仿真實(shí)驗(yàn)在高中物理實(shí)驗(yàn)中作用

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摘要：物理是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的一門(mén)學(xué)科，仿真實(shí)驗(yàn)可以更直觀、具體、形象地把實(shí)驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果展示給學(xué)生。仿真實(shí)驗(yàn)是物理實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充和完善，它并不是要取代傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)，它可以打破時(shí)間、空間的限制從而更加高效地促進(jìn)教學(xué)的進(jìn)行。通過(guò)這種方式可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，幫助學(xué)生建構(gòu)物理模型提升學(xué)生的物理核心素養(yǎng)。本文結(jié)合高中物理教學(xué)實(shí)踐，對(duì)比物理實(shí)驗(yàn)的不足結(jié)合教學(xué)實(shí)例對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究。探討如何更好地提升高中學(xué)生學(xué)科素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：物理實(shí)驗(yàn)；仿真實(shí)驗(yàn)；高中物理；核心素養(yǎng)

物理實(shí)驗(yàn)在物理教學(xué)過(guò)程中起著重要作用，通過(guò)物理實(shí)驗(yàn)幫助學(xué)生建構(gòu)物理模型。由于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)受空間和時(shí)間因素的制約，仿真實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)正好可以彌補(bǔ)這些缺點(diǎn)。通過(guò)這樣一種全新的方式，將課上枯燥乏味的物理現(xiàn)象通過(guò)仿真展現(xiàn)出來(lái)可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，提升高中物理教學(xué)的質(zhì)量和效率。

1傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)在高中課堂的現(xiàn)狀

1.1物理實(shí)驗(yàn)的難度較大

物理學(xué)是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的一門(mén)科學(xué)，《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》明確了物理實(shí)驗(yàn)在高中課堂教學(xué)中的地位的重要性。新課程標(biāo)準(zhǔn)將科學(xué)探究和物理實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Ψ旁谑滓奈恢肹1]。由于初中物理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象簡(jiǎn)單、直觀、清晰，學(xué)生易于理解。初中物理階段只是培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)物理興趣，初中生對(duì)物理實(shí)驗(yàn)的認(rèn)知是感性認(rèn)識(shí)，分析問(wèn)題也是簡(jiǎn)單的定性分析。但是高中階段的物理實(shí)驗(yàn)往往比較抽象復(fù)雜，還有一些定量計(jì)算和數(shù)據(jù)處理，有時(shí)出現(xiàn)誤差使得實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果有較大的出入。

1.2物理實(shí)驗(yàn)沒(méi)有受到學(xué)校的重視

但是由于現(xiàn)實(shí)原因?qū)W校要參考學(xué)生考試成績(jī)，很多學(xué)校并不注重物理實(shí)驗(yàn)，更有甚者學(xué)校不開(kāi)設(shè)物理實(shí)驗(yàn)。這就導(dǎo)致了很多老師通過(guò)課堂講解實(shí)驗(yàn)原理，嚴(yán)重阻礙了學(xué)生知識(shí)生成性的過(guò)程，失去了物理學(xué)科探究學(xué)習(xí)的靈魂。處于高中階段的學(xué)生抽象思維不強(qiáng)，必須借助于具體、形象的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象幫助學(xué)生搭建抽象思維的橋梁[2]。

