高中物理学科中的实验教学方法研究

高中物理学科中的实验教学方法研究

李淳熙

  西南大学物理科学与技术学院  400715

摘要：文章首先分析了虚拟仿真实验在高中物理教学中的三大优势——安全性、交互性和直观性，详细阐述了这三方面如何促进学生学习。其次，文章从培养教师、设计教学流程、动态展示以及数据可视化四个方面提出了有效融入虚拟仿真实验的策略，强调教师要紧扣教学目标，与课程内容结合，采取“仿真示范+学生动手”的模式，以发挥虚拟仿真实验的最大效用。具体案例阐明了这些策略的应用，对高中物理教学改革具有一定的参考价值。

关键词：高中物理教学；虚拟仿真实验

引导语：随着信息技术的发展，虚拟仿真实验逐渐应用于高中物理教学中。相较传统教学，虚拟仿真实验具有安全性强、交互性高、直观性好的优势，可以有效激发学生的学习兴趣，帮助理解抽象的物理概念。但是如何有效地将虚拟仿真实验融入高中物理教学是一个值得探讨的问题。

一、仿真实验在高中物理教学中的优势

1.安全性

仿真实验提供了一个虚拟的实验环境，学生在其中可以进行各种实验操作而不必担心安全问题。这对于涉及高风险或高成本的实验特别有利，如涉及高压、高温、有毒物质或昂贵设备的实验。仿真实验可以大大降低实验过程中的安全隐患，让学生可以放心地探索和验证各种物理概念，不必担心操作不当而导致的事故。同时，一些需要特殊操作技能的实验也可以通过仿真实现，降低了对学生操作技能的要求。总之，仿真实验为学生提供了一个安全可控的虚拟环境，让他们可以自由地设计和完成各种高风险或高难度的实验，充分发挥创造力和探究精神，而不必过多考虑安全问题的限制。

2.交互性

仿真实验通常配备有用户友好的界面和交互工具，使得学生可以轻松地探索不同的实验条件和参数。这种交互性鼓励学生进行实验设计和创新，培养他们的科学探究能力。仿真实验软件提供了丰富的交互功能，学生可以通过拖拽、点击等简单操作来选择实验设备，设定实验参数，构建自己的虚拟实验平台。在这个过程中，学生不仅巩固了课本知识，更可以根据自己的想法自由组合不同的实验装置，调整各种变量参数，观察其对实验结果的影响。这种高度的交互性极大激发了学生的学习兴趣，让他们感受到主动探究知识的乐趣。与被动进行教师预设实验不同，仿真实验赋予了学生更多自主权，使他们成为实验的“主人”，培养实验设计和创新能力。

3.可视化和直观性

仿真实验通过三维图形和动画来展示实验过程和结果，使得学生可以直观地理解物理现象和原理。这种可视化和直观性有助于加深学生对物理概念的理解，提高他们的学习效果。仿真实验软件利用计算机强大的图像处理能力，可以将抽象的物理过程可视化地呈现出来，以三维模型或动画的形式模拟实验装置的运行，直观地展示出各种物理量之间的关系。学生可以通过多角度、多视点来观察实验过程，重复播放动画以加深理解。这种虚拟仿真使一些肉眼难以观测的微观物理过程“可见”化，一些复杂的三维物理过程以简单直观的方式呈现，大大减少了学生的认知负荷。与静态的二维图片相比，动态的三维可视化更符合高中学生的认知特点，让枯燥的物理概念“活”了起来，使学生容易产生兴趣，从而达到事半功倍的学习效果。

二、在高中物理教学中融入虚拟仿真实验的有效策略

1、培养教师，规划合理教学流程

教师应该在明确物理实验教学目标的指导下，采取“仿真示范+学生动手”的教学模式，将仿真实验与传统实验课堂有机结合，这是保证物理实验教学成功的关键。为了提高教学效果，达成教学目标，教师可以通过仿真演示让学生了解实验要点，再组织学生亲自动手实际操作，这样可以充分发挥各种教学手段的优势，增强学生的学习体验。如在学完运动学章节后，教师可以设置“不同质量下自由落体运动的实验”（如图1）。让学生提出假设，然后通过自制落体装置，测试不同质量小球从同一高度落下时的运动规律，这可以拓展学生对质量与落体运动的关系的思考。如人教版必修2第六章热学中的“测量铝热容”实验，教师可以让学生先阅读参考资料，设计实验方案，然后在教师指导下完成实验并总结经验。这样，可以充分调动学生学习兴趣，达到预期教学效果。

