高中物理习题教学中应用虚拟仿真的教学模式探讨

洪哲新 梁国瑛 皮飞鹏

摘 要：习题教学在高中物理教学中占据着重要地位，探讨利用虚拟仿真技术优化和创新物理习题教学模式是一项有意义的工作.本文分析了高中物理习题教学中虚拟仿真的主要功能，建构了探究性和支架型两种教学模式，并给出了两种模式结合虚拟仿真软件NOBOOK及PhET应用于“追及与相遇”与“v-t图像与运动的描述”教学的实际案例，最后讨论了虚拟仿真技术应用于物理习题教学的建议.

关键词：高中物理;习题教学;虚拟仿真;教学模式

中图分类号：G633.7     文献标识码：B     文章编号：1008-4134（2021）13-0059-05

作者简介：洪哲新（1991-），男，广东人，硕士研究生，研究方向：中学物理学科教学;

梁国瑛（1992-），女，广东人，硕士研究生，研究方向：中学物理学科教学.

通讯作者：皮飞鹏（1965-），男，湖南人，博士，副教授，研究方向：中学物理学科教学.

1 引言

信息技术的飞速发展及其与教育的深度融合正在重塑教育的形态，教育部《教育信息化十年发展规划（2011-2020年）》强调要推进信息技术与教学融合，建立以学习者为中心的教学模式[1];《普通高中物理课程标准（2017年版）》提出要积极探索信息技术与物理教学的融合，以拓宽物理教学与学习的途径[2].实际上，越来越多的教育工作者已经将虚拟仿真技术应用于中学物理教学，特别是物理概念、物理规律以及物理实验教学.习题教学是高中物理教学的重要组成部分，本文通过实际教学探讨将虚拟仿真技术应用于物理习题教学的途径，为优化习题教学提供参考.

2 物理习题教学中虚拟仿真的主要功能与应用

相比于真实实验，虚拟仿真实验能提供更好的感官体验、更方便的重复演示、更理想的实验与现实环境模拟.将虚拟仿真应用于物理习题教学，可以帮助学生突破物理情境、理解障碍、培养物理思维，并促进教学方式多样化，所以可以将其功能定位在以下三个方面.

2.1 物理情境视听化，激发物理学习兴趣

情境認知理论学习观认为，情境是一切认知活动的基础[3]，知识是个体在解决具体情境问题时思维的建构与组织[4].虚拟仿真以动态视图形式，创设虚拟物理问题情境，将物理情境视听化，帮助学生克服常规教学造成的物理习题学习的倦怠情绪，激发学生学习兴趣并促进知识建构.

2.2 增加观察经验，培养物理抽象思维能力

“经验之塔”理论强调以经验为基础建立有意义的概念[5]，应用仿真将抽象的文字以动态视图展现，使“抽象经验”转化为低一级的“观察经验”，可以避免常规讲解中物理问题抽象、难懂的困难，为问题解决提供感性材料，帮助学生完成从具体到抽象的跨越，提高抽象思维能力.

2.3 建构原始物理模型，突破习题解题障碍

物理解题的关键环节包括识别物理现象、选择合适方法、运用数学知识等[6]，而高中生物理习题解答的主要障碍在于难以建构物理模型[7]，建立原始物理模型是习题教学的关键步骤.支架式教学理论提出，应将学习者置于一定的情境中，并顺着支架独立探索问题，在发现问题和解决问题的反复探索中不断地完成自主建构[8].虚拟仿真可以通过增加或减少条件，简化复杂抽象的习题背景，突出重点物理特征，帮助学生创设原始物理模型，从而顺利进行问题探索.

根据上述功能分析，在物理习题教学中应用虚拟仿真主要有以下几种情况：

（1）实验器材与教具等无法满足物理习题教学要求.由于学校缺少光的干涉衍射实验器材，笔者结合虚拟仿真软件辅助习题教学效果非常好.

（2）有些真实实验呈现的物理过程与现象难以观察与分析（如过程过快、干扰因素较多、重点现象不突出等）.例如，变速运动追及问题中的临界现象在实际中很难清晰呈现，而虚拟仿真的动作慢化、细节放大等处理则有利于完善这些不足.