1.3物理實(shí)驗(yàn)在教學(xué)上不受重視

在平時(shí)教學(xué)過(guò)程中，很多教師也缺乏對(duì)實(shí)驗(yàn)的重視，覺(jué)得物理實(shí)驗(yàn)浪費(fèi)時(shí)間，學(xué)生對(duì)物理實(shí)驗(yàn)有強(qiáng)烈的好奇心，由于學(xué)生有活潑好動(dòng)的特點(diǎn)，不易于管理。學(xué)生若不遵守實(shí)驗(yàn)規(guī)定有可能出現(xiàn)安全事故，物理實(shí)驗(yàn)室也是應(yīng)付檢查時(shí)才啟用。老師并沒(méi)有意識(shí)到物理實(shí)驗(yàn)的重要性。因?yàn)槔蠋熡X(jué)得物理實(shí)驗(yàn)占用大量課上時(shí)間，因此選擇課上講解，做習(xí)題輔助理解。對(duì)于抽象的物理實(shí)驗(yàn)，老師選擇播放實(shí)驗(yàn)視頻以代替學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，使得物理課堂學(xué)習(xí)枯燥乏味[3]。有一些老師也讓學(xué)生做實(shí)驗(yàn)，但是只是讓學(xué)生按要求一步步操作，不給學(xué)生做原理講解。綜上所述，在長(zhǎng)期應(yīng)試教育大環(huán)境的影響下，學(xué)校、教師和學(xué)生都選擇了只關(guān)注考試內(nèi)容，在升學(xué)壓力面前選擇了妥協(xié)，使得物理教學(xué)方式偏離了原軌道。

2仿真實(shí)驗(yàn)在高中物理教學(xué)的優(yōu)勢(shì)

21世紀(jì)電子信息技術(shù)的快速發(fā)展給教育教學(xué)的發(fā)展帶來(lái)了機(jī)遇，教育信息化也成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)之一。2018年頒布的《普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)》[4]提出，積極探索信息技術(shù)與物理教學(xué)的融合，開(kāi)發(fā)與利用多媒體來(lái)拓展物理教學(xué)與學(xué)習(xí)的途徑。首先，保證絕大部分學(xué)生接觸實(shí)驗(yàn)。在以往的物理實(shí)驗(yàn)有時(shí)出現(xiàn)器材短缺導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)無(wú)法進(jìn)行。仿真實(shí)驗(yàn)恰好打破這種限制，仿真實(shí)驗(yàn)保證了絕大多數(shù)學(xué)生都能參與整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程。第二，滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。例如，仿真軟件NOBOOK可以對(duì)高中物理實(shí)驗(yàn)進(jìn)行仿真，通過(guò)手機(jī)、平板、電腦實(shí)現(xiàn)且仿真界面生動(dòng)形象。通過(guò)實(shí)驗(yàn)仿真培養(yǎng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)樂(lè)趣，使得學(xué)生學(xué)習(xí)有積極性。第三，仿真實(shí)驗(yàn)將肉眼看不見(jiàn)的物理現(xiàn)象通過(guò)動(dòng)畫(huà)表現(xiàn)出來(lái)，比實(shí)驗(yàn)還要形象具體。例如，磁感線、電場(chǎng)線、等勢(shì)面、電流等，動(dòng)畫(huà)將枯燥的實(shí)驗(yàn)變得生動(dòng)利于學(xué)生物理模型建立和抽象思維的形成[5]。仿真實(shí)驗(yàn)也避免了危險(xiǎn)事故的發(fā)生，更具有安全性。第四，不受空間的限制。例如打點(diǎn)計(jì)時(shí)器測(cè)瞬時(shí)速度實(shí)驗(yàn)，把打點(diǎn)計(jì)時(shí)器搬到教師進(jìn)行實(shí)驗(yàn)比較麻煩，實(shí)驗(yàn)步驟也十分煩瑣。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后還要測(cè)量紙帶等等。通過(guò)實(shí)驗(yàn)仿真快速搭建物理器材，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后系統(tǒng)自動(dòng)顯示紙帶相鄰點(diǎn)距離，這既節(jié)省了時(shí)間也減小了人工測(cè)量紙帶的誤差。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)還可以繪制v-t圖像進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容豐富并且形象，以NOBOOK物理實(shí)驗(yàn)的力學(xué)部分為例，力與運(yùn)動(dòng)提供了運(yùn)動(dòng)對(duì)象，輕繩、輕桿、彈簧、導(dǎo)軌、電荷等實(shí)驗(yàn)器材；各種場(chǎng)如重力場(chǎng)、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、萬(wàn)有引力等實(shí)驗(yàn)環(huán)境。支持任意搭建實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，不但能夠完成一些常規(guī)的實(shí)驗(yàn)如自由落體運(yùn)動(dòng)、平拋運(yùn)動(dòng)、驗(yàn)證機(jī)械能守恒、驗(yàn)證動(dòng)量守恒實(shí)驗(yàn)，單擺、牛頓擺到彈簧振子實(shí)驗(yàn)，而且能夠完成一些實(shí)驗(yàn)室不好完成的實(shí)驗(yàn)。如帶電粒子在電場(chǎng)中的加速與偏轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)，帶電粒子在磁場(chǎng)中的圓周運(yùn)動(dòng)、粒子加速器、粒子速度選擇器模型等，還有地球人造衛(wèi)星、太陽(yáng)系的運(yùn)行等，既涵蓋了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，又可以做傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)不能實(shí)現(xiàn)的內(nèi)容。

