仿真实验在高中物理实验的作用

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摘要：物理是以实验为基础的一门学科，仿真实验可以更直观、具体、形象地把实验过程和结果展示给学生。仿真实验是物理实验的补充和完善，它并不是要取代传统物理实验，它可以打破时间、空间的限制从而更加高效地促进教学的进行。通过这种方式可以提高学生学习物理的兴趣，帮助学生建构物理模型提升学生的物理核心素养。本文结合高中物理教学实践，对比物理实验的不足结合教学实例对仿真实验进行研究。探讨如何更好地提升高中学生学科素养。

关键词：物理实验；仿真实验；高中物理；核心素养

物理实验在物理教学过程中起着重要作用，通过物理实验帮助学生建构物理模型。由于传统实验受空间和时间因素的制约，仿真实验的优势正好可以弥补这些缺点。通过这样一种全新的方式，将课上枯燥乏味的物理现象通过仿真展现出来可以激发学生学习的积极性，提升高中物理教学的质量和效率。

1传统物理实验在高中课堂的现状

1.1物理实验的难度较大

物理学是以实验为基础的一门科学，《普通高中物理课程标准》明确了物理实验在高中课堂教学中的地位的重要性。新课程标准将科学探究和物理实验能力放在首要的位置[1]。由于初中物理实验现象简单、直观、清晰，学生易于理解。初中物理阶段只是培养学生学习物理兴趣，初中生对物理实验的认知是感性认识，分析问题也是简单的定性分析。但是高中阶段的物理实验往往比较抽象复杂，还有一些定量计算和数据处理，有时出现误差使得实验得到的结果有较大的出入。

1.2物理实验没有受到学校的重视

但是由于现实原因学校要参考学生考试成绩，很多学校并不注重物理实验，更有甚者学校不开设物理实验。这就导致了很多老师通过课堂讲解实验原理，严重阻碍了学生知识生成性的过程，失去了物理学科探究学习的灵魂。处于高中阶段的学生抽象思维不强，必须借助于具体、形象的实验现象帮助学生搭建抽象思维的桥梁[2]。

1.3物理实验在教学上不受重视

在平时教学过程中，很多教师也缺乏对实验的重视，觉得物理实验浪费时间，学生对物理实验有强烈的好奇心，由于学生有活泼好动的特点，不易于管理。学生若不遵守实验规定有可能出现安全事故，物理实验室也是应付检查时才启用。老师并没有意识到物理实验的重要性。因为老师觉得物理实验占用大量课上时间，因此选择课上讲解，做习题辅助理解。对于抽象的物理实验，老师选择播放实验视频以代替学生动手实验，使得物理课堂学习枯燥乏味[3]。有一些老师也让学生做实验，但是只是让学生按要求一步步操作，不给学生做原理讲解。综上所述，在长期应试教育大环境的影响下，学校、教师和学生都选择了只关注考试内容，在升学压力面前选择了妥协，使得物理教学方式偏离了原轨道。

2仿真实验在高中物理教学的优势

21世纪电子信息技术的快速发展给教育教学的发展带来了机遇，教育信息化也成为人们关注的热点之一。2018年颁布的《普通高中课程标准》[4]提出，积极探索信息技术与物理教学的融合，开发与利用多媒体来拓展物理教学与学习的途径。首先，保证绝大部分学生接触实验。在以往的物理实验有时出现器材短缺导致实验无法进行。仿真实验恰好打破这种限制，仿真实验保证了绝大多数学生都能参与整个实验过程。第二，满足学生的学习需求。例如，仿真软件NOBOOK可以对高中物理实验进行仿真，通过手机、平板、电脑实现且仿真界面生动形象。通过实验仿真培养了学生的学习乐趣，使得学生学习有积极性。第三，仿真实验将肉眼看不见的物理现象通过动画表现出来，比实验还要形象具体。例如，磁感线、电场线、等势面、电流等，动画将枯燥的实验变得生动利于学生物理模型建立和抽象思维的形成[5]。仿真实验也避免了危险事故的发生，更具有安全性。第四，不受空间的限制。例如打点计时器测瞬时速度实验，把打点计时器搬到教师进行实验比较麻烦，实验步骤也十分烦琐。实验结束后还要测量纸带等等。通过实验仿真快速搭建物理器材，实验结束后系统自动显示纸带相邻点距离，这既节省了时间也减小了人工测量纸带的误差。根据实验数据还可以绘制v-t图像进行分析。实验内容丰富并且形象，以NOBOOK物理实验的力学部分为例，力与运动提供了运动对象，轻绳、轻杆、弹簧、导轨、电荷等实验器材；各种场如重力场、电场、磁场、万有引力等实验环境。支持任意搭建实验场景，不但能够完成一些常规的实验如自由落体运动、平抛运动、验证机械能守恒、验证动量守恒实验，单摆、牛顿摆到弹簧振子实验，而且能够完成一些实验室不好完成的实验。如带电粒子在电场中的加速与偏转实验，带电粒子在磁场中的圆周运动、粒子加速器、粒子速度选择器模型等，还有地球人造卫星、太阳系的运行等，既涵盖了传统实验内容，又可以做传统实验不能实现的内容。

