虚拟仿真实验在高中物理教学中的应用

李泽锋

【摘要】本文阐述虚拟仿真技术在物理教学中的应用情况，论述在高中物理教学融入虚拟仿真实验的四条途径，即利用虚拟仿真实验创设情境、让学生在虚拟仿真实验的支持下交互操作验证猜想、虚拟仿真实验动态展示实验过程加深学生的理解以及使实验数据直观化从而降低数据处理难度，并以人教版高中物理必修第一册第二章“匀变速直线运动的研究”中的追及与相遇问题教学片段为例，具体分析将矩道实验室运用于高中物理探究型实验教学的策略。

【关键词】虚拟仿真 实验教学 力与运动 高中物理

【中图分类号】G63 【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2023）23-0109-04

虚拟仿真技术在教学中的广泛应用，为高中物理实验课堂设计注入了新的活力。为打破传统物理实验课所受到的空间、设施以及客观误差等限制，高中物理教师应引进虚拟仿真实验硬件与软件，积极打造虚拟仿真实验课堂。本文阐述虚拟仿真实验在物理课堂中的应用情况，论述在高中物理教学融入虚拟仿真实验的途径，并以人教版高中物理必修第一册第二章“匀变速直线运动的研究”中的实验为例，详细分析虚拟仿真实验的应用。

一、虚拟仿真技术在物理教学中的应用情况概述

随着现代化教育技术的不断成熟，以三维图形、多媒体、电子信息、伺服等技术为核心的虚拟仿真实验得到了高中物理教师的青睐。虚拟仿真实验的出现填补了高中物理实验教学的缺口，打破了传统物理实验受到的空间、器材等现实条件的限制，能够精准设置实验条件，模拟实验场景。目前，虚拟仿真实验已在高中物理教学中广泛应用，以Flash、Unity3D、MLTLAB等为代表的动画建模软件为虚拟仿真实验设计提供技术支持，GeoGebra则能够将抽象的数据与物理量转化为可视图像，为相关轨迹实验提供数理分析并展示运动效果，NoBook虚拟实验、PhET仿真平台以及矩道实验室等面向物理实验专题的综合性虚拟仿真实验软件，使得模拟力与运动、电学实验等非直观实验过程更加贴合教学需求，为学生呈现更加清晰且精准的实验流程。信息技术与物理学科教学的不断融合，进一步优化虚拟仿真实验在高中物理教学中的应用效果，有力促进实验与教学有机结合，为丰富学生的知识储备、提升学生的思维逻辑能力与实践能力提供了有力的技术支持。

二、在高中物理教学中融入虚拟仿真实验的四条途径

（一）创设情境，建立理论与现实的联系

作为研究物质最基本结构与一般运动规律的自然学科，物理学理论与相关实验的基础几乎全部来源于现实空间，物理学中所总结的规则与定理，也只在运用于实际之时方能显现出其含义与价值。因此，在高中物理的抽象理论学习过程中，教师需要通过创设情境帮助学生在理论与现实之间建立关联。例如，利用虚拟仿真实验进行理想化、细节化的模拟实验，对平抛运动、匀变速等非直观运动进行慢放、暂停乃至回放处理，使学生更加细致与清晰地观察实验过程，深刻体会实验场景中包含的理论知识。在将理论与实践联系起来的过程中，进一步激发学生物理学习的动力与热情，让学生在观察与实践中不断完成知识的自我内化与系统构建，最终形成严密而完整的物理思维逻辑。

（二）交互操作，帮助学生验证猜想

传统物理教学模式下，面对物理学抽象思维水平尚未形成的高一学生，教师往往为给学生呈现具体的实验现象或精确的实验结果，在设计实验时将猜想与结果进行简单对应，以个别实验现象逆推猜想，而后进行理论分析。这种方法虽较易施行，但在教学实践过程中，笔者发现偶尔也会影响学生对概念的理解，如在关联速度的学习中，学生很容易在实验观察中混淆物体实际运动的合速度与沿绳速度。可见，高中物理实验教学需要一种能够将实验内容具象化且能够让学生进行实践操作的技术，虚拟仿真实验则能够满足这一需求。教师可以利用虚拟仿真实验中的三维图形、电子遥感等功能，精准构建实验环境，在设置基础实验数据与物理量后，由学生自主操作，反复验证猜想，且无须考虑现实环境对实验造成的误差，也无须担心器材损耗与实验安全。

