽能提高学生的实际动手能力，但受实验器材和课时的限制，它很难在实际教学中充分开展，在环境和人工操作的影响下，它的实验结果也可能存在较大的误差。而虚拟仿真实验则恰恰能够避免外界的干扰，创造一些理想化的环境，并且能够突破时空的限制，使学习不局限于课堂。因此，教师可以根据教学需要和学校实际条件，适当地补充一些仿真实验，丰富教学实验内容，尽可能地给学生创造实验探究的机会，以充分培养学生的科学探究能力。
例如，在《牛顿第一定律》的教学中，让学生了解伽利略理想实验的内容和思想是一个重要的教学目标。由于现实生活无法提供一个没有摩擦力的理想环境，所以教师可以借助虚拟仿真实验平台将理想实验演示给学生。如图3所示，教师通过鼠标多次调节第二斜面的倾斜度，并结合虚拟实验的现象，对伽利略思考推导的过程进行还原描述，让学生不仅掌握这个理想实验的结论，而且了解其背后的思想方法。但这个虚拟实验毕竟是在一种过于理想化的情境中进行的，其结果和我们的生活常识产生了冲突。一些想象和理解能力稍差的学生可能难以接受，甚至会产生质疑。此时，教师可以在教学环节中再安排一个真实实验让学生观察思考。
如图4所示，将一小车从同一斜面的同一高度释放，小车分别滑至铺有木板、棉布和毛巾的平面上。教师首先让学生观察小车在各种平面上的运动情况，接着让学生分析各平面的阻力大小，思考平面阻力和小车滑行距离之间的关系，再进一步提问如果平面是无限光滑的，小车的运动情况会怎样？
在真实实验数据和教师的引导下，学生们很快就可以得到和伽利略理想实验一样的结论，从而打消对虚拟仿真实验的怀疑和顾虑，为牛顿第一定律的学习奠定思想基础。课堂中虚拟实验的演示有效地激发了学生的问题意识，而真实实验的演示则促使学生去获取信息处理数据进行思考，两种实验的结合有效地培养了学生的科学探究能力，也让学生对实验推理法有了更深的体会，为学生今后进行实验探究奠定了基础。
2.4? ? 联系科技生活，培养科学态度与责任
物理学作为自然科学的基础学科与我们的社会生活紧密相连，中学物理教学作为物理教育的基础阶段，对学生后续阶段的学习有着重要影响。因此，课堂教学除了向学生传授理论知识，也需要补充一些科学技术中的物理知识。教师可以根据教学内容，选取合适的仿真实验进行演示，通过简单的实验动画讲解科技发明背后的基本原理，将课堂知识与科学技术联系起来，让学生了解物理知识在科学技术中的应用和重要性，从而激发学生学习物理的热情，促使学生形成良好的科学态度。
例如，在《宇宙航行》一节中，卫星的变轨问题是一个隐藏的知识点，教材没有对它进行详细说明，需要教师在课堂上进行补充讲解。为了帮助学生更好地理解、记忆这一知识，教师可以利用NOBOOK虚拟实验平台将卫星变轨模型展示出来。如图5和图6所示，点击播放按钮，代表着卫星的小球开始运动，环绕一周后改变速度进入高轨或者低轨。结合仿真实验画面，教师进一步向学生介绍我国航空航天事业取得的成就，并指出卫星发射过程中就用到了课堂里的变轨知识。
仿真实验与科技介绍相结合的方式比直接的知识讲解更加形象生动，既提高了学生在课堂中的注意力，又丰富了学生的课外科技知识。同时也能引导学生积极关注科技生活，从而形成良好的科学责任感。
3? ? 结束语
学生物理核心素养的培养是当前中学物理教学的重要目标，相关教学改革促使教育工作者不断在教学技术和教学手段上进行创新。仿真实验作为一种新的教学辅助工具对课堂教学的实施与核心素养的培养有一定的积极促进作用，其在教学中的实际实施仍有很大的发展空间，教师应该结合教学实际合理运用物理仿真实验，努力促进学生核心素养的发展。
参考文献：
[1]吴旭东.“影视资源”在高中物理核心素养之科学思维形成中的应用策略——以电磁炮模型的建立为例[J].中学物理，2017，35（05）：1-2.
[2]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.
[3]张英，张谱.浅析仿真实验在大学物理实验教学中的作用[J].教育现代化，2019，6（70）：170-171+177.
[4]张时学，吴秋月.仿真物理实验软件在物理实验中应用的分析[J].中学物理，2011，29（17）： 22-24.
[5]周丽洁.仿真物理实验室在高中习题教学中的应用初探[J].中学物理，2019，37（09）：56-57.
（栏目编辑? ? 邱晓燕）