3仿真实验在高中物理课堂应用

3.1斜面物体的受力分析

仿真实验可以辅助高中物理实验教学，学生利用仿真实验使学习效率提高。如图1所示，对小球进行受力分析，应用物理仿真软件NOBOOK进行仿真。在物理学习过程中对于刚刚接触受力分析的高一学生来说，解题困难点比较多。初中阶段的受力分析只接触过受力方向只在一条直线上的二力平衡的问题。从初中跨越到高中对于矢量概念理解不到位，仅依靠自己的经验和感性认识进行受力分析，对于物体受到几个力才能保持平衡状态的判断比较模糊。在此阶段正是建立物理模型的关键时机，因此仿真实验利于学生对物理模型的建立和抽象思维的形成。根据仿真软件NOBOOK可以清晰地看出弹力方向以及大小，通过改变挡板的角度可以看到挡板对小球弹力的方向发生了变化，大小也发生了变化。由此形象地看出弹力是垂直于接触面的，这样的动画可以形象的模拟真实的受力。因传统实验是看不出弹力、重力方向和大小，所以这种仿真易于学生理解接受。

3.2自由落体运动的仿真应用

以匀加速直线运动为例，进入高中阶段的物理学习，先学习了机械运动的概念。初中只学习了匀速直线运动，进入高中后很多学生不理解匀加速直线运动过程。例如，一个物体以初速度v=10m/s，加速度为a=5m/s2匀加速运动，等到速度为0m/s时，反向匀加速直线运动，问什么时刻速度为0m/s，5s末位移是多少？对于这种学生对运动过程十分清晰的问题，可以直接套用公式求解出答案。但是对刚进入高中学习的学生还是沿用初中物理解决问题的方式，学生不理解过程直接套用物理公式的方法，用初中学习物理的方法去学习高中物理是行不通的。但是，根据高中物理实验仿真工具可以模拟整个过程，而且还可以绘制出此过程的v－t图像，根据图像可以观察图像面积，斜率等信息描述运动过程中的位移和加速的信息。下面结合着虚拟物理仿真软件对物体的自由落体进行分析。若取重力加速度g＝9.8m/s2，首先进行新课导入，亚里士多德观点认为物体越重的物体下降越快，例如石头和棉花在相同高度同时释放，实验结果是石头先落地。此时老师可以用演示实验给学生展示纸和粉笔看看哪个先落地，然后老师提出假设认为因为粉笔比纸重因此先落地。通过测量粉笔的质量为5g纸张和质量为3g，将纸和粉笔固定在一起后对比5g的粉笔。经过试验发现5g粉笔先落地了这一点和亚里士多德的想法正好是矛盾的，伽利略推翻了亚里士多德观点。他认为两物体在做自由落体的时候应该是同时落地的，此时同学们产生了疑惑。因为现实条件找不出实例，老师可以用两张A4纸，一张纸捏成纸团另一张纸对折。两物体在相同高度静止释放，发现纸团先落地。细心的同学发现对折的纸“飘来飘去”由此有的同学可以想到是空气阻力的影响作用。然后正好也是伽利略的观点，实验如果要验证必须需要一个真空环境，这时候可以用NOBOOK仿真实验加以验证。在仿真实验中加入空气阻力的影响，选择相同体积不同质量的物体。先进行第一组实验m=0.6kg记录落地时间t1，接下来进行第二组实验m=0.06kg记录物理落地时间t2发现质量大的先落地正好与得到的结论相同。在进行忽略空气阻力的实验发现两物理落地时间t1=t2，由此验证自由落体落地时间与质量大小无关。物体做自由落体时，通过位移传感器，传感器接收端固定不动，发射端做自由落体运动，由此记录时间和位移。实验仿真有DIS（数字系统），通过DIS可以绘制出物体运动的v-t图像、x-t图像、a-t图像。当位移传感器以速度大小v0弹射，v0大于0m/s根据DIS显示其运动信息，此时物体初速度、末速度、加速度、位移都有准确的量化。学生也可以根据表格自己计算结果，当然实验也会存在误差，例如有时候做仿真实验其加速度大小为10.12m/s2的情况。这是由于实验中传感器未调零原因导致，这就要求学生要养成认真严谨的科学态度。当物体落地后物体会反弹一定的高度，根据图像也可以理解，如图2所示。物体落地触底反弹是一个竖直上抛的过程，由此可以拓展到竖直上抛运动。竖直上抛的位移大小与下落大小相等，根据图2可知s2=s3、s4=s5。并且图像也是对称的，其斜率的物理意义是加速度g=9.8m/s2是恒定不变的。在仿真实验中有运动过程，也有运动图像的数据分析，这些对于学生的学习理解具有促进作用。