（3）习题涉及的物理现象与过程是学生普遍熟知的，应用虚拟仿真技术可以提高教学效率.

3 虚拟仿真应用于物理习题教学的两种教学模式

要通过物理习题教学达到培养学生物理思维能力的目标，关键还是要进行物理过程、物理模型的分析，虚拟仿真技术的应用需要结合具体情况而定，为此笔者提出了两种基本的教学模式.

3.1 探究型：先虚拟仿真与演示，后物理过程分析

当习题涉及的物理过程是学生普遍不熟悉的、不便用真实实验呈现或呈现效果不利于观察与分析的，应该先进行仿真演示，创设问题情境，再引导学生进行问题探究，例如重力场、粒子复合场、人船模型等问题.教学流程如图1所示.

在虚拟仿真演示环节，要突出重点物理现象与过程，启发学生思考，帮助学生辨析解题突破点.在学生探究环节，要注意体现学生的主体地位，引导学生积极猜想并设计探究实验方案，体验科学探究过程，并解答习题，教师则在过程中纠正学生分析和解题的误区，加深理解.

该模式的优势在于：一是先进行虚拟仿真演示，可以激发学生学习兴趣并启发思考，帮助学生带着已知的现象进行问题猜想与探究，培养自主分析能力;二是教师在探究过程中能观察并引导学生思考，加深学生的理解;三是虚拟仿真的数据处理、局部放大、慢化处理等功能，可以规避无关因素的干扰，突出重点物理过程，有助于培养学生的针对性分析能力.

3.2 支架型：先物理过程分析，后虚拟仿真与演示

当习题涉及的物理过程是生活中易于观察或学生普遍熟悉的，例如斜面、杠杆等，学生已经具备了一定的感性经验，基本能够理解物理情境并进行简单分析.但为了提高课堂自主探索的效率和解决课堂时间局限的问题，教师可在学生探索问题前搭建支架，再让学生独立分析，最后进行仿真演示来验证结论，增加视觉印象，教学流程如图2所示.

在学生独立分析环节，学生基于已有的经验储备尝试独立分析并解答习题.学生尽管已有一定的经验基础，但仍然难以找到最快、最准确的问题解决方法，教师使用虚拟仿真演示为学生搭建“思维支架”，引导学生的探索方向.学生在教师的建议和启发下，建立最适合题目的物理模型.但需要注意，虚拟仿真演示应突出原始模型，增加学生的感性认识.

该模式的优势在于，首先，学生在教师搭建的支架下结合虚拟仿真进行探索和分析，提高了教学效率从而保证学生独立学习和思考的质量;其次，仿真能加深学生的视觉印象，丰富观察经验，为物理抽象思维能力的培养储备感性材料;再次，仿真可以规避一些无关因素，将复杂问题模型化并突出重点，仿真结果与原理分析的完美自洽，能增强说服力，深化学生逻辑思维.

4 虚拟仿真技术应用于物理习题教学的教学案例

笔者采用上述教学模式在广州市某高中进行了近3个月的教学实践，下面以“追及与相遇”与“v-t图像与运动的描述”习题教学为例，分别利用NOBOOK与PhET虚拟仿真软件进行示例.

4.1 探究型：NOBOOK应用于“追及与相遇”习题教学

分析追及与相遇问题一般从“速度相等”这一临界条件入手，然而在实际运动中该临界条件下的物理现象是不明显、不便于观察与分析的.选用探究型教学模式，应用NOBOOK对“追及”过程作局部的放大与慢化处理，重点突出追及过程中的位移和速度的变化，能更有针对性地帮助学生分析物理过程，促进学生思考与积极探究，教学设计见表1.

