高中物理仿真演示實驗設計探討

方平芬

摘 要：仿真演示實驗指的是建立一個模擬實驗環境，對實驗內容進行模擬操作，從而實現實驗教學的目標，這是一種新型的教學手段，在課堂中運用可以使教學內容呈現得更加清晰，簡單易懂。因此，仿真實驗在教學實踐中也得到了越來越多的應用。但是，目前對于仿真演示實驗在課堂中實踐運用的相關介紹并不多，沒有對不同課型的教學設計進行歸納梳理，也未能實現將核心素養培養目標與仿真演示實驗教學充分結合。本文對仿真演示實驗在高中物理教學中的實施與應用開展了調查，深入分析仿真實驗的優缺點，呈現課堂應用的實踐效果，做到更好地貫徹核心素養的培養教學目標。

關鍵詞：仿真演示實驗；高中物理；實驗設計；核心素養

在目前的基礎教育改革中，培養核心素養是實現“立德樹人”教學任務的重要環節，而核心素養的培養又是通過各個學科課程具體的教學實踐來實現的。高中物理圍繞核心素養這一中心任務來安排教學，合理整合教學資源來實施課堂教學過程，不僅使課堂教學更具針對性，而且也保證了課堂教學的質量，讓學生們在學習物理的同時也能夠更好地對一些基本概念有所了解，激發學生的科學思維，提升探索能力，培養嚴謹的科學態度，為學生未來的工作發展打下基礎，做到更好地與社會相適應。

一、高中物理仿真實驗的時代性

科技提升教育質量、教育推動科技發展，教育的進步與科技發展息息相關。這主要體現在兩方面，一是教育的發展受到科技發展的制約，科技水平的快速發展有利于教育的正向發展。二是教育的發展會推動科學知識的更新以及科技成果的形成。通過對仿真演示實驗的教學實踐進行探究，促進教育人員對教育技術的理解和規范使用，從而推動教育現代化的進程。

在傳統的高中物理教學中，教學模式較為單調，教學方法過于死板，且大都是教師占據主導地位，這樣固化老套的教學方式不僅無法培養學生的能力，無法充分發展學生的核心素養，而且會大大降低學生的學習興趣，導致學生出現了不愛學習的現象，甚至逃學等一系列問題。仿真演示實驗是借助多媒體平臺，利用虛擬現實、可視化等手段，在計算機上建立一個虛擬的實驗環境，來模擬實驗的過程與結果。在實驗過程中，使用者不需要使用真實的儀器設備，只需要通過操控鼠標，選擇所需的實驗儀器，開啟實驗過程模擬，便可獲得與真實操作環境中相同的實驗結果。本文對仿真演示實驗在教學中的實踐應用進行了探討，充分利用技能融合的新思想，促進教師根據實際情況轉變教學觀念、改進教學方法，這一措施不僅為教師們提供了一個學習的機會，也對學生的發展起到積極的推動作用。

二、高中物理仿真演示實驗的教學優越性

自21世紀以來，大數據時代信息技術飛速發展，教育的發展在這個時代下出現了契機，其中教育信息化是一個熱門話題?！镀胀ǜ咧形锢碚n程標準》中明確指出，要將中學物理的教學應用與信息技術充分結合，借助多媒體平臺，開發教學新模式，以此拓寬中學物理教學和學習方式[1]。主要在以下幾方面有所體現：

（一）確保大部分同學能接觸到實驗。在以前的物理實驗中經常會遇到缺乏實驗設備的問題，導致無法進行實驗。而仿真演示實驗則是在一定程度上突破了這一局限，有效杜絕了這一問題的發生，使大部分學生能夠充分參與實驗中來，大大提高了學生的課堂參與性。

（二）以適應學習者的需要為目標。比如仿真軟件NOBOOK，能夠準確模擬中學物理的實驗，通過手機、平板、電腦等工具即可實現仿真實驗過程。在實驗模擬的過程中激發學生的學習動力，培養學生對物理學習的興趣。

（三）仿真演示實驗把一些肉眼無法直接看到的物理現象以動畫的形式再現，使實驗更為生動形象。將抽象的物理知識通過動畫的形式展現出來，使枯燥的實驗變得更加具體，有助于學生構建物理模型，培養抽象思維。同時，仿真演示實驗還能有效防止意外事件的發生，提高了實驗的安全性。

（四）不受地點空間的限制。以測試紙帶的瞬間速度實驗為例，需要利用打點計時器，了解其工作結構和原理，做到規范使用儀器，且實驗步驟極其煩瑣。在實驗測試之后還需要對紙條進行測量統計，計算出紙帶的瞬時速度。但如若利用仿真軟件，采用實驗模擬法可以迅速建立起物理模型，實驗完成后系統也會自動顯示出相鄰點之間的間距，不僅可以節約時間，還可以減少手工測量帶來的誤差。通過對實驗結果的分析即可得到圖像，整個過程中實驗的內容既豐富又生動。

