高中物理仿真演示实验设计

李培学　冯永庆

摘 要 在高中物理教学中，仿真演示实验的开展克服了传统物理实验中实验抽象、具有危险性、物理实验器材短缺、学生时间紧等缺点，能够有效培养学生的动手实验能力。以高中物理“动量守恒定律”教学为例，设计仿真演示实验，希望为高中物理教师提供教学参考。

关键词 高中物理；信息技术；仿真演示实验

中图分类号：G633.7 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2017）17-0141-02

1 高中物理实验中存在的问题分析

高中物理新课程标准提出，在高中物理实验教学中鼓励教师采用多样化的教学形式，支持学生积极参与实验、自主进行探究性实验，让学生养成良好的科学精神。由于种种原因，目前在高中物理实验教学中仍存在一些问题，影响了学生的学习[1]。

1）高中物理实验过程中依然强调理论知识的传授，不注重实践技能培养。高中生面临高考压力，教师在实验教学过程中重视提高学生的分数，忽视学生能力的培养，实验教学过程中关心高考物理考纲中的内容，要求学生熟记实验原理、实验器材、实验步骤和实验结论等，对于创新性实验设计的题目，学生很难灵活运用知识进行解答[2]。

2）高中物理实验教学方法比较单一[3]。一类是传统的演示实验，教师操作实验，学生观察实验，完成实验报告。这种实验以教师活动为主，学生参与不积极，很难体会到实验的乐趣。另一类物理实验采用的教学方法是教师逐一讲解实验目的、实验原理、实验器材和实验过程中的注意事项等，学生完全按照教师的讲解重复实验，验证物理公式。这种实验教学方法限制了学生的思维发展，也不利于学生进行创新性实验。

3）高中物理实验室条件落后及实验器材短缺。目前，很多学校的高中物理实验室仍满足不了学生实验课时的需求，只是针对一些比较重要的实验开放实验室；另外，实验器材比较落后，满足不了部分实验对器材的需求，对于一些比较抽象的物理实验，如电场的性质实验、磁场的性质实验、原子核的裂变实验等，无法完成实验教学。

因此，在信息技术广泛应用的背景下，对高中物理实验教学开展仿真演示实验很有必要，充分利用计算机网络进行虚拟实验，培养学生的自主学习能力和创新能力。

2 仿真演示实验的优点

高中物理仿真演示实验充分利用现代信息技术与高中物理实验课程教学相整合，教学过程中充分利用计算机网络进行虚拟实验。在仿真演示实验过程中，学生可以自主构建各种仿真环境，选择合适的实验器材，自行设置一些物理数据，自主设计实验步骤进行演示实验。仿真演示实验适用于很多比较抽象的物理实验或者实验器材比较复杂的实验，如验证动量守恒实验、验证机械能守恒实验、真空中测光速实验、双缝干涉测光的波长实验等。学生在仿真实验过程中可以自己设计实验参数，验证实验原理，进行探究性实验，利用计算机技术实现图像、动画和用软件计算数据的结合，提高参与实验的积极性和自主学习能力，同时掌握了现代信息技术相关知识。

3 仿真演示实验实施过程分析

动量守恒定律是高中物理教学中非常重要的一个内容，每年高考试卷中都有涉及这方面的题目，是高中物理实验教学中的难点和重点。动量守恒定律主要讲述相互作用的物体，在不受外力的作用或者受到的合外力为零的情况下，物体的总动量保持不变。动量守恒定律适用范围比较广，小到微观的粒子，大到宏观的天体。动量守恒定律广泛的适用范围和动量的四性（矢量性、相对性、系统性和同时性）决定了其内容比较抽象，学生难理解，高考丢分比较多。本文以动量守恒定律为教学案例，设计物理仿真演示实验。

明确教学设计 教学设计依据教学内容、教学目标和学生的认知水平进行确定，动量守恒定律实验的主要目的是进一步验证铁球A和铁球B在进行碰撞的过程中，依然保持动量守恒。动量守恒定律的实验原理是质量相同的铁球A和铁球B进行碰撞，假设铁球A在碰撞前的速度为v1，铁球B处于静止状态，在碰撞过程中质量相等的两个球进行了速度的交换，即铁球A静止，铁球B以速度v1进行运动。通过播放课件创设有效的教学情境，激发学生的实验兴趣，引导学生运用仿真演示实验进行探索实验，最终掌握动量守恒定律的内容、动量守恒定律的使用范围和适用条件。实验前引导学生明确实验重点，即动量守恒定律的应用；需要注意的实验难点，即动量守恒定律的内容和实验过程。

实验理论依据 本实验的理论依据是动量守恒定律，仿真演示实验过程中需要注意：1）物体碰撞前后受到的合外力为零；2）不同条件下物体的质量和速度都要记录好，平抛运动的小球在平抛方向上是匀速直线运动，水平方向的合外力为零，满足动量守恒定律。

优化教学策略 本实验主要采用分组—合作教学策略和探究—发现教学策略，全班学生每六人为一组进行仿真演示实验。学生自主探究影响动量守恒定律实验的因素，不断地改变实验参数进行多次实验；记录每次实验数值，运用计算机软件对实验数据进行整理；掌握动量守恒定律的内容和实验原理，并学会应用到日常生活中，达到学以致用的教学目的。