图1：自由落体运动

2、动态展示，辅助学生理解过程

高中生正处于抽象思维发展阶段，对于简单的匀速直线运动还能通过抽象思维进行概念思考，但对于路径复杂、运动状态多变的物体运动，学生往往难以通过抽象想象构建完整的运动过程模型。这就需要物理力学实验能够完整模拟物体的各种运动状态。利用虚拟仿真实验软件，教师可以预设精确的力学计算公式和初始数据，构建一个虚拟的物理环境，全面模拟物体在不同条件下的运动轨迹和状态变化。实时为学生呈现物体运动的微观细节。学生可以根据自己的思维逻辑和问题，要求教师修改仿真参数，来观察运动规律的变化，加深对理论知识的理解。如仿真展示牛顿运动三定律的虚拟实验（如图2），设计一个虚拟实验场景，包含不同质量的实验小车，和多种弹簧。场景中有计时器可以测量时间，有位移感应器可以测量位移。牛顿第一定律-静止的定律。在没有外力作用下，保持实验小车静止，展示其保持静止状态。牛顿第二定律-运动定律。施加不同大小的力到实验小车上，通过观察实验小车的加速度变化，展示力与质量和加速度之间的关系。牛顿第三定律-互动定律。准备两辆质量不同的实验小车，它们之间连接一个弹簧。当一辆小车向前推时，记录另一辆小车的位移，展示作用力和反作用力大小相等，方向相反的规律。教师可以根据学生的问题，实时调整虚拟实验的参数，观察物理规律，深入理解牛顿运动三定律。学生也可以在教师指导下，自己设计虚拟实验场景和过程，体会牛顿三定律。这样的虚拟仿真展示，既直观又互动，可以充分激发学生的积极思考，帮助其深入理解抽象的物理规律。

图2：牛顿运动三定律的虚拟实验

3、数据可视，帮助学生知识拓展

高中物理学习要求学生具备较强的定量分析能力，学习重心已从直观观察生活现象，转向根据定律推理模拟一般性运动过程。教师应将虚拟仿真实验引入教学中。仿真实验可以将书本中的复杂定律和数据，通过动态仿真的方式直观可视化。学生可以看到参数变化对应物体运动状态的微观细节。这样可以减轻学生学习的认知负担，帮助他们从现象中观察规律，再回过头用规律解释现象，逐步掌握物理分析方法。虚拟仿真为学生提供了从具体到抽象，循序渐进建构物理思维的途径。以使用弹球进行动量守恒虚拟仿真实验的过程（图3）：首先建立虚拟实验场景，包含一个静止的弹球A和一个运动的弹球B。然后设置弹球B的初速度v0，使其与静止的弹球A发生弹性碰撞。在仿真软件中，设置碰撞前弹球B的动量为p0=m*v0(m为弹球质量)。运行虚拟仿真，观察碰撞过程。由于动量守恒，碰撞后弹球B速度变为v1，弹球A获得速度v2。测量碰撞后两球的速度，计算弹球B的动量p1=mv1，弹球A的动量p2=mv2。比较碰撞前后两球动量之和，可以看出满足动量守恒定理，即p0=p1+p2。最后重复实验，改变弹球B的初速度，观察碰撞前后动量守恒定理成立。学生可以在教师指导下，设计不同的参数，观察碰撞前后动量守恒。通过虚拟仿真的动态可视化过程，能加深学生对动量守恒定理的理解，培养动手能力。

图3：动量守恒虚拟仿真实验

结束语：虚拟仿真实验为高中物理教学提供了新的手段与途径。但核心仍在于教师如何正确运用，与传统教学手段有机结合，以促进学生主动学习和能力提高。这需要教师认真研究设计，才能发挥虚拟仿真实验的最大效益。

参考文献：

[1]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.

[2]靳秀善. 仿真实验辅助高中物理实验教学的实践 [J]. 天津教育， 2023， (15): 123-125.

[3]吴文通. 仿真实验在高中物理教学中的应用探析 [J]. 成才之路， 2023， (04): 97-100.