（三）动态展示，辅助学生理解过程

通过细剖高中物理实验教学，笔者发现，力与运动相关的理论知识与实验操作占比较大。高一年级物理课程中，匀速、匀变速、圆周、抛体运动及以上运动过程中所产生的受力关系与运动规律，均为实验教学的重点，后续电磁学部分涉及的安培力、洛伦兹力等带电粒子的电磁场受力与运动状况，同样需要对物质的动态运动轨迹进行观察与分析。由于高中生仍处在抽象运动思维的形成阶段，对单一类型的轨迹运动尚能进行模拟想象与理解，但在面对因条件复杂而呈现出多种状态的复杂运动过程时，学生很难通过抽象或想象来完整构建运动过程并加以理解。因此，完整模拟物体运动状态这一条件，成为高中物理力学实验的核心需求。虚拟仿真实验软件具备的情境预设、条件模拟等功能，能够精确且完整地展示物体运动轨迹，教师可在虚拟仿真程序中预设力学计算公式与数据条件，并在课堂教学中根据学生不断提出的猜想与疑问，随时改变相关数据，为学生展示更加直观的运动状态，帮助学生更好地理解实验背后的理论知识。

（四）数据可视，降低梳理分析难度

相较于初中階段的物理学习，高中物理学习对定量分析能力要求更高。物理学习在高中阶段逐渐由对生活现象的直观观察与理解，转变为根据定律进行一般性运动模拟并分析验证。许多学生无法适应对一般性运动规律的猜想、验证、分析与推理过程，加之传统高中物理教学中，大量的定律理解、数据分析与常规实验的过程相对枯燥乏味，复杂的计算与抽象的逻辑，使很多学生在物理学习中对定量分析产生畏难心理。对此，教师有必要引入虚拟仿真实验，在教学过程中从学生更为熟悉的现象观察入手，通过模拟实验将书本中枯燥而复杂的定律、数据、条件转换为直观图像，使数据与物体动态行为可视化，从而降低学生开展梳理知识、理解概念与分析实验数据等学习活动的难度，同时也为其转变自身的物理思维与逻辑习惯提供便捷渠道。

三、虚拟仿真实验运用于高中物理探究型实验的教学案例分析

力与运动是高中物理第一学期的重点学习内容，也是高中物理实验教学的核心。笔者以人教版高中物理必修第一册第二章“匀变速直线运动的研究”中涉及的追及与相遇问题为例，运用矩道实验室开展课堂实验，阐述虚拟仿真实验在物理课堂教学的具体应用。

经过前段课时对描述运动的相关概念的学习，学生对位移、速度与加速度等物理量已形成基础性理解。追及问题、相遇问题虽然是生活中常见的有关运动关系的问题，但这些看似简单寻常的问题之中包含多种运动状态，是复杂的物理模型。实验课堂教学通常被设计在理论教学之后，因此教师在安排追及与相遇问题虚拟仿真实验细节时，首先可以通过家庭作业或随堂小测等方式，把握学生对概念的掌握情况；其次分析学生反馈，将不同接受程度的学生进行简单分层，为后续分组开展实验设计做好准备；最后根据学生知识掌握的层次比例调整实验课堂重点，确保实验课的教学方法、验证内容与实践过程能够与学生整体水平相契合，实现有效的实践学习。

（一）以情境创设引出实验主题

师：上一课时，我们学习了匀变速运动的理论，那么请同学们一边回忆，一边结合生活实际进行思考，自己能举出哪些生活中的匀变速运动实例？

生：汽车在行驶时以恒定的加速度进行加速或减速。

师：马路上不止有一辆车在行驶，那么在运动过程中，多辆车的相对位置是否固定不变？

生：需要分别判断不同车辆各自的运动状态。

师：很好，那么接下来我们设想一个场景。此时有一辆公交车正停在路口等待红绿灯，绿灯亮起时车辆开始加速，加速度恒定为a=3 m/s2，而此时有一辆自行车以恒定速度v2=6 m/s从公交车旁经过。请同学们思考并回答以下两个问题。问题1，两车分别进行什么运动？

