基于问题解决的虚实结合物理实验教学探索

陈美英

摘 要：本文以法拉第电磁感应定律为例，通过问题作为导向，采用虚拟仿真实验和真实实验相结合的教学手段，引导学生在探索问题的过程中，掌握物理研究方法，提升学生个人的思维能力、动手操作能力、观察力等物理关键能力，达成更理想的教学效果。

关键词：问题解决；虚拟仿真实验；物理关键能力

物理学是一门以实验为基础的崇尚理性、重视逻辑推理的自然学科。它对客观世界的规律做出了深刻揭示，并在发展、成长的过程中，形成了一整套独特而卓有成效的思想方法体系，即从观测或实验事实中提炼出物理问题，尝试用已知理论对问题做解释、逻辑推理和数学演算等，最终得出规律[1]。本文在这个思想体系的引导下，以问题为导向，引导学生在尝试探索问题的过程中，提升学生个人的思维能力、动手操作能力、观察力等物理关键能力。同时，采用虚拟仿真实验和真实实验相结合的技术手段，突破难点，以期达成更理想的教学效果。

一、以问题解决为导向，培养关键能力的教学策略

以问题解决为导向的教学策略是一种高效的教学策略，教师对教材内容和教学目标精心加工，巧妙设计教学中的每一个环节，使之以问题的形式呈现在课堂上。让学生通过发现问题、分析问题、解决问题和加以应用的过程来达到教学目标[2]。本文以“法拉第电磁感应定律”为例具体阐述问题教学法融入课堂中的策略。

策略1：通过趣味物理学史，构建情境提出问题

以问题解决为导向的教学，其目的是帮助学生探索知识并解决问题。物理学上一些规律的探索历程充满曲折、富有故事性，讲述这些故事能够激起学生的兴趣，把注意力集中在故事中提出的物理问题上。以物理学史创设有趣的问题情境能够让学生产生求知欲及内在动力，引导学生针对问题进行思考，引发其对相关知识的探索。因此，尽管趣味性问题并不决定问题本身的意义，但能确保问题的创设发挥其应有的作用。本节课通过展示法拉第制作世界上第一台圆盘发电机的历程，通过生动有趣的历史故事，让学生经历圆盘发电机的发明过程，体会其中的艰辛和最后的成功，培养学生的科学态度和责任感，发展学生的核心素养。

策略2：通过科学设置问题链，导引学习方向

以问题为导向的教学，很重要的价值在于通过问题设置，使得教学过程具有更明显的针对性。这里的针对性是指问题引导学生探索和研究的内容，是否直接指向知识点的核心内容，即使是在对知识点进行层级剖析的前提下，创设的问题也需要能够精准指向不同倾向的知识层级，保证学生拥有正确的探究方向，这是决定学生学习效率及学习活动有效性的关键因素[3]。因此，以问题引导课堂教学创设的问题是否具有相应的指向性，是发挥问题教学应有的教育作用的关键。本节课设置三个核心问题：影响感应电流大小的因素；影响感应电动势大小的因素；感应电动势与磁通变化率大小的关系，引导整个课堂的方向，串联起各个教学环节的逻辑关系。

策略3：通过层进式子问题，启发思考探究本质

设置层层递进的问题，重视开发其探究性内容，引发学生一步步去解决问题，在探索的过程中逐渐养成强烈的探索欲。学生在充分考量问题的探究性内容中获得成就感，实现由问题驱动转向求知欲驱动的内化过程，逐渐养成自主学习意识，这个过程对完善学生人格及知识体系发挥重要作用。本节课设置4个核心问题引导教学方向，以层进式的子问题探究物理规律，例如表1中法拉第电磁感应定律这节课设置的子问题。

