仿真实验在高中物理教学中的具体运用措施研究

课题项目：文章系河北省教育技术研究规划立项课题“数字模拟仿真实验在高中物理教学中的应用”的研究成果，课题编号：hbdj2023153。

作者简介：张帆（1975～），女，汉族，河北保定人，河北省保定市定兴县定兴第三中学，中小学高级教师，研究方向：高中物理教学。

摘  要：实验在高中物理教学中占据着十分重要的地位，不仅可以加深学生对教授物理知识的理解，还能实现对学生物理综合能力的有效培养。依托虚拟仿真软件进行高中物理实验教学，除了可以帮助学生直观形象地体验实验操作过程，还能促使高中物理教学效果得到极大提升。文章联系仿真实验在高中物理教学中运用的重要作用，对仿真实验在高中物理教学中运用的措施进行细致分析，并以高中物理验证动量守恒定律实验为例，详尽探讨虚拟仿真软件在该实验中的应用过程及取得的教学效果。

关键词：高中物理；仿真实验；运用措施

中图分类号：G633.7    文献标识码：A    文章编号：1673-8918（2024）16-0123-04

新课程标准的实施让教师开展高中物理教学时更加注重对学生学科核心素养的有效培养。而物理实验作为高中物理学科教学的重要组成部分，该项工作开展好坏将直接影响物理教学实效和学生学科能力的形成。以往教师对学生开展物理实验教学，更多是依托提前准备的实验器材和制定的实验操作方法，引导学生动手操作、分析和驗证，整个过程需要投入较多人力、物力、财力。在开展虚拟仿真实验以后，这些问题就能妥善解决，并且依托虚拟仿真软件的各种功能，还能增强学生参与实验探究的积极主动性，使学生对物理实验教学内容有更加深刻的理解，后续操作应用也会更为准确灵活。

一、 仿真实验在高中物理教学中运用的作用

对仿真实验在高中物理教学中运用的作用进行归纳总结，主要包括：①保障物理实验顺利开展。在高中物理学科中，有很多物理知识都是需要学生经过实验分析验证以后才能理解、掌握和应用的知识内容。引入仿真实验以后，教师就可以围绕具体的物理实验项目、内容及要求，通过专门的虚拟仿真软件对相关物理实验进行制作、演示、分析等，让学生在接触实践更多数量物理实验中，对蕴含的物理知识、运动规律等进行牢固掌握。②引导学生积极主动探究。对学生开展物理仿真实验教学活动以后，教师就可以通过物理实验可视性、可重复观察实验过程等，增强学生物理实验学习探究兴趣。甚至还可以通过仿真实验反馈结果对实验步骤进行逆向推导验证，最终在深入思考和反复练习中，明确实验关键环节和发展学生学科素养。③防止各类安全事故发生。传统实验教学中，教师引导学生进行物理实验操作，可能会受到操作不规范、使用材料本身具有危险性等因素影响，导致各类安全问题发生。在开展仿真实验以后，涉及的实验活动都直接通过相关软件展开，学生可以避免实验本身和自己操作不当带来的危险。

二、 仿真实验在高中物理教学中运用的措施

（一）明确实验教学目标

在仿真实验教学中，教师要围绕教学内容向学生仔细阐明本次实验教学的目标，让学生在观看实验演示过程和进行实际操作分析中，对实验教学内容有更加深刻的认识，并带有目的性地完成各项任务。通常情况下，高中物理实验教学目标主要包括：①通过仿真实验向学生展示教学物理知识内容，并在加深学生对这些知识的印象中，能够更好地理解与掌握。②通过仿真实验展现物理现象以后，引导学生对学习物理知识和探究物理规律有很强的探究欲望，并对仿真实验提出问题进行积极主动的探寻。③在完成仿真实验教学以后，学生可以在回顾实验过程中，对展现的知识内容以思维导图形式呈现出来，切实提高学生实践操作和分析解决问题的能力。

（二）精心设计实验活动

在明确高中物理实验教学目标以后，教师就可以组织开展仿真实验精心设计活动，以推动仿真实验教学更加科学合理地展开。实践中最好可以对仿真实验应用优势进行细致把握，并结合学生高中物理学习实际及需求，采用自主探究+发现总结方式进行仿真实验教学，这样可以极大保证物理实验教学的有效性。在仿真实验应用优势方面，主要表现为对学生而言仿真实验是新颖有趣的，学生参与实验活动也能对实验具体过程进行观察与了解，并在这过程中实现对相关物理知识的有效探索。对教师而言仿真实验安全性很高，在高中物理教学中运用，可以保证每位学生都能参与其中和动手实践操作，以此提高实验教学质量。在学生学习情况及需求方面，教师就能通过考试、交流等方式进行了解，并将掌握信息与设计仿真实验活动相结合起来，在有效满足学生学习需求的同时，促使学生积极踊跃参与到物理仿真实验学习中。

