摘 要：物理學(xué)科是一門理論知識和實驗操作相輔相成的學(xué)科，其中實驗操作是學(xué)生通過升學(xué)考試和實現(xiàn)個人發(fā)展必備的技能。在信息技術(shù)飛速發(fā)展的今天，“互聯(lián)網(wǎng)+教育”模式的應(yīng)用愈發(fā)普遍，虛擬仿真技術(shù)與實驗教學(xué)的融合發(fā)展走進廣大物理教育工作者的視野。基于此，文章就仿真物理實驗在高中物理教學(xué)中的應(yīng)用進行討論，為高中物理實驗教學(xué)的優(yōu)化提供幾點參考。

關(guān)鍵詞：高中物理教學(xué)；仿真物理實驗；物理思維

基金項目：江蘇省南通市教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃課題“信息技術(shù)支持下的‘仿真實驗物理教學(xué)實踐研究”（JS2020014）。

作者簡介：孟小兵（1981—），男，江蘇省南通中學(xué)。

在信息技術(shù)快速發(fā)展的時代，數(shù)字化教學(xué)技術(shù)為實驗教學(xué)帶來了多元化的模式。其中，虛擬現(xiàn)實技術(shù)手段能在最大限度上還原實驗操作和步驟，因此，仿真物理實驗深受教育者的喜愛。高中物理實驗涉及定量計算和數(shù)據(jù)處理，教師借助計算機技術(shù)與仿真技術(shù)能在課堂教學(xué)中實時展示物理現(xiàn)象，實現(xiàn)實驗的精確化和可視化，讓學(xué)生以直觀的方式觀察物理現(xiàn)象，充分理解現(xiàn)象背后的物理規(guī)律，不斷強化物理學(xué)科教學(xué)效果。

一、仿真物理實驗在物理教學(xué)中應(yīng)用的意義

（一）平臺易于操作，結(jié)果安全可靠

素質(zhì)教育背景下，實驗教學(xué)在高中物理學(xué)科教學(xué)中的重要性日益凸顯，實驗講解和自主操作在物理學(xué)科教學(xué)中的時間占比逐漸增多。但在進行實驗操作時，有的教師選擇讓學(xué)生根據(jù)教師的實驗演示、教材上的實驗步驟“照葫蘆畫瓢”。在模仿性的訓(xùn)練中，學(xué)生對物理知識的理解深度不夠，且高中階段的許多現(xiàn)象觀察類的實驗瞬時性強，較難復(fù)現(xiàn)，這也導(dǎo)致學(xué)生不能快速掌握相關(guān)物理知識。

隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，仿真物理實驗的運用能夠讓物理教學(xué)得到更優(yōu)質(zhì)的發(fā)展，它不受實驗場地的限制，能夠減少教師的工作量。與傳統(tǒng)的物理實驗相比，仿真實驗易于操作，不受空間、時間束縛，安全可靠。同時，它還具備成本低的優(yōu)點，能夠在短時間完成不同參數(shù)的設(shè)置，使實驗操作更加規(guī)范，也使實驗數(shù)據(jù)的對比更加充分，保證物理實驗的精準(zhǔn)度和實驗效率。仿真實驗還有一項較為突出的優(yōu)勢，那就是能夠在特定情境下模擬具有危險性的實驗，滿足物理教學(xué)需求，實現(xiàn)學(xué)生對物理實驗的全面感知。

（二）加強多元互動，促進教學(xué)相長

在“互聯(lián)網(wǎng)+教育”的深度融合下，實驗教學(xué)也逐漸升級。將虛擬現(xiàn)實技術(shù)和物理實驗進行結(jié)合，可以讓學(xué)生利用數(shù)字化設(shè)備和操作平臺自主設(shè)計實驗方案、搭配實驗器材、模擬實驗操作，在后臺大數(shù)據(jù)庫的支持下匹配實驗現(xiàn)象和結(jié)果。同時，學(xué)生作為學(xué)習(xí)的主體，能夠在仿真物理實驗的操作過程中改進學(xué)習(xí)方式，端正學(xué)習(xí)態(tài)度，獲得更加優(yōu)異的學(xué)習(xí)成果。仿真物理實驗?zāi)軌騽?chuàng)設(shè)更為豐富的物理實驗環(huán)境，大大降低學(xué)生實驗難度，保證學(xué)生的學(xué)習(xí)活動有序進行，從而優(yōu)化物理實驗教學(xué)成效。