3仿真實(shí)驗(yàn)在高中物理課堂應(yīng)用

3.1斜面物體的受力分析

仿真實(shí)驗(yàn)可以輔助高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生利用仿真實(shí)驗(yàn)使學(xué)習(xí)效率提高。如圖1所示，對(duì)小球進(jìn)行受力分析，應(yīng)用物理仿真軟件NOBOOK進(jìn)行仿真。在物理學(xué)習(xí)過(guò)程中對(duì)于剛剛接觸受力分析的高一學(xué)生來(lái)說(shuō)，解題困難點(diǎn)比較多。初中階段的受力分析只接觸過(guò)受力方向只在一條直線上的二力平衡的問(wèn)題。從初中跨越到高中對(duì)于矢量概念理解不到位，僅依靠自己的經(jīng)驗(yàn)和感性認(rèn)識(shí)進(jìn)行受力分析，對(duì)于物體受到幾個(gè)力才能保持平衡狀態(tài)的判斷比較模糊。在此階段正是建立物理模型的關(guān)鍵時(shí)機(jī)，因此仿真實(shí)驗(yàn)利于學(xué)生對(duì)物理模型的建立和抽象思維的形成。根據(jù)仿真軟件NOBOOK可以清晰地看出彈力方向以及大小，通過(guò)改變擋板的角度可以看到擋板對(duì)小球彈力的方向發(fā)生了變化，大小也發(fā)生了變化。由此形象地看出彈力是垂直于接觸面的，這樣的動(dòng)畫(huà)可以形象的模擬真實(shí)的受力。因傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)是看不出彈力、重力方向和大小，所以這種仿真易于學(xué)生理解接受。