（五）實驗內容豐富。仿真軟件中包括多種物理場模型和實驗器械設備，比如：在力與運動中，充分展示輕繩、輕桿、彈簧等實驗器械，以此代表運動對象；在機械物理場方面，包括重力場、電場、磁場和其他一些物理場；在常規實驗操作方面，包括自由落體運動、曲線運動、驗證能量守恒等。還有極為重要的一點，在仿真演示實驗中可以進行一些在實驗室無法完成的實驗。如電場中荷電粒子的加速和偏折，磁場中荷電粒子的圓周運動等，這些都是教學要求的實驗內容，但傳統實驗卻無法完成，通過仿真實驗可以較好地得以展現。

（六）重復性。在初步建立一個物理實驗模擬系統時，需要老師和相關的專業人員進行大量的研究[2]。然而，一旦建成之后它便可作為一種電子資源，以一種近乎零成本在不受時空限制的條件下被重復使用。此外，仿真系統的電子數據在現實交流中有著巨大的優勢，一些經典實驗和優秀案例能夠在特定的區域內進行分享，從而進一步增強了系統的可重復性和可交流性。

（七）成本具有可控性。對于建立物理實驗仿真系統，其投資費用遠遠低于建立實體的物理實驗室，學校只需購買相應的軟件，并對相應的教師進行統一培訓。除進行必要的更新之外，仿真系統基本不需進行后期的運行和維護，從而達到控制教學成本的目的。在經歷信息化改革后，教育體系中的信息化和數字化課堂已經取得了一定的成果，電子黑板和計算機系統已經成為課堂教學的一部分，在這樣的情況下，引進一個物理實驗模擬系統，也不會帶來任何額外的費用。

（八）適用范圍更加廣泛。仿真系統是用計算機來模擬物理現象，所涉及的物理參數和常量都可以隨意調整，便于控制物理實驗的影響因素。例如：在設計電場實驗時，教師輸入相應的參數來調整物體的具體質量、電流等，讓物理實驗的結果變得更加多樣化，也更有利于學生觀察到實驗現象。此外，該系統還能夠模擬真實環境中不能實現的一些實際情況，例如調整重力、建立真空環境等，從而大大擴展了物理實驗的可能性，拓寬了實驗的范圍。

三、仿真演示實驗的軟件依托

實施物理仿真演示系統需要借助專門具有物理引擎功能的軟件。目前適用于物理仿真演示實驗的軟件有專用仿真軟件和廣譜仿真平臺兩大平臺。

（一）專用仿真軟件

專用仿真軟件是為物理實驗所設計的，指專門為物理實驗而研制的專用模擬平臺。其應用中有很多的模板類型和經典案例，以支持電子黑板數字教學系統的軟件LABX為例，它包括了基本上中學物理各個年級階段的大綱實驗內容以及實驗結果的展示。在實驗操作過程中，教師只需通過設定系統中所設定的參數，就可以實現實驗演示，這在客觀上減少老師的使用難度，幫助老師們更快地在課堂上部署和使用。

（二）廣譜仿真平臺

廣譜仿真平臺能夠為用戶提供范式仿真功能，其平臺功能豐富多樣，不但可以展現大綱教學要求的所有實驗，還可以在微電子學、復雜電路等領域提供一定的支撐。但該平臺的適用面主要針對具有一定編程、仿真和計算機應用能力的教師，因為在教學過程中教師需要根據教學內容自行建立特定的仿真程序。以COMSOL軟件應用為例，教師使用COMSOL仿真軟件對光學實驗展開仿真教學，教師需要調用不同的光學軟件來構建仿真光與物質之間的相互作用，輸入不同的模擬數值得到輸出結果，再讓學生來觀察實驗，這對教師的專業水平要求較高，具有一定難度。

四、仿真實驗教學實施過程分析

結合高中物理的實驗內容，遵循有效、靈活的教學應用原則，根據仿真演示實驗的教學設計和應用思路，將仿真演示實驗的優點和應用的具體策略相結合，對教學案例進行分析設計，利用仿真演示實驗來輔助高中物理教學，為未來的教學實施提供了一定的參考思路[3]。以《驗證機械能守恒定律》這一實驗教學為例。

（一）教學目標分析

本章為高中物理驗證性實驗章節，其內容是利用重物的自由下落運動驗證機械能守恒定律，學習實驗的操作方法與技巧，深化對機械能守恒定律的理解，還涉及了紙帶選取和測量瞬時速度的方法，具有較高的知識基礎、較高的綜合能力。

（二）學習情況分析

高年級學生對理論知識已經有了較好了解，掌握了運動學、力學的基本概念和規律，在實驗過程中對物體的受力情況做出判斷，并采集數據，做到對實驗結果進行準確分析。在這一階段，學生的抽象性思維得到了很大提高。但同時也出現了一些問題，如學生對系統的思路和方法未能較好地掌握，學生的解題能力還不夠，這也主要受問題的難度和復雜度的影響。

（三）教學設計思路

在這節課的設計中，主要有兩個方面涉及了仿真演示實驗的應用，一方面，對打點計時器測量紙帶瞬時速度進行模擬，該方法可以有效解決實際實驗效果存在的阻力誤差問題。另一方面，模擬物體自動下落的運動過程，教師通過調整物體重量、高度等參數變化讓學生進行觀察，實驗的動態過程更為鮮明，促進學生對所學內容的掌握。