核心问题 子问题 探究的物理概念、规律

问题1：影响感应电流大小的因素 1.普通电路的电流由什么决定？

2.与普通电路对比，感应电路中谁充当电源，提供电动势？

3.感应电路中的电源电动势的来源？ 感应电动势

问题2：影响感应电动势大小的因素 1.观察实验1：由实验现象得出什么结论？

动手操作实验2：由实验现象得出什么结论？ 感应电动势的大小由磁通变化快慢决定。

问题3：感应电动势与磁通变化率大小的关系 1.观察实验装置，感应电动势如何产生？

2.本套实验装置感应电动势的大小由什么决定？

3.传感器如何与电路连接，并测量感应电动势和磁通变化率？

4.与电脑连接的图像，反映出感应电动势和磁通变化率有什么关系？ 感应电动势与磁通变化率成正比。

问题4：如何应用法拉第电磁感应定律对第一台发电装置进行

改进 1.第一台发电机电流小的原因是什么？

2.根据法拉第电磁感应定律，电动势由什么决定？

3.你将从哪些方面改进发电机，从而增大它的电动势？ 理论联系实际，解决问题，发展物理关键能力。

表1

二、虚实结合的教学方法突破难点

高中物理采用问题教学法，除了教师对教学策略的精心安排，对教学难点的突破方法也很重要。本节课采用虚实结合的探究方法突破难点，虚拟仿真实验作为一种以虚拟仿真技术为支撑的实验教学新形式，通过图形化界面模拟实物实验的过程与效果，帮助学生直观、形象地体验实验操作过程，具有沉浸式、高仿真、突破时间和空间的限制等特点，与真实实验相互补充，弥补传统物理实验教学中的不足，提高物理实验的教学效果，优化教学，培养学生的创新学习

能力[4]。

突破1：虚拟仿真实验模拟真实情景，构建物理模型，还原历史场景。

结合历史上真实的圆盘发电机的图片，用虚拟实验再现法拉第圆盘发电机的原型。让学生更直观了解第一台发电机的原型，在脑海中构建生动具体的物理模型，引起探究感应电流大小的

欲望。

突破2：虚拟仿真实验演绎动态实验过程，解释物理原理。

高中部分物理实验本身不具备直观性，例如本节课中电磁场部分，电场和磁场不可视、不可触，不利于学生理解，虚拟仿真实验通过电磁物理模型丰富学生的感性认识，帮助其知识的建构，将抽象、不可视的物理世界形象化。本节课借助虚拟仿真软件nobook内的实验，动态展示两个实验过程：1.定性探究感应电动势的大小与磁通变化快慢的关系。2.分析传感器探究电动势大小与磁通变化率关系的实验原理。更清晰呈现实验现象，对复杂抽象的实验原理开展教学，将物理规律分步具象化，加深学生的印象和

理解。

突破3：模拟演练实验操作过程，使教学过程更高效。

传统物理实验教学过程中，由于学生对实验器材不熟悉，教师耗费大量时间纠正学生的实验操作动作，导致课堂效率低。高中阶段课程任务多、时间紧，学生无法在课下找到足够的时间去完成课上未完成的物理实验。而虚拟仿真实验以计算机为依托，学生可在计算机上进行实验模拟，熟悉实验步骤，这样能够在实际实验操作过程中减少失误，提高学习活动效率。例如，本节课在探究感应电动势大小的活动之前，通过虚拟仿真实验提前让学生熟悉电路的连接。

突破4：通过真实实验对比教学，内化物理概念和规律

虚拟仿真实验是按照计算机编程程序来模仿实际实验，已提前预设了实验现象和实验结果，学生只需通过操作鼠标即可完成相应实验操作，因此学生潜意识可能会认为一切均是人为设置，从而在一定程度上怀疑实验现象和结论的可靠性，不能完全信服实验结果，并且失去了亲自动手实践的训练，其动手能力会大大降低[5]。因此，本节课在充分发挥虚拟仿真实验优势的同时，结合了真实实验开展教学。虚拟仿真实验主要在实验设计的修正、模拟操作练习、解释原理、展示动态过程和实验创新上；真实实验重点放在仪器的规范操作和数据采集上。所以本节课通过两个定性探究实验和一个定量探究实验，让学生亲身经历动手实践探究物理规律的过程，真实感受感应电动势与磁通变化快慢的关系，从而落实物理核心素养（表2）

表2

三、以问题解决为导向，虚实结合的教学实践步骤

（一）回顾知识点

通过两个如图1所示的虚拟仿真实验提出问题：电磁感应现象和产生条件，引导学生回忆感应现象产生的条件：（1）闭合电路（2）磁通量变化。唤起学生对电磁感应现象的记忆，为接下来的新课做准备。

图1

（二）设置问题情境

教师展示法拉第圆盘发电机图片，播放法拉第圆盘发电机虚拟仿真实验并讲述历史故事：法拉第发现电磁感应定律，不久之后就制作了世界上第一台发电机——圆盘发电机，但这台发电机只能产生微弱的电流，甚至无法让一盏小灯泡发光，被当时的人们嘲笑。由此引发学生思考：感应电流的大小由什么决定？ 比较普通电路和感应电路，普通电路电流由电源提供，对于电阻一定的电路，电流大小由电源电动势决定。而感应电路中的电源由导体棒或者螺线管等充当，提供电动势，这种由电磁感应而产生的电动势，叫感应电动势。