3.2自由落體運(yùn)動(dòng)的仿真應(yīng)用

以勻加速直線運(yùn)動(dòng)為例，進(jìn)入高中階段的物理學(xué)習(xí)，先學(xué)習(xí)了機(jī)械運(yùn)動(dòng)的概念。初中只學(xué)習(xí)了勻速直線運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入高中后很多學(xué)生不理解勻加速直線運(yùn)動(dòng)過(guò)程。例如，一個(gè)物體以初速度v=10m/s，加速度為a=5m/s2勻加速運(yùn)動(dòng)，等到速度為0m/s時(shí)，反向勻加速直線運(yùn)動(dòng)，問(wèn)什么時(shí)刻速度為0m/s，5s末位移是多少？對(duì)于這種學(xué)生對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程十分清晰的問(wèn)題，可以直接套用公式求解出答案。但是對(duì)剛進(jìn)入高中學(xué)習(xí)的學(xué)生還是沿用初中物理解決問(wèn)題的方式，學(xué)生不理解過(guò)程直接套用物理公式的方法，用初中學(xué)習(xí)物理的方法去學(xué)習(xí)高中物理是行不通的。但是，根據(jù)高中物理實(shí)驗(yàn)仿真工具可以模擬整個(gè)過(guò)程，而且還可以繪制出此過(guò)程的v－t圖像，根據(jù)圖像可以觀察圖像面積，斜率等信息描述運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的位移和加速的信息。下面結(jié)合著虛擬物理仿真軟件對(duì)物體的自由落體進(jìn)行分析。若取重力加速度g＝9.8m/s2，首先進(jìn)行新課導(dǎo)入，亞里士多德觀點(diǎn)認(rèn)為物體越重的物體下降越快，例如石頭和棉花在相同高度同時(shí)釋放，實(shí)驗(yàn)結(jié)果是石頭先落地。此時(shí)老師可以用演示實(shí)驗(yàn)給學(xué)生展示紙和粉筆看看哪個(gè)先落地，然后老師提出假設(shè)認(rèn)為因?yàn)榉酃P比紙重因此先落地。通過(guò)測(cè)量粉筆的質(zhì)量為5g紙張和質(zhì)量為3g，將紙和粉筆固定在一起后對(duì)比5g的粉筆。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)5g粉筆先落地了這一點(diǎn)和亞里士多德的想法正好是矛盾的，伽利略推翻了亞里士多德觀點(diǎn)。他認(rèn)為兩物體在做自由落體的時(shí)候應(yīng)該是同時(shí)落地的，此時(shí)同學(xué)們產(chǎn)生了疑惑。因?yàn)楝F(xiàn)實(shí)條件找不出實(shí)例，老師可以用兩張A4紙，一張紙捏成紙團(tuán)另一張紙對(duì)折。兩物體在相同高度靜止釋放，發(fā)現(xiàn)紙團(tuán)先落地。細(xì)心的同學(xué)發(fā)現(xiàn)對(duì)折的紙“飄來(lái)飄去”由此有的同學(xué)可以想到是空氣阻力的影響作用。然后正好也是伽利略的觀點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)如果要驗(yàn)證必須需要一個(gè)真空環(huán)境，這時(shí)候可以用NOBOOK仿真實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證。在仿真實(shí)驗(yàn)中加入空氣阻力的影響，選擇相同體積不同質(zhì)量的物體。先進(jìn)行第一組實(shí)驗(yàn)m=0.6kg記錄落地時(shí)間t1，接下來(lái)進(jìn)行第二組實(shí)驗(yàn)m=0.06kg記錄物理落地時(shí)間t2發(fā)現(xiàn)質(zhì)量大的先落地正好與得到的結(jié)論相同。在進(jìn)行忽略空氣阻力的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)兩物理落地時(shí)間t1=t2，由此驗(yàn)證自由落體落地時(shí)間與質(zhì)量大小無(wú)關(guān)。物體做自由落體時(shí)，通過(guò)位移傳感器，傳感器接收端固定不動(dòng)，發(fā)射端做自由落體運(yùn)動(dòng)，由此記錄時(shí)間和位移。實(shí)驗(yàn)仿真有DIS（數(shù)字系統(tǒng)），通過(guò)DIS可以繪制出物體運(yùn)動(dòng)的v-t圖像、x-t圖像、a-t圖像。當(dāng)位移傳感器以速度大小v0彈射，v0大于0m/s根據(jù)DIS顯示其運(yùn)動(dòng)信息，此時(shí)物體初速度、末速度、加速度、位移都有準(zhǔn)確的量化。學(xué)生也可以根據(jù)表格自己計(jì)算結(jié)果，當(dāng)然實(shí)驗(yàn)也會(huì)存在誤差，例如有時(shí)候做仿真實(shí)驗(yàn)其加速度大小為10.12m/s2的情況。這是由于實(shí)驗(yàn)中傳感器未調(diào)零原因?qū)е拢@就要求學(xué)生要養(yǎng)成認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。當(dāng)物體落地后物體會(huì)反彈一定的高度，根據(jù)圖像也可以理解，如圖2所示。物體落地觸底反彈是一個(gè)豎直上拋的過(guò)程，由此可以拓展到豎直上拋運(yùn)動(dòng)。豎直上拋的位移大小與下落大小相等，根據(jù)圖2可知s2=s3、s4=s5。并且圖像也是對(duì)稱(chēng)的，其斜率的物理意義是加速度g=9.8m/s2是恒定不變的。在仿真實(shí)驗(yàn)中有運(yùn)動(dòng)過(guò)程，也有運(yùn)動(dòng)圖像的數(shù)據(jù)分析，這些對(duì)于學(xué)生的學(xué)習(xí)理解具有促進(jìn)作用。