從教師的角度來看，仿真物理實驗具有自由性、互動性以及高效性，不僅可以在根本上解決實驗儀器匱乏的問題，還可以幫助教師改進個人教學(xué)手段，轉(zhuǎn)變教育理念，提升專業(yè)性，能夠減少教師的教學(xué)工作量與負(fù)擔(dān)，真正實現(xiàn)智能化教育，提高高中物理實驗教學(xué)質(zhì)量。

二、仿真物理實驗在物理教學(xué)中應(yīng)用的策略

（一）明確教學(xué)目標(biāo)，優(yōu)化實驗設(shè)計

明確的目標(biāo)是教學(xué)活動順利開展的基礎(chǔ)，尤其在實驗教學(xué)中，學(xué)生有時在繁雜的文字描述中很難獨立找準(zhǔn)實驗的方向，會使得實驗教學(xué)的進程減慢。因此，教師要結(jié)合教材內(nèi)容，從中擇取出實驗?zāi)繕?biāo)，并結(jié)合仿真實驗平臺進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，本著培養(yǎng)學(xué)生物理思維的目的對實驗進行優(yōu)化設(shè)計，避免盲目追趕教學(xué)進度。

以人教版高中物理必修第三冊第十二章第三節(jié)《實驗：電池電動勢和內(nèi)阻的測量》為例，學(xué)生前期已具備了基本的電路設(shè)計和電學(xué)知識，因此首先，教師可以通過分析，讓學(xué)生明確實驗?zāi)繕?biāo)，根據(jù)實驗標(biāo)題確定大致實驗方向。其次，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計實驗方案，畫出電路圖。在這個實驗中，學(xué)生討論后給出方案：分別測出兩組電流和電壓，利用E=U+Ir進行計算即可。再次，教師組織學(xué)生通過仿真平臺展開初步的實驗。教師：“現(xiàn)在有一個新的問題，電壓表損壞無法使用了，怎樣利用其他的器材完成這一測量任務(wù)？”學(xué)生思考、討論后回答：“利用串聯(lián)電路中的電流處處相等的規(guī)律，把滑動變阻器改成電阻箱，再用E=U+Ir公式計算?！苯處煂W(xué)生的優(yōu)化方案給予肯定，再追問：“如果是只有電壓表而沒有電流表呢？”學(xué)生回答：“那就測出電阻箱兩端的電壓，再算出電流。”最后，學(xué)生繪制出電路圖，并展開測量實驗。

在本節(jié)課的教學(xué)中，教師通過對教材內(nèi)容和考試題目的分析，以基礎(chǔ)實驗為依托，不斷向?qū)W生提出優(yōu)化改進的方向。在這個過程中，學(xué)生在明確目標(biāo)的指引下對實驗進行“再”思考，在優(yōu)化實驗設(shè)計的同時培養(yǎng)實驗思維［1］。

（二）架構(gòu)知識橋梁，加深理論理解

學(xué)習(xí)的過程就如同蓋大樓，基礎(chǔ)穩(wěn)固才能確保最后建造的高樓的質(zhì)量。高中物理知識有一定難度，且涉及不少學(xué)生生活中不常見、抽象性較高的物理概念，學(xué)生在進行這部分知識的學(xué)習(xí)時，困難重重。對此，教師可利用仿真實驗來架構(gòu)學(xué)生與知識之間的橋梁，以較為直觀的方式促進學(xué)生對理論知識的理解。