生：通过题中条件可知，公交车在做匀加速直线运动，而自行车在做匀速直线运动。

师：请同学们进入矩道实验室中选择匀变速直线运动模型，输入数值，模拟两车的运动，观察两车的运动状态。

（学生打开程序，选择两个小球分别代表公交车与自行车，两者同时从坐标轴原点出发，在y轴方向运动，其中小球上方显示各自的运动速度，y轴两侧则分别设置本次运动的速度—时间图像与位移—时间图像）

师：问题2，上述情境中，公交车能否追上自行车？如果能，求两车相遇时间。

【设计意图】在课堂导入环节通过创设情境引出实验主题，安排学生运用矩道实验室模拟自行车与公交车的运动轨迹。学生在初步操作中直观地看到了运动过程与结果，而后运用公式代入数据，计算出最终结果。追及相遇模型的构建能够使学生的思维由研究单一物体运动向研究多状态复合型运动转变，通过解决现实问题，初步构建物理探究思维框架。

（二）以猜想假设推动知识深化

师：基于刚刚给出的情境与条件，同学们再思考一个问题。在自行车与公交车相遇之前，两车之间的距离发生了怎样的变化？可以运用矩道实验室中的位移—时间图像生成功能进行分析。

生：根据两车的位移—时间图像，在公交车刚起步时，二者距离呈扩大趋势，随着公交车速度均匀增加，二者距离开始逐渐缩小，直到公交车追上自行车。

师：根据同学们刚刚的观察可知，两车之间距离的变化趋势由逐渐扩大变为逐渐缩小，那么两车距离何时达到最大？请大家深入思考并进行计算。

生1：通过观察刚刚模拟实验的位移—时间图像，两车相距最远的时刻便是二者位移差值最大的时刻，可以先计算两车的位移距离，而后作差，得出结论。

生2：如果截取两车在同一路口同时出发的状态，那么两车的速度—时间图像也可以间接表达出位移距离，而通过观察图像可以发现，两车速度相等时相距最远。

生3：第一位同学提出的方案无法通过已知条件进行计算，而第二位同学的方法可能具有偶然性，如果两辆车的速度与加速度发生一定变化，这一猜想未必成立。

【设计意图】经过情境导入环节的铺垫，学生已在虚拟仿真实验中初步创建了问题模型，教师抛出更深层次的问题，引导学生进一步运用虚拟仿真模型，通过直观观察运动状态，针对问题提出不同的方案猜想。围绕问题引导学生发散思维，并将思维引向深入，经由虚拟仿真模型的形象化处理，能够使问题更加贴合实际，以此加强物理力学概念、公式与实际应用之间的联系，为全面提升学生的物理观念与学科思维开拓新的路径。

（三）以分组实验促进合作交流

师：刚刚几位同学都针对两车最大距离这一问题分享了各自的方法与猜想。那么我们就以这两种猜想为接下来的实验内容，进行分组实验与交流探讨。同学们在实验过程中，需要尝试改变情境中自行车与公交车运动的相关参数，通过多次试验、记录与规律总结，探讨两车速度、加速度与位移距离之间的关系。

（教师根据课前掌握的学情将学生分为若干个课堂实验小组，通过改变两车的运动参数，多次模拟两车运动状况，并分析生成的速度—时间图像）

师：请同学们汇报自己的实验方法与结论。

生1：我们选择改变运动速度与加速度的参数，并观察生成的速度—時间图像，发现只要在两车同时出发、一车做匀速运动而另一车做匀加速运动这一设定下，无论如何改变参数，二者之间的距离均在二者同速时达到最大值。

师：那么根据同学们记录的实验结果，如何解释这一现象？请同学们回忆之前学过的匀变速直线运动的原理与公式，从理论角度探寻解释方向。

生1：这一场景下，两车的普遍运动规律可总结为，当两车同时开始运动后，由于前车速度大于后车速度，此时两车距离呈扩大趋势；而随着后车在匀加速运动中速度不断增大，当后车速度大于前车速度时，两车距离逐渐缩小，直至后车追上前车。