3.3帶點(diǎn)粒子在磁場(chǎng)中的應(yīng)用

帶電粒子在磁場(chǎng)中的應(yīng)用中粒子運(yùn)動(dòng)過(guò)程較為復(fù)雜，很多學(xué)校對(duì)于演示實(shí)驗(yàn)洛倫茲力演示儀沒(méi)有展示實(shí)驗(yàn)過(guò)程。磁場(chǎng)這一節(jié)運(yùn)動(dòng)形式較為抽象，以質(zhì)譜儀為例粒子先進(jìn)入勻強(qiáng)電場(chǎng)對(duì)粒子進(jìn)行加速，加速完成后垂直射入勻強(qiáng)磁場(chǎng)，帶電粒子在洛倫茲力的作用下做勻速圓周運(yùn)動(dòng)進(jìn)行偏轉(zhuǎn)。通過(guò)測(cè)量粒子打在照相底片不同的地方，會(huì)形成若干譜線狀細(xì)線。粒子做圓周運(yùn)動(dòng)的半徑R，就可以求出粒子的比荷q/m，如果再已知帶電粒子的電荷量q，就可計(jì)算出粒子的質(zhì)量m，從而區(qū)分同位素。此時(shí)可以根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)測(cè)量出粒子的質(zhì)量。在實(shí)驗(yàn)中通過(guò)對(duì)比三個(gè)質(zhì)量不同的粒子可以看出粒子運(yùn)動(dòng)的快慢，運(yùn)動(dòng)慢的加速度小質(zhì)量大。粒子在電場(chǎng)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中可以看到粒子運(yùn)動(dòng)的速度逐漸變大，進(jìn)入磁場(chǎng)速度不發(fā)生變化。速度大小都是實(shí)時(shí)顯示的，根據(jù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程可以清晰看出質(zhì)量小的運(yùn)動(dòng)快的先打在距離入射點(diǎn)近一點(diǎn)的地方，質(zhì)量大的速度小的距離遠(yuǎn)一些。在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中可以看粒子速度方向和向心力方向是紅色運(yùn)行軌跡的一點(diǎn)上有兩條垂直的白線，一條是運(yùn)行方向一條是向心力方向。

4總結(jié)

將物理仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于高中物理課堂教學(xué)有利于提升學(xué)生探索物理的興趣，極大地調(diào)動(dòng)學(xué)生探索物理知識(shí)的積極性。仿真實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程省時(shí)、高效，仿真實(shí)驗(yàn)是對(duì)物理實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充，它彌補(bǔ)了傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)的短板，且不受環(huán)境以及實(shí)驗(yàn)儀器影響，在一些抽象實(shí)驗(yàn)或者實(shí)驗(yàn)效果并不明顯的實(shí)驗(yàn)中具有一定的優(yōu)勢(shì)。但是仿真實(shí)驗(yàn)僅僅是物理實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充，仿真實(shí)驗(yàn)不能取代物理實(shí)驗(yàn)。物理實(shí)驗(yàn)在進(jìn)行過(guò)程中因人為原因和外部因素影響具有較大誤差，仿真實(shí)驗(yàn)是理想狀態(tài)下的實(shí)驗(yàn)。作為物理實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充，仿真實(shí)驗(yàn)具體形象的特點(diǎn)對(duì)于老師提升物理教學(xué)水平、教學(xué)效率、提升學(xué)生核心素養(yǎng)具有重要的作用。高中物理教師應(yīng)深入研究仿真實(shí)驗(yàn)，擁抱21世紀(jì)電子信息技術(shù)的機(jī)遇，發(fā)揮仿真實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)，促進(jìn)物理教學(xué)能力的提升[5]。

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作者:李煥鵬 孫福玉 曹萬(wàn)蒼 單位:赤峰學(xué)院物理與智能制造工程學(xué)院