（四）實驗教學過程

1.觀察實驗現象，分析現象產生的原因：老師首先對電磁打點計時器的結構和工作原理做簡單的介紹，再通過Nobook軟件模擬實驗平臺，對該裝置的工作進行演示，引導學生注意觀察屏幕上紙帶打點的運動距離，并將其記錄下來。在此基礎上，通過改變不同的運動速度，觀測到不同的紙帶打點距離變化差異。通過對實驗結果的分析，驗證相關結論。設計理念：為了讓學生有更好的觀測感受，教師采用仿真演示試驗的方式來代替傳統的演示方式。將實驗通過動畫的形式生動具體地展現在學生面前，并進行對比提問，為學生思維提供一個直觀的參照，并教會學生處理數據分析實驗結果。

2.通過復習舊知識，推導出法則公式，教師與學生共同梳理復習上一節課所學的知識，并探討勻變速直線運動的紙帶某點瞬時速度，對物體的運動狀態進行分析、總結，并探究運動過程中的具體影響因素。引導學生利用數學知識，計算重物動能的增加量和重力勢能的減少量，從而更好地掌握機械能量守恒規律。設計理念：讓學生親身經歷知識的回溯和推理過程，獲取并掌握新的知識，這與建構主義理念的要求相一致，既可以使學生對所學知識有更深層次的了解，又可以培養學生的思維能力。

3.介紹了儀器和裝置，揭示了其工作原理。利用 Nobook軟件模擬實驗平臺，演示電磁打點計時器和電火花計時器的結構。同時，對物體自由落體運動進行了仿真，從而加深物體運動的認識。設計理念：通過仿真平臺，對科學儀器的基本構造及工作過程進行展示，這樣不僅可以讓學生對有關原理的理解再一次加深，還可以讓課堂與科技之間的關系變得更加密切，從而讓學生們養成一種熱愛科學、熱愛學習的態度。

4.講授習題練習，以鞏固應用知識為目的，要求學生做好教科書上的相關習題，并在課上完成對知識的掌握和應用。

五、仿真演示實驗課堂教學效果分析

在仿真演示實驗的過程中，充分運用現代信息技術平臺，借助多媒體教學手段，學生通過觀看視頻來理解實驗原理，將抽象的物理理論知識變得更加生動形象。此外，對實驗結果進行處理時，可利用計算機軟件進行處理，大大節省了操作時間。

自主性學習是每一個學生都必須掌握的技能，指的是學生根據實際學習情況明確學習目標，通過制訂合理的學習計劃、選擇適當的學習策略，對學習過程進行自我監控，以及對學習效果進行自我評價。在高中物理仿真演示實驗的過程中，學生可以以實驗內容和實驗原理為依據，對實驗過程進行設計，還可以不斷地改變實驗條件、實驗變量，學生在仿真演示實驗的過程中始終保持強烈的好奇心，充分利用高中物理的有關理論知識應用展開實驗設計，并得出實驗結論，并能夠自主地設置實驗數據，極大地提高了學生的自主學習能力。

在高中物理實驗的教學過程中，教師設置不同的物理參數指導學生對物理知識展開探索和學習，有助于學生進一步理解物理知識。當學生們對仿真系統有了一定了解之后，老師可以自主編程或自主設計實驗，指導學生對豐富的物理課外知識展開探索和學習。

在具體實踐過程中，教師可以組建物理實驗興趣小組便于管理學生。在學生小組內部，激發學生的想象力，鼓勵學生自主創新，設定實驗方向，理論知識與實踐相結合，再利用仿真實驗確定結果，進行一定程度的物理探索。這不僅能夠幫助學生將所學的理論知識切實運用到實際工作中去，直觀觀察物理實驗結果，還能夠有效提升學生的學習成就感，激發學習興趣，進而促進學生對物理實驗教學，乃至整個物理學科產生濃厚的學習欲望。

結束語

將仿真演示實驗應用到高中物理教學中，可以有效降低學校的實驗成本，大大提升物理實驗的教學效果，在一定程度上也使物理課堂教學效率得到提升。因此，將仿真演示實驗引入到高中物理教學中是極其有必要的。教師需要進一步明確教學目標，對教學流程合理規劃，側重教學細節的實施，對有效的知識內容進行適當拓展，充分將仿真演示實驗與高中物理課堂融合起來，確保有效打造出一個高效的物理課堂，激發學生對高中物理的學習興趣，從而真正提高學生對高中物理的學習積極性。

參考文獻

[1]馬小花. 數字仿真實驗輔助高中物理演示實驗教學應用研究[D].銀川：寧夏大學，2020.

[2]李培學，馮永慶.高中物理仿真演示實驗設計：以動量守恒定律仿真演示實驗為例[J].中國教育技術裝備，2017（17）：141-142.

[3]薛明儒.核心素養背景下的高中物理教學策略研究[J].天天愛科學（教育前沿），2023（7）：191-193.