师：非常棒。那么我们由此可知，两车速度相等的时刻即为二者距离变化关系的转折点，我们可以将其称为临界点。

生2：老师，我有一个疑问。我们在模拟两车运动状态时，都遵循了两车在同一位置出发这一条件，那么如果两车出发的位置不同，两车速度相同时距离最远的结论还会成立吗？

师：很好，有同学提出了新的疑问。那么就请同学们交流讨论一下，如果取消“同一位置出发”这一条件，结论是否会发生改变？如果将所有因素都纳入考虑范围，在运动状况更加复杂的现实生活中，又会出现多少种追及变速情况？同学们可以一边讨论，一边用矩道实验室模拟运动状态，对可能出现的变速状态进行记录与总结。

生3：经过大家的讨论与交流，我们大概总结出以下六种情况。“匀加速追匀速”“匀加速追匀减速”“匀速追匀加速”“匀速追匀减速”“匀减速追匀速”以及“匀减速追匀加速”。

师：好，那么就将这六种情况作为接下来的实验内容，每一小组负责一种情况，实验结束后集中进行结果汇报与讨论。

生4：我们三个小組经过讨论和总结发现，在“匀加速追匀速”“匀速追匀减速”以及“匀加速追匀减速”这三种情况下，共速的一瞬间依旧是两车距离变化趋势发生转变的临界点，我们还总结出了两车最远距离的常规表示，即距离为x0+Δx，指出发时两者之间的距离与共速一瞬间位移差值之和。

生5：我们组负责研究的是“匀减速追匀速”这一情况，经过模拟实验我们发现这种情况可能不在这一情境的讨论范围内。“匀减速追匀速”这一情况仅出现在后车初速度大于前车速度时，如果两车初始距离不够大，或后车初速度远大于前车，那么二者将会在共速之前相遇；如果两车间初始距离较大，或后车初速度不是远大于前车，则两车根本没有相遇的可能。

生6：我们组也开展了“匀减速追匀速”这一情况的模拟实验。我们仅针对一种情况进行验证，即将二车之间的初始距离设置为较大数值，为两车留有足够大的运动空间，同时后车初始速度大于前车。经过反复模拟并记录速度—时间图像，我们发现在这一情况下，两车距离在共速前不断缩小，在两车共速后两车距离转为扩大趋势，也可将共速的瞬间视为临界点。

【设计意图】教师在这一环节中安排了大量的模拟实验内容，并以小组讨论的方式，引导学生在交流与探讨中逐渐深入思考变速追及与相遇问题。学生在虚拟仿真实验过程中，通过不断改变模型参数，观察与记录两个运动物体之间的距离关系变化，再分析数据图像，验证自己的猜想。提出猜想—实验探究—深入拓展—探讨总结，学生在这一过程中逐步完善了自身对匀变速运动的多种情况设想与关系认知，在深入思考的同时完成了知识内化，并在虚拟仿真实验操作中实现了知识的迁移与应用。

虚拟仿真实验贯穿整节课：教师利用虚拟仿真实验创设情境引出课题，激发了学生的学习热情；学生通过开展虚拟仿真实验验证猜想；学生在实验过程中发现新的问题，分组开展虚拟仿真实验深入研究，逆向推理，验证与总结一般运动规律。可见，将虚拟仿真实验运用于高中物理课堂教学，为学生形成物理观念与科学思维提供了更加广阔的实践空间，学生在这一过程中完成概念知识的内化与应用。

物理是一门与生活紧密联系的自然科学，仅靠枯燥地介绍抽象的理论与公式、概念，很难让学生形成物理思维，也无法发展学生的问题解决能力。将虚拟仿真实验引入物理教学，能够让学生通过直观的实践操作，自主构建知识体系，从而有效发展学生的物理学科核心素养。信息技术发展突飞猛进、生机勃勃，在此时代背景下，广大物理教师有必要与时俱进，研究虚拟仿真实验在物理教学中的应用，不断寻找提高物理教学有效性的路径，实现培养学生物理学科核心素养的目标。

参考文献

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