仿真物理实验在物理教学中的应用与实践

汤　淼

【摘　要】　物理实验的目的是让学生通过实践真正把握物理规律的真谛，学会运用实验方法去检验理论。而仿真物理实验则有效地创建了一个教师与学生之间沟通的交互平台，弥补了传统实验的不足，提高了课堂教学效率。于学生而言，可充分按照自己的想法去创设情景，构建自己的实验平台，增加学习的主动性和积极性；于教师而言，可更加有效地帮助学生形成概念、导出规律、掌握理论。

【关键词】　物理实验　教学效率　师生交互

一、设计背景

物理学是一门以实验为基础的科学。所有的物理知识，包括物理概念、定律和理论，都是在实验的基础上建立起来的。而我们绝大部分高中的物理实验教学中，其实验仪器往往由实验室技术人员提前备好，实验时由学生被动地按照规定好的步骤与方法进行，然后计算结果。即像照着菜单煮饭一样，学生按照教师安排好的程序和结构进行实验，为了使实验具有精确性，学生不能过于随意，不能有创造性。可见，我们对于学生独立探索的练习有欠缺，学生只是简单模拟，真正自己动脑动手较少，这样的教学理念与方法不利于学生创新性思维能力的培养。

而二期课改《物理课程标准》指出：“实验是物理课程改革的重要环节”。从课改理念来看，物理实验的目的不只是教学生使用各种仪器设备，也不仅是让学生学会一些实验的方法与手段，而是让学生在实验中既动手又动脑，通过实践真正把握物理规律的真谛，学会用实验方法去检验理论。因此，我们应该更加充分地了解到物理实验教学的作用和性质，在实验教学中树立更高的目标。

二、设计创意

针对上述现象，我在物理教学中引入了金华科仿真物理实验室这个软件。该软件最大的特点是提供了一个实验器具完备的综合性实验室，创建了一个为教师与学生之间沟通的交互平台，我们可以亲自动手创建所能想象的所有实验。

仿真物理实验室提供了运动对象，小球，弹簧，绳子，联杆，滑轨，电荷等实验器具；并集成了重力场，电场，磁场，万有引力，阻尼介质等实验环境。我们可以在任意组合的实验环境中，搭建自己的实验。从自由落体运动，平抛运动，到验证机械能守衡，验证动量守衡实验；从单摆，牛顿摆，到弹簧振子实验；从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，到粒子加速器，粒子速度选择器模型；从地球人造卫星，到太阳系的运行，仿真物理实验室都能够进行仿真。仿真物理实验克服了传统物理实验教学的弊端，促进了物理课堂教学模式的改革，推进了新课改的进程。

三、设计的实施

仿真物理实验室引入高中物理教学活动，可分三个阶段，具体实施过程如下。

1.第一阶段　软件操作的培训

该软件具有较强的交互性，可以自由创建实验和课件，创建工作非常简单，软件将物理定律全部内置，用户只需要设置一下实验的初始环境和参数，这使得在本软件中制作自己的实验变得非常的轻松和容易，只要花少量的时间就可以完成。并且可以随时更改实验的条件或参数，以满足实际的需要。

操作要点：培训时间一节课足够了，可以利用软件内置的物理案例作为教学演示，目的是激发学生学习的兴趣，学生感到实验中充满乐趣，在实验中享受快乐，在快乐中进行实验，浓厚的物理学习兴趣自然形成。

考虑到高一学生进入高中最早接触的是运动学，因此可选用软件中“追及情景模拟”作为演示更容易引起学生的共鸣。

同时，也建议将软件拷贝给学生，让他们有更多的时间去实践。

2.第二阶段　引入课堂教学

物理学是一门实验性很强的学科，实验几乎贯穿了物理学习的整个过程。在教师讲解了物理定律之后，演示一个相关的实验，既加深了学生对定律的理解，又可以增加物理课堂的趣味性。在讲解习题的同时，如果能在仿真物理实验室中建立一个习题所描述的物理模型，以逼真的动画辅助物理教师的精辟解析，触发学生的想象空间，相信这样的教学效果一定出众。

作为传统实验的补充和拓展，我利用仿真物理实验室，设计了一系列课件，用于课堂教学中。如运动学——“追及情景模拟”；物体的平衡——“平行四边形定则演示”“尖劈模型演示”；力矩平衡——“模拟力矩盘”；牛顿运动定律——“加速度与力和质量的关系”“超重和失重现象”；曲线运动——“平抛运动探究”“自行车的传动系统”；振动和波——“单摆运动探究”“机械波的形成”；功和能——“验证机械能守恒”；气体的性质——“各类压强计算的分析”；电场——“等势面和电场线”“带电粒子在电场中的偏转”；稳恒电路——“分压电路的设计”“最大输出功率问题”；磁场——“地球磁场的模拟”；电磁感应——“电磁阻尼现象”“切割地磁场的问题”；光学——“光的反射和折射”；天体、万有引力——“人造卫星模型”。