演示实验教学过程

1）创设教学情境，激发学生的学习兴趣。教师在每组学生面前的电脑中播放视频：小时候同学们都比较喜欢玩碰碰车，碰碰车前面都安装有厚厚的胶皮，所以怎么碰也不会坏；两个鸡蛋从桌子上掉下来，掉到地面的雞蛋摔碎

了，但是落到海绵上的鸡蛋完好无损。提出问题：演示一下两个质量相等的小球在碰撞过程中，动量发生什么样的变化？带着问题，学生开始进行动量守恒定律实验。

2）仿真演示运动和静止的物体碰撞后动量守恒。首先演示在光滑的水平地面上有两个质量相同的铁球A和铁球B，铁球B保持静止，铁球A在碰撞前的速度为v1，发生碰撞后，铁球A和铁球B的状态是怎样变化的。接着演示两个质量不同的铁球A和铁球B，铁球B保持静止，铁球A在碰撞前的速度为v1，发生碰撞后铁球A和铁球B的状态是怎样变化的。每组学生都需要多次重复这两种情况并记录好实验数据，计算这两种情况下动量的变化是否遵从动量守恒定律。endprint

3）仿真演示两个运动的物体在碰撞过程中动量守恒，斜面下滑的小球在碰撞过程中动量守恒。在电脑中模拟实验桌进行斜槽固定，安装过程中注意保证斜槽末端和导轨保持水平，也就是保证小球平滑地从斜面滑入导轨平面。仿真操作铁球A和铁球B在碰撞过程中动量守恒。首先，设置铁球A和铁球B的质量和位置坐标，设置摩擦因数为零（光滑没有摩擦力）的轨道，设置轨道的长度。其次，把铁球A和铁球B分别放在直线轨道的两头，以相同的初速度进行相向运动，发生碰撞后记录铁球A和铁球B的速

度；然后把铁球A和铁球B放在直线轨道的一头，铁球A在后面，铁球B在前面，但是铁球A的初速度大于铁球B，记录在运动过程中铁球A和铁球B发生碰撞后的速度分别是多少。最后，多次改变铁球A和铁球B的质量和初速度，重复进行以上两个实验，记录实验数据。

4）彩色小球运动碰撞实验。为了进一步激发学生的物理实验兴趣，仿真实验设置红色和绿色两个固定在弹簧上的小球，红色小球不动，设置绿色小球以一定的初速度向红色小球方向运动并碰撞红色小球；碰撞后，红色小球和绿色小球交换速度，红色小球开始压缩弹簧运动后，又向反方向运动并碰撞绿色小球……红色小球和绿色小球不停地交换速度，不停地碰撞。学生设想这两个彩色小球会不会一直这样运动碰撞？

5）学生整理实验数据，利用Excel软件进行数据处理，总结仿真演示实验过程中遇到的问题和动量守恒定律的内容。

教学评价 教学评价包括教师对教学过程的评价、教学内容的评价和学生学习效果的评价。在本次仿真演示实验中，学生动手动脑设计实验过程，通过不断地改变实验参数（小球的质量、运动速度和运动距离等），记录实验数据，总结实验结果，自己推导出动量守恒定律，创新能力和自主学习能力都有很大提高；并且熟悉了计算机软件相关知识，锻炼了分析问题的能力和创新能力。

4 仿真演示实验教学效果分析

激发了学生的学习兴趣 在仿真演示实验过程中充分利用现代信息技术，借助多媒体教学，原本抽象的理论知识变得形象生动，让学生通过清晰的视频画面了解了实验原理；在实验数据整理过程中运用计算机软件方便快捷，节约了大量的运算时间；实验尽量接近日常生活，大大激发了学生的学习兴趣[4]。

学生的创新能力大大提高 2016年高中物理新课程标准要求提高学生的创新能力，创新能力包括创新思维和创新意识。在仿真演示实验过程中，学生充满好奇心，自主设置实验数据，培养创新意识，通过高中物理知识迁移和理论知识应用进行实验设计[5]，推导出实验结论。

学生自主学习能力大大提高 自主学习作为一种现代化学习方式，是每个学生都应该具备的一种能力。自主学习就是培养学生可以根据自己的学习实际确定学习目标、制订学习计划、选择学习策略、自我监控学习过程、自我评价学习效果等。在高中物理仿真演示实验过程中，学生根据实验内容和实验原理设计实验过程，并且不断改变实验条件、实验变量等，自主学习能力大大提高。

参考文献

[1]何克抗，李克东，谢幼如，等.“主导——主体”教学模式的理论基础[J].湖南第一师范学院学报，1999（2）：3-9.

[2]李璐.虚拟仿真实验室应用于初中物理实验教学的理论与实践研究[D].西安：陕西师范大学，2009.

[3]張开扬.虚拟仪器在中学物理实验教学的应用初探[D].南京：南京师范大学，2007.

[4]王伶俐，王建中，等.基于虚拟仪器技术的高中物理实验教学设计初探[J].高等函授学报，2010，23（1）：88-90.

[5]陈国徽.“仿真物理实验室”在物理复习教学中的应用及绩效研究[J].教育信息技术，2010（8）：30-31.endprint