仿真实验助力高中物理实验教学智慧化进程

■ 西北农林科技大学附属中学 肖 媛

自2018年《教育信息化2.0行动计划》指导文件发布以来,中小学的课堂教学开始快步进入智慧化时代,依托互联网技术、大数据统计,我们的课堂开始有机会从一对多的集中式教学开始转变为个性化差异化更具针对性的教学模式。在这一大趋势下,我们的高中物理课堂也必须紧跟潮流,适应变化。

物理作为一门以实验为基础的学科,实验教学在高中物理教学中的地位自是不言而喻。过去20年我们的实验教学多采用实物实验的方式,而实际操作过程中常常“实验结果不遂人愿”,意外频发。近年来,以DIS为代表的一系列数字化实验走入课堂,这一套依托传感器的实验装置实现了更精准的实验结果测量,但同时由于造价高昂,难以实现每个学生的实验梦想,不利于在大班额的情况下进行推广。而随着平板教学的大面积铺开,为个性化仿真实验的实现提供了硬件基础；越来越多的仿真软件的涌现,则为学生的个性化参与提供了软件支撑,那么,如何用好这些软件,提升物理实验教学效率,则是摆在笔者面前的一大问题,下面分享笔者的一些实践经验,仅供同行参考。

1 “物理实验场”助力课标实验理解

“物理实验场”是济南博智教育科技有限公司出品的一款仿真软件,它内嵌的实验基于教材顺序编排,截至2021年10月,高中物理人教版部分共有实验71个,实验数目在同类软件中一骑绝尘,在高中物理仿真实验的丰富度、完整性上具有极大优势。鉴于目前学生平板内存容量和软件管理问题,如果平板中只能放置一个实验软件,那这一位置一定属于“物理实验场”。

以人教版3-5《光电效应》的教学为例,教材编排上这是一节典型的由实验导出规律的新授课,但实际由于紫外线灯使用不当容易发生风险,实际这一实验要么由老师进行演示,要么则由观看视频的方式进行替代,这极大地影响了教室后排的同学对实验现象的观察。而采用仿真实验,则让每个学生在保证安全的提前下,都能通过亲手操作看到清晰实验现象；同时避免了电路连接错误,线路接触不良等问题的发生,让学生的注意力全部集中于核心规律的理解上,提高课堂效率。

再比如在讲解必修二《宇宙航行》时,让学生进行“太空飞船发射和接收”模块的仿真,这是课堂实物实验不可能涉及的内容,仿真实验很好地填补了这一空白,同时又比视频演示来的互动性更强,学生的参与度更高。类似的,在选修3-1带电粒子在磁场中的运动的应用教学中,可以让学生进行“回旋加速器”的仿真,从而通过肉眼直观地看到带电粒子在回旋加速器中的运动轨迹,从而为由运动推导受力、磁场变化做好铺垫。

2 “物理实验室”辅助课外实验拓展

“物理实验室”由厂家TurtleSimLLC发布,包括电学、天体物理、电与磁三个部分,该软件最出色的在于其电学部分的设计。以电池、灯泡、开关、电流电压表等中学常见17种器材为基础,搭配发光二极管、通电螺线管、电铃等10种演示器材,就可以100%的复现全部中学阶段的电学实验。此外,理想变压器、正弦波发生器等20种模拟电路器件,空气开关、保险丝等8种家庭电路器件和与或非门等24种逻辑电路元器件则为学有余力的同学提供了更多探索的可能,为学生创造性的进行电路设计扫清了障碍。

例如在进行《串联电路和并联电路》的理论教学时,学生第一次接触分压式电路,很多同学对于滑动变阻器锄头如何连接,什么是“两下一上”的连接方式缺乏直观感知,不能理解和滑动变阻器限流式接法的差异,无法将电路图和实物图有效联系起来,这时安排学生按照电路图在软件中进行仿真练习,学生可以自主将滑动变阻器放大,仔细观察其结构,就能在保证仪器安全性的情况下,帮助学生理解电路中的电流、电压变化规律,同时也是为下一步的实物实验打下基础。

在学生学完3-2传感器部分后,则可以基于该软件,鼓励学生对火灾报警器、感应灯的电路进行验证,体会物理理论在实际生活中的应用。也可以进一步挖掘学生潜力,鼓励学生结合电路和传感器知识,以个人或小组的方式进行电路设计,并在课堂上进行展示分享,真正实现学以致用。

此外,软件中的电磁部分则以正负电荷、条形磁铁等7个简单器件为我们解决复杂问题提供了新思路。比如2015江苏卷第8题,让学生根据两个相同的负电荷和一个正电荷附近的电场线判断场强和电势高低,该题题目已经给出电场线分布情况,所以学生不难作答。但如果在日后的题目变式中,抹去电场线的分布,而该图像又不属于常规类型,学生就容易不知从何下手,这时在日常练习中利用软件进行模拟就显得尤为重要了。