（三）创设实验教学情境

要充分调动学生实验情绪和引导学生主动参与，教师在仿真实验中就要注意创设教学情境。尤其是在学生面对计算机中的仿真实验软件界面时，若没有情境引导，学生就容易表现出无从下手的情况，这无疑会对仿真实验教学带来不利的影响。这时候教师就可以结合物理实验内容和学生学习需求，对相应教学情境进行创设，并遵照由浅入深原则设置多个问题，让学生在独立实验操作中进行自主思考探索和得到实验结论，由此顺利达成物理实验教学目标。另外，针对学生出现的不知如何进行实验操作的情况，教师也要从旁扮演好引导者的角色，通过对学生进行适当点拨，促使整个仿真实验操作顺利进行下去，并根据观看到的物理现象和获得的信息数据，形成最终的物理实验结论。

（四）呈现实验假设任务

要引导学生探索实验真谛和掌握有效物理学习方法，在进行仿真实验教学时还要注意向学生呈现实验的假设与任务。实践中，仿真实验假设的设计与提出必须建立在明确实验原理基础上，若出现学生实验原理掌握不够的情况，即便是能熟练操作仿真实验软件，依然不能得到正确有效的实验结论。要避免这一情况发生，仿真实验之前教师就可以指导学生翻阅书本教材对实验原理进行了解掌握，待对相关物理知识进行有效学习以后，再利用仿真实验软件中的设置功能对相关实验进行设计，最终在实验演示操作、物理现象分析、动量计算等中，实现对运动原理的反复验证，进而得到更为准确的实验结论。

三、 实际案例分析

在有效了解仿真实验在高中物理教学中的积极作用和实践应用策略以后，教师进行高中物理教学，就可以选择合适虚拟仿真软件，比如“geogebra”“algodoo”“tracker”和仿真物理实验室等，对物理实验活动进行精心设计，然后引导学生操作、模拟和分析，以此加深物理知识理解和发展学科核心素养。下文以高中物理验证动量守恒定律实验为例，详尽探讨虚拟仿真软件在该实验中的有效应用及取得效果。

（一）NOBOOK虚拟实验平台

作为一款用于辅助高中物理教学的虚拟仿真软件，它基本可以覆盖高中物理教材所有的实验，比如力学、光学、电与磁等，甚至还可以支持教师和学生进行DIY实验。整体来看，NOBOOK操作十分简单，可以即时生成实验现象，并支持计算机、平板电脑等进行数据共享，对传统实验起到较好的辅助作用，学生无论是观察实验现象，还是动手设计操作实验，都非常方便灵活。

（二）了解实验思路

在依托NOBOOK虚拟实验平台组织开展验证动量守恒定律虚拟实验之前，教师要先引导学生对实验的具体思路进行有效梳理，这样学生进行虚拟实验操作时才会有条不紊。通过学生对书本教材呈现动量守恒定律知识进行学习和了解以后，就可以知道对动量守恒定律进行验证，具体思路是：①两个物体碰撞前沿着同一直线进行运动，在发生碰撞后仍然沿着这条直线进行运动，这种碰撞就是一维碰撞。②在一维碰撞情况下，与物体运动相关的物理量只有物体的速度与质量。③假设两个物体的质量分别用m1和m2表示，物体碰撞之前的速度v1和v2，物体碰撞之后的速度用v′1和v′2进行表示，假设速度与设定坐标轴方向一致就取正值，反之就取负值，通过探究m1v1+m2v2=m1v′1+m2v′2是否成立，见图1所示。

图1  验证动量守恒定律的实验装置图示

（三）创设相应情境

教师在引导学生对验证动量守恒定律的实验思路进行细致了解以后，就可以通过创设教学情境提出相关问题，以激发学生学习主动性。执行时教师可以引入研究气垫导轨上滑块碰撞时的动量守恒情境，见图2，让学生根据NOBOOK虚拟实验平台展现画面，思考整个实验需要运用哪些实验器材，需要注意观察的物理量是什么等问题。然后通过学生进行使用天平测量两个滑块的质量m1和m2、调整导轨使之处于水平状态，并开启光电计时器系统工作等操作。让学生观察用细线将弹簧片弯成弓形放在两个滑块之间，使它们处于静止的状态，烧断细线后，这时候两个滑块就会往相反的方向进行运动。在学生观察NOBOOK虚拟实验平台观察到实验模拟情境以后，教师提出问题：我们可以利用哪个公式计算出两滑块相互作用前后的速度？这时学生根据实验展现的滑块上遮光条的宽度Δx和光电计时器显示遮光时间，就可以知道通过v=ΔxΔt公式可计算出两滑块相互作用前后的速度。创设实验情境后，教师设置了许多相关的问题，因此学生参与思考积极性得到了提升，后面仿真演示的在一个滑块上装弹簧，使两个滑块相互碰撞、在两个滑块的碰撞端分别装上撞针和橡皮泥，两者碰撞后粘在一起实验操作，学生观察思考热情也非常高。最终根据创设实验情境得到的物理量，将之填入碰撞前和碰撞后速度、质量表格当中，看在允许范围内动量是否守恒。