以人教版高中物理必修第一冊第二章第四節(jié)《自由落體運動》為例，學(xué)生剛學(xué)完勻變速直線運動知識，需要通過實踐去更深入地理解勻變速直線運動的規(guī)律，而自由落體運動剛好符合勻變速直線運動的規(guī)律特點。自由落體運動是一種理想化情況下的物理模型，在現(xiàn)實條件下很難完成這一實驗，因此，教師可進行仿真實驗教學(xué)。教師可借助亞里士多德的猜想引發(fā)學(xué)生的思維矛盾，提出問題：“關(guān)于輕重不同的物體的下落情況，亞里士多德曾有這樣的猜想——‘重的物體下落得快。大家認(rèn)同他的說法嗎？”學(xué)生的發(fā)言中有肯定的聲音，也有反對的意見。此時，教師可結(jié)合生活情境引導(dǎo)學(xué)生思考：“在我們的日常生活環(huán)境中，空氣會給運動的物體一些阻力。而我們一會要觀察在實驗的理想情況下，也就是沒有空氣的環(huán)境中，物體如何做自由落體運動。”教師先利用仿真實驗演示有空氣的情況下輕重不同的物體的下落情況，再展示真空環(huán)境中輕重不同的物體自由下落的情況。學(xué)生總結(jié)：在真空環(huán)境中，輕重不同的物體下落得同樣快。教師提問：“通過這個實驗，同學(xué)們能不能說一說什么樣的運動才是自由落體運動？”學(xué)生回答：“沒有阻力且從靜止開始下落?！苯處熯M一步引導(dǎo)：“同學(xué)們總結(jié)得非常好，只在重力作用下從靜止開始下落的運動就是自由落體運動。那么做自由落體運動的物體的運動情況是什么樣的呢？同學(xué)們能不能根據(jù)剛才的實驗提出自己的猜想？”有學(xué)生回答：“一定不是勻速運動，因為物體的初速度為0，肯定是經(jīng)過加速才運動起來的?！边€有學(xué)生回答：“我覺得有點像是勻加速直線運動?！备鶕?jù)學(xué)生回答情況，教師帶領(lǐng)學(xué)生通過實驗來驗證。教師講解“用打點計時器研究自由落體運動”的實驗操作和注意事項，并親自演示，隨后組織學(xué)生進行實驗［2］。

（三）仿真現(xiàn)實結(jié)合，促進科學(xué)探究

物理的學(xué)習(xí)離不開實驗，從教學(xué)效果上來看，組織學(xué)生前往實驗室進行動手操作的實驗教學(xué)效果是最好的，但部分實驗條件苛刻、易受外界因素影響，且實驗現(xiàn)象的觀察難度大。教師在進行這類實驗的教學(xué)時，可充分發(fā)揮仿真實驗技術(shù)的優(yōu)勢，將實際操作與仿真實驗相結(jié)合，充分提升學(xué)生的科學(xué)探究參與感。仿真實驗?zāi)軌虬凑赵ǖ哪繕?biāo)內(nèi)容來呈現(xiàn)實驗過程和結(jié)果，更好地體現(xiàn)物理實驗價值，實現(xiàn)科學(xué)探究指導(dǎo)，對學(xué)生的學(xué)習(xí)發(fā)展有著重要促進作用［3］。

以人教版高中物理選擇性必修第一冊第四章第四節(jié)《實驗：用雙縫干涉測量光的波長》為例，本實驗的操作存在一定的難度，需要學(xué)生理解雙縫干涉的原理，能夠觀察入射光分別為白光和單色光的圖樣，并運用公式測量波長。教師可在講述實驗?zāi)康?、步驟、原理、器材、誤差分析以及實驗注意事項的基礎(chǔ)上，先組織學(xué)生在仿真實驗平臺上進行模擬操作，使其熟悉實驗流程。接著，教師利用仿真實驗進行演示，使學(xué)生初步觀察光的干涉仿真實驗，并向?qū)W生介紹雙縫干涉的實驗裝置，將所用到的凸透鏡、濾光鏡、遮光筒、毛玻璃屏等儀器進行組裝，保證開關(guān)打開后白熾燈發(fā)亮。講解實驗操作步驟以及需要測量的物理量后，組織學(xué)生利用仿真實驗進行操作練習(xí)，待操作熟練后，分組展開雙縫干涉實驗。最后，教師可與學(xué)生進行誤差分析。在測定單色光的波長時，影響結(jié)果的主要因素是測量誤差，當(dāng)條紋間距的測量不精準(zhǔn)時會引起誤差，雙縫到屏的距離測量不準(zhǔn)也會引起誤差，這兩種情況都會在不經(jīng)意間出現(xiàn)，屬于偶然誤差，需要在實驗中通過多次測量來減少誤差因素影響。以仿真實驗為基礎(chǔ)，對學(xué)生進行科學(xué)指導(dǎo)，可以促進學(xué)生的科學(xué)探究，提升學(xué)生的實驗水平［4］。