3 “吃掉物理”构建知识和实验桥梁

“吃掉物理”由东北师大理想软件股份有限公司开发,目前仅包含人教版必修一四个章节内容,但其精致的演示画面,和实验紧密结合的知识点微课、精选的课后习题都为其在平板教学中的应用获得了独特优势。

例如在《力的合成》的教学中,在“先教师讲授——再学生实验探究”的教材模式之外,基于软件教师多了一种“学生先观看微课——再自主仿真——教师小结点拨——学生配套习题练习”的教学方式。毫无疑问,后者比前者在学生参与时间、参与环节上都更具优势,后者充分给学生放权,有助于实现学生的个性化学习。

4 “虚拟实验”提升实验复习的趣味性

深圳市征铭科技有限公司开发的“虚拟实验”软件目前高中物理部分仅包含“用打点计时器测速度”和探究“弹力和弹簧伸长量的关系”两个实验,但论仿真实验的精良程度,可谓“小而美”的典范。该软件提供单人练习和同伴对战两种模式,以选择和实际操作两种提问方式帮助学生明确实验目的、理解实验原理、强调实验过程和注意事项,并最终总结结论。每一个问题都有对应的分数,学生答对得分,答错扣分并可以再次作答,最终学生可以根据分数了解自己对实验的掌握情况。当然,正如一枚硬币有两面,提问的形式既增加了实验的趣味性和竞争性,但同时也决定了这并不是一款适用于新课教学的软件,而只能用于课后的巩固复习。教师可以在完成相关新课教学后,将“虚拟实验”以作业的方式下发到平板上,学生完成后可以分数截图上传,以供教师了解学生的掌握情况。

5 基于平板的学生个人仿真实验利弊分析

当然,除了上述提到的软件外,希沃白板、一些flash动画也都可以实现物理实验仿真,在此不再赘述。总的来看,仿真实验相比传统实验具有许多不可比拟的优势。

第一,仿真实验安全性高。特别是电学实验部分,在传统实物实验中,打点计时器需要和220家用电源相连,为了保证学生绝对的人身安全,教师对于用电的安全提醒往往是三令五申,但仍然提心吊胆,而仿真实验则从源头上杜绝了这一安全隐患。同时,也减少了实验器材的损坏情况,在过往的测定小灯泡的伏安特性曲线的实验中,学生由于连线错误,开关未断开等原因,烧毁小灯泡的情况时有发生,而仿真实验中的烧毁则不会造成任何实际的实验器材损耗。

第二,仿真实验可以让学生的注意力集中在规律探索、新课教学中,减少次要因素的干扰。仍以小灯泡的伏安特性曲线实验为例,在正确连接电路图的情况下,理论上学生应该看到随着滑动变阻器阻值的改变,加载小灯泡两端的电压和流经小灯泡的电流同时增大或减小,但学生在实物操作过程中,经常会由于导线和接线柱接触不良、小灯泡烧坏等原因常常无法看到预期现象,这时学生会需要花费大量的时间精力来查找故障原因,极大的干扰了对核心内容的学习理解。

第三,仿真实验提升了学生实验的参与度。一方面传统实验限于实验器材有限,往往需要学生两三个人为一组,这时难免会出现兴趣足的同学主导完成实验,其他同学干瞪眼不作为的情况；而仿真实验则在人手一台的平板上完成,实现了实验机会的人人平等。另一方面,仿真实验并不需要专门的实验室,摆脱了场地的限制,使得教师可以更加随心所欲地借助平板随时在课堂、在课后开展实验,让学生拥有了更多动手实验的机会。

第四,仿真实验将传统实验的不可能为变为可能。大到月球地球所处的宇宙空间,小到质子电子等微观粒子,都可以进行仿真；通过仿真,学生可以把遥远的空间拉到近在咫尺,可以把微粒尘埃扩展到肉眼可见,依托信息化技术,教育的广度深度得到了进一步扩展。

当然,仿真软件也并不是万灵药,在使用的过程中也逐渐暴露出一些问题。首先不可回避的是仿真软件的使用是有学习成本的,比如“物理实验室”中如何将放歪的元件摆放规整,如何查看器件的参数,如何调整实验观察的视角,这些在实物实验中只要动动手指、转个身体就能完成操作,在仿真环境下却需要时间来试错学习,这无疑是给学习新知的学生制造了额外的理解门槛。其次必须承认,限于客观条件,很多仿真软件在使用时存在卡顿延时问题,一些实验操作步骤设计得过于死板,读数时精确位数不对等知识性漏洞,这些都需要软件开发者能多与一线教师交流,进一步优化完善。

综上所述,仿真实验是助力高中物理实验教学的有效手段,是推进高中物理课堂智慧化的重要助力,只有扬长避短、恰如其分的使用才能实现课堂效率的最大化。