图2  验证动量守恒定律装置

（四）呈现实验任务

教师在仿真实验教学中，要引导学生进行有效的物理实验设计，执行时就可以借助设计实验假设的方式，为学生呈现实验任务和引导学生自主探究。实践中教师要先指导学生通过翻阅教材对本次实验原理进行细致的了解，在深入把握相关知识内容以后，就可以让学生通过计算机和虚拟实验软件进行操作。所呈现的实验任务包括测出参与测试两个物体的质量和物体各自碰撞前后的速度，分别用m1、m2和v1、v2、v′1、v′2表示。根据公式p=m1v1+m2v2、p′=m1v′1+m2v′2计算出碰撞前后的动量p和p′。在把握这些实验任务之后，学生就可根据实验原理，利用NOBOOK仿真实验软件中的设置功能，通过设计两个小球，使小球质量保持相同，再利用运动原理将一个小球向另一个小球进行撞击，根据监测所得数据对两个小球的速度进行确定，然后根据所得数据信息完成动量计算，在学生经过对比以后就能发现能量是否守恒，见图3。另外，要保证所得数据信息和实验结果准确性，学生还可以在教师引导下，对上述实验进行反复操作验证，操作时还可以通过NOBOOK仿真软件对小球、速度等实验参数进行重新设置，在准确记录每一次的动量变化以后，通过对比分析也能完成对动量守恒定律的有效验证。

图3  验证动量守恒实验任务

（五）学生探索真知

尽管在虚拟仿真物理实验中，教师给予了学生充足的时间进行实验操作和思考分析，但是课堂时间毕竟十分有限，不可能让学生有更多的实验试错机会。这就要求教师要扮演好自身引导者的角色，通过提供极具针对性的启发引导，促使学生朝着正确方向思考操作，并保证最终得到实验结论真实准确。在通过NOBOOK虚拟实验平台引导学生进行动量守恒定律验证时，教师可以在第一时间启发学生，比如学生可以自己尝试打开仿真实验操作界面，通过软件功能模块选准两个相同小球实验对象，在打开设置按钮之后完成对两个小球质量、速度、坐标等参数的有效设置。待完成这项工作以后，将注意力放在实验环境设置上面，操作中可以将小球运动轨道的摩擦系数设置为零，运动轨道的总长度设置为30米，将完成实验参数设置的两个小球分别放到运动轨道的两端，使两者按照设定好的运行速度进行碰撞，针对界面呈现出的实验小球运动过程，学生要注意对小球的运动特点进行观察，针对初始碰撞的小球运行速度也要观察记录。最后对开展实验的所有参数进行重新设置，再进行同样的实验操作，整个实验次数不得低于3次，在对不同实验得到数据结果进行对比分析以后，就能得到最终的实验结果。整个过程中学生有了教师的启发引导，学生学会了遵照物理原理进行仿真实验，并将之前教师引导得到实验结果与后面改变设置参数自己演示操作得到的实验结果进行对比，就能完成对动量守恒定律的深入探究，整个过程中学生物理综合实践能力得到锻炼与提升。

四、 结论

文章是对仿真实验在高中物理教学中运用措施的分析。新时期教师通过利用仿真实验软件引导学生进行高中物理实验学习操作，可以解决传统实验教学存在的投入资源过多、实際操作困难、无法兼顾所有学生等问题。实践中教师需要围绕具体的实验教学目标，对相应实验教学情境进行创设，在充分调动学生主观能动性后，通过呈现实验任务、加强启发引导等方式，让学生通过NOBOOK仿真实验软件界面进行自主实验设计与操作，并在深入探究和归纳总结中，顺利实现实验教学目标。

参考文献：

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［2］李泽锋.虚拟仿真实验在高中物理教学中的应用［J］.广西教育，2023（23）：109-112.

［3］伍健坤.虚拟仿真软件在攻克高中物理难点教学中的应用研究［D］.呼和浩特：内蒙古师范大学，2023.