（四）借助軟件載體，培養(yǎng)實驗?zāi)芰?/p>

隨著數(shù)字化教學(xué)的進步，各種網(wǎng)絡(luò)資源逐步融入教育教學(xué)中，成為教師教學(xué)的助力，也成為學(xué)生學(xué)習(xí)知識的動力?，F(xiàn)如今，關(guān)于物理教學(xué)的APP應(yīng)用十分廣泛，它們既對學(xué)生的自主學(xué)習(xí)有所幫助，還能夠成為教師的“左膀右臂”，增強教育實踐性。而物理仿真實驗可以在APP的幫助下發(fā)揮出交互作用，有助于提高學(xué)生實驗水平，使學(xué)生在多元化途徑中得到成長。

以“物理實驗室”APP為例，高中物理所包含的知識很多情況下都需要在實驗中呈現(xiàn)，但課堂的時間是有限的，教師難以為學(xué)生重復(fù)展示物理實驗過程，導(dǎo)致部分接受能力較差的學(xué)生學(xué)習(xí)效果不佳。對此，教師可以借助APP優(yōu)化教育工作，培養(yǎng)學(xué)生的實驗?zāi)芰?。如在《實驗：測定電池的電動勢和內(nèi)阻》的課堂學(xué)習(xí)后，為了讓學(xué)生在課下能夠自主回顧實驗內(nèi)容，提升學(xué)習(xí)能力，教師可以利用仿真實驗軟件為學(xué)生搭建學(xué)習(xí)平臺，使物理學(xué)習(xí)更加簡單多樣，學(xué)生的學(xué)習(xí)也能不受地點、時間的限制。學(xué)生可以借助電子設(shè)備自主開展實驗，回顧實驗內(nèi)容與實驗細(xì)節(jié)。在“物理實驗室”APP中，所有的電學(xué)元件從外觀模型到內(nèi)部結(jié)構(gòu)，各種細(xì)節(jié)的呈現(xiàn)都十分精致，而且每個器件都是獨立的，學(xué)生可按照自身的想法來復(fù)原電路，提升實驗技能。這樣的軟件對于教學(xué)而言有著重要的促進作用，能夠有效鍛煉學(xué)生的實驗規(guī)劃與操作能力，發(fā)展學(xué)生物理思維和物理實驗?zāi)芰?。同時，這樣的仿真實驗更具有直觀性、立體性、安全性，便于學(xué)生了解實驗背后的原理［5］。

結(jié)語

總而言之，在素質(zhì)教育背景下，高中物理教育工作者要以培養(yǎng)學(xué)生的思維能力和創(chuàng)新精神為己任，著力于實驗教學(xué)的改進與優(yōu)化，將仿真實驗與物理教學(xué)進行多效融合，打造現(xiàn)代化的高中物理實驗課堂，助力學(xué)生的全面進步和成長。同時，要以學(xué)生為中心，借助仿真實驗來打破教學(xué)的空間限制、時間限制，激發(fā)學(xué)生的物理學(xué)習(xí)興趣，有效提升學(xué)生物理核心素養(yǎng)。

［參考文獻］

[1] 袁樂樂，劉喜斌，賴慧玲，等.仿真實驗輔助物理實驗教學(xué)的探討：以“測量電源電動勢和內(nèi)阻”為例［J］.湖南中學(xué)物理，2022，37（1）：61-63.

[2] 陳璽君.“仿真物理實驗室”在高中物理疑難問題教學(xué)中的應(yīng)用研究［D］.桂林：廣西師范大學(xué)，2019.

[3] 倫應(yīng)杰.物理虛擬仿真實驗在高中物理智慧課堂教學(xué)中的應(yīng)用研究［D］.濟南：山東師范大學(xué)，2022.

[4] 李煥鵬，孫福玉，曹萬蒼.仿真實驗在高中物理實驗中的作用研究［J］.赤峰學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2021，37（12）：109-111.

[5] 李明，王元航.“仿真物理實驗室”在高中物理實驗教學(xué)中的運用［J］.創(chuàng)新人才教育，2018（3）：77-79，89.