3.3带点粒子在磁场中的应用

带电粒子在磁场中的应用中粒子运动过程较为复杂，很多学校对于演示实验洛伦兹力演示仪没有展示实验过程。磁场这一节运动形式较为抽象，以质谱仪为例粒子先进入匀强电场对粒子进行加速，加速完成后垂直射入匀强磁场，带电粒子在洛伦兹力的作用下做匀速圆周运动进行偏转。通过测量粒子打在照相底片不同的地方，会形成若干谱线状细线。粒子做圆周运动的半径R，就可以求出粒子的比荷q/m，如果再已知带电粒子的电荷量q，就可计算出粒子的质量m，从而区分同位素。此时可以根据仿真实验测量出粒子的质量。在实验中通过对比三个质量不同的粒子可以看出粒子运动的快慢，运动慢的加速度小质量大。粒子在电场运动过程中可以看到粒子运动的速度逐渐变大，进入磁场速度不发生变化。速度大小都是实时显示的，根据运动过程可以清晰看出质量小的运动快的先打在距离入射点近一点的地方，质量大的速度小的距离远一些。在运动过程中可以看粒子速度方向和向心力方向是红色运行轨迹的一点上有两条垂直的白线，一条是运行方向一条是向心力方向。

4总结

将物理仿真实验应用于高中物理课堂教学有利于提升学生探索物理的兴趣，极大地调动学生探索物理知识的积极性。仿真实验操作过程省时、高效，仿真实验是对物理实验的补充，它弥补了传统物理实验的短板，且不受环境以及实验仪器影响，在一些抽象实验或者实验效果并不明显的实验中具有一定的优势。但是仿真实验仅仅是物理实验的补充，仿真实验不能取代物理实验。物理实验在进行过程中因人为原因和外部因素影响具有较大误差，仿真实验是理想状态下的实验。作为物理实验的补充，仿真实验具体形象的特点对于老师提升物理教学水平、教学效率、提升学生核心素养具有重要的作用。高中物理教师应深入研究仿真实验，拥抱21世纪电子信息技术的机遇，发挥仿真实验的优势，促进物理教学能力的提升[5]。

参考文献：

〔1〕辛明洁.高中物理演示实验现状调查和改进措施[D].河南师范大学,2017.

〔2〕周朝敏.新课程理念下高中物理抽象思维能力培养研究[D].东北师范大学,2010.

〔3〕刘勇博.高中物理实验教学的现状及对策[J].学周刊,2021，15(02):35-36.

〔4〕中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准[M].北京：人民教育出版社,2018.

〔5〕施正华.仿真实验在高中物理实验教学中的应用研究[J].成才之路,2019，21(14):62.

作者：李焕鹏 孙福玉 曹万苍 单位：赤峰学院 物理与智能制造工程学院