例题1 A以20m/s在平直的单行道上行驶，紧急制动后4s停下，制动过程可视为匀减速直线运动.A发现在正前方18m处有B正以6m/s的速度同向匀速行驶，A立即制动.关于是否会发生追尾，某同学解答过程是：“设A制动后4s的位移为sA，B在这段时间的位移为sB，则sA=vAt=40m，sB=vBt=24m，位移差Δs=sA-sB=16m<18m，两车并不相撞！”请问该分析合理吗？学生思考题目，小组讨论，并尝试用NOBOOK设计实验方案该题是匀减速直线运动与匀速直线运动结合的追及问题，主要考查学生对匀变速直线运动的掌握程度及对多物体同时运动的图像建构完整度，涉及到两个研究对象的三个物理量——v、s和t的动态变化问题.学生在建构运动过程时有一定难度，难以辨析何种情况为临界状态，而这恰是该题的突破口.学生容易误以为当A匀减速至速度为0时，两车是否相遇是判断两车是否会追尾的条件，陷入思维误区

虚拟仿真演示

在本环节，教师布置学生自主设计实验方案，设置NOBOOK软件参数，仿真习题的物理过程

在学生自主探究过程中，教师引导学生观察、讨论虚拟实验，并解释实验过程，得到结论

学生分别用蓝球、红球代表A和B，设置初始参数，取蓝球位于（0，0），初速度为20m/s、加速度为-5m/s2;红球位于（18，0），以6m/s匀速行驶.观察、讨论、解释实验过程，得到结论（如图3）

通过仿真演示，学生能定量分析出A、B相遇时的位移关系，并且发现：减速至静止并不是判断AB追尾的条件.教师引导学生基于例题1，应用NOBOOK进一步仿真演示，深入探究相遇的条件

4.2 支架型：PhET应用于“v-t图像与运动的描述”习题教学

位移x、速度v、加速度a是必修1运动学部分的基本物理量，学生对此具备一定的前概念.通过知识迁移，学生相对比较容易理解速度与位移概念，但对加速度的理解存在困难.另外，理解并绘制v-t图像是本章的学习重点，但初学时学生往往对v-t图像的斜率、截距等数学量的物理意义不是很清楚.本案例选用支架型教学模式（见表2），教师在常规教学后应用PhET进行v-t图像生成过程的演示，能加深视觉印象，帮助巩固与理解知识，突破教学难点.

题意识别引入开放性的例题，鼓励学生尝试从不同角度描述汽车的运动情况

例题2 小明控制遥控汽车做匀变速直线运动，初始速度为6m/s，经过5s后，速度为-4m/s，请描述这5s内小车的运动情况学生思考与讨论该题是开放题，不拘泥于公式定理的套用，重在鼓励学生从不同角度构建物理情境，拓展思维.教师在观察学生的反应后，提供PhET仿真并搭建支架，引导学生观察并思考问题，加深对v-t图像的认识

5 结束语

虚拟仿真应用于物理习题教学需要注意的问题：首先，在教学设计时，要注意结合实际教学情况决定是否应用虚拟仿真;其次，要注重典型的物理习题设计与原始物理模型的建立，在此基礎上应用虚拟仿真帮助学生解决物理习题的复杂性与抽象性的问题;再次，要注意恰当设计“题眼”，启发学生循序渐进地得出结论;最后，在实施虚拟仿真教学时，课堂气氛会相对活跃，动态视图也容易分散学生的注意力，巧妙地控场也是教学中必须攻克的难点.

参考文献：

[1]何克抗.学习“教育信息化十年发展规划”——对“信息技术与教育深度融合”的解读 [J].中国电化教育，2012（12）： 19-23.

[2]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准[M].北京：人民教育出版社，2018.

[3]王文静.情境认知与学习理论：对建构主义的发展[J].全球教育展望，2005，34（04）：56-59+33.

[4]Lave J，Wenger E.Situated learning：Legitimate peripheral participation[M].NewYork： Cambridge University Press，1991.

[5]埃德加·戴尔，章伟民.经验之塔（上）[J].外语电教，1985（01）：28-30.

[6]乔际平，梁树森，赵风雨，王强.中学物理习题教学研究[M].北京：北京师范学院出版社，1993.

[7]沈尖.新课程背景下高中物理习题教学现状及对策研究[D].扬州：扬州大学，2016.

[8]王治国.在问题情境中打造支架式物理课堂[J].物理教师，2012，33（10）：17-19.

（收稿日期：2020-12-13）