产生条件：穿过回路的磁通量发生变化。那电路需要闭合吗？分析感应电动势的微观本质，由自由电子在磁场中运动受到洛伦兹力引起导体两端电势差而产生感应电动势，电路中只要磁通量发生变化就会产生感应电动势，闭合回路进而产生感应电流。因此，讨论感应电流的大小就很有必要讨论感应电动势的大小。

提出问题：影响感应电动势大小的因素，引发学生思考。

（三）定性实验分析

针对学生的猜想设计了以下两个实验。

实验1（图2甲）：定性探究感应电动势的

大小

磁铁穿过两个相同的螺线管，观察两个同规格的二极管发光亮度。结合虚拟实验（图2乙）放慢实验过程，引导学生分析实验现象。得出实验结论：磁通变化量一定时，穿过回路的时间越短，产生的感应电动势越大。

图2

实验2：学生分组探究感应电动势的大小

利用nobook虚拟仿真实验（如图3）连接实验电路，练习实验操作。然后真实操作实验电路，改变A螺线管的磁感应强度，让A螺线管以相同的速度穿过B螺线管，观察电流表指针的偏转幅度。得出实验结论：穿过回路的时间一定时，磁通变化量越大，产生的感应电动势越大。

图3

综合以上两个实验，得出结论：感应电动势的大小E与磁通量变化的快慢有关，磁通量变化越快，感应电动势越大.

（四）定量实验测量，得出结论

通过更精确的仪器电压传感器和磁感应强度传感器定量探究感应电动势E与磁通变化率的关系，实验仪器和电路图如图4所示，利用虚拟实验（图5）介绍仪器的工作原理，通过改变图6中与智能电源相连的内管的电流，产生变化的磁感应强度，图中红色部分外管产生感应电动势。用传感器分别记录管中磁感应强度B随时间变化图像，和感应电动势E随时间变化图像（图8），分析图像，得出感应电动势与磁通变化率成

正比。

图4

图5

图6

（五）练习

通过以下例题让学生学会运用法拉第电磁感应定律公式

例题：在一个磁感应强度大小随时间变化的磁场中，垂直于磁场方向放一个面积为0.10m2的线圈。在0.20s内磁场各点的磁感应强度由0增大到0.30T，求线圈中的平均感应电

动势。

（六）生活应用

讨论如何改进法拉第的第一台圆盘发电机，增大感应电流，提高发电效率。引导学生通过法拉第电磁感应定律解决实际问题。通过增加匝数，用多组线圈取代原来的金属圆盘，用电磁铁取代磁铁，用更大的动力驱动线圈转动，从而产生更大的电流，形成现在的发电机。例如，利用水力驱动的水电站，利用风力驱动的风力发电站，核动力驱动的核电站。法拉第的电磁感应定律为进入电气时代奠定了最重要的基础，从第一台发电机不能让一盏灯泡发光，到现在的大功率发电站，从婴儿到巨人的成长。介绍当今世界上最大水电站——三峡电站，总装机容量为2250万千瓦，单机容量和总装机规模均居世界第一，引发同学们的民族自豪。

结束语

爱因斯坦曾说过：“发展独立思考和独立判断的一般能力，应当始终放在首位，而不应当把获得专业知识放在首位。如果一个人掌握了他的学科的基础理论，并且学会了独立思考和工作，他必定会找到自己的道路，并适应进步和变化。”笔者认为高中物理教学过程中通过问题作为教学的导向，最终目的应是形成学生能够运用物理思想方法独立思考问题并解决问题的思维。在这个过程中教师合理利用有效的信息技术手段，调动学生自发学习的内在动力，充分发挥学生自主探索问题的主观能动性，发展学生的物理核心素养，形成独立人格。

参考文献

[1]张立鹏.高中物理核心素养下学生科学思维能力的培养[J].华夏教师，2020（32）：17-18.

[2]線丽娟.问题教学法在高中物理教学中的应用[J].基础教育论坛，2023（15）：103-104.

[3]王金伙，蔡武德.基于问题教学法的高中物理课堂教学实践：以鲁科版高一必修2“科学探究：向心力”为例[J].数理天地（高中版），2023（2）：35-37.

[4]刘芷余，秦宇飞，柴万东.虚拟仿真软件在中学物理实验教学中的应用：以高中物理实验“伏安法测电阻”为例[J].赤峰学院学报（自然科学版），2023，39（6）：60-63.

[5]王晓婷.虚拟仿真实验对高中生物理学习兴趣的影响研究[D].聊城：聊城大学，2020.

基金项目：2022年度福州市教育信息技术研究课题“基于虚拟仿真实验2.0的高中物理教学策略研究”（课题编号：FZDJ2022A27）。