操作要点：

第一，仿真物理实验不能代替传统实验。只是对于受某些条件限制，不能满足教学要求的实验，或从实验直接获得的感性认识到需要学生理解掌握的规律之间的跨度较大的实验，我才会用仿真验予以补充。例如，“电路的设计”中要求小灯泡正常发光且最省电，利用仿真物理实验，学生可以清楚看到自己所设计电路各支路电流的走向和大小，小灯泡的电压和实际功率，可以方便的进行调节。即使超出量程灯泡烧毁，只要点一下修复便可继续进行实验。其便捷性是传统实验所不能比拟的。

第二，对于一些比较复杂的物理问题，利用仿真物理实验可建立起形象思维到抽象思维之间的桥梁，帮助学生解决分析理解上的困难。例如，追及问题是运动学中的一个难点，往往要讨论是否相遇，何时何地相遇，会相遇几次等问题。利用仿真物理实验做一个“追及情景模拟”的课件，学生可以自行设定相关的数据，验证得出结论。这样可以通过实验来获取知识，掌握探究学习的方法，在培养学生创新性思维能力上又前进了一步。

3.第三阶段　利用仿真物理实验室学生自主探究

对于正在学习物理的学生来说，仿真物理实验室是一个理想的兴趣培养工具和学习工具。亲自动手的体验，让学生对物理现象的印象更加深刻；对物理定律的理解不再枯燥。学生更可以用此软件仔细研究物理过程，设计实验去验证自己的设想，探索未知世界。

既然是自主探究，我还收集了部分学生探究的个案，如“卫星环绕地球的速度与其轨迹的关系”“弹簧振子的振动周期和哪些因素有关”“在运行电梯中的单摆周期会如何变化”“圆周运动的临界问题”“碰撞问题的研究”“非等量同、异种电荷的电场线和等势面”“斜抛问题的研究——有阻力情况下，仰角多少，射程最远”“滑动变阻器有效滑动问题”。

操作要点：要善于倾听每个学生的问题，再施加正确的引导，他就会在自主探究的道路上迈出坚实的一步。

例如，一堂电学的实验课中，学生小吴构建了一个限流式电路，结果发现移动滑动变阻器过程中电流几乎不变，直到最后阶段，电流变化异常剧烈。

小吴过来问我：“是不是滑动变阻器坏了。”

我回答：“滑动变阻器没有问题，你是不是选了最大阻值的那个滑动变阻器？”

“当然了，阻值越大，调节范围越广嘛。”

“不要急于下结论，我们还是利用仿真实验室来一探究竟吧。”

小吴很快构建好仿真电路，输入相关物理参数，结果在移动滑动变阻器的过程中，出现了和现实实验相同的情况。我继续引导他可利用仿真物理实验室的函数图像功能进一步探究I和Rp的关系。

小吴建立好函数图像后，又改变了几次Rp的阻值，得到以下结论：

当R远小于Rp时，由图像可知，曲线非常弯曲。且Rp越大，弯曲得越厉害。滑动变阻器变化的前一大半部分，电流在一个很小的范围内变化，滑动变阻器实际上对电流的调节作用不大，不便从电表上读取数据。滑动变阻器变化的后一小半部分，电流变化异常剧烈，这时的滑动变阻器不易控制，给调节带来很大困难。

“那Rp是不是越小越好呢？”我继续追问。

“我调整下参数看看。”小吴调整了R和Rp数值，又做了几组实验，得到：当R远大于Rp时，由图像可知，曲线接近直线，电流随变阻器滑片的滑动变化最均匀，但电流的可调节范围极小，这样将导致滑动变阻器有明显滑动，而电流却无显著变化，这时滑动变阻器对电流的调控作用不大，不便从电表上读取数据。

“那Rp到底什么值比较恰当？加油，你已经快揭开这个谜底了。”我继续鼓励小吴。

小吴也被吊起了兴趣，不断地调整R和Rp的参数。最终得出结论：当Rp跟R相差不多或Rp比R稍大时，避开了电压调节范围过小和调节精度过低的两种缺陷，故较为合适。

“相当不错，这就是电学中滑动变阻器有效滑动的问题。”我赞扬道，“你得到的这个结论能不能推广到其他电路中呢？比如常见的分压电路。”

“那我得回去研究一下，明天给你结论。”小吴兴冲冲地领下了这个任务。第二天，小吴带着他的实验报告过来了。

“考虑到分压电路主要用来调节待测电阻电压的，因此，我建立的是U和Rp的函数关系图像。”

结论：当R远小于Rp时，由图像可知，曲线非常弯曲。滑动变阻器变化前半部分，电压在一个很小的范围内变化，滑动变阻器实际上对电压的调节作用不大，不便从电表上读取数据。滑动变阻器变化的后半部分，电压变化异常剧烈，这时的滑动变阻器不易控制，给调节带来很大困难。

当R远大于Rp时，由图像可知，曲线接近直线，这时的电压随变阻器滑片的滑动变化的均匀程度很高，电压容易调控。

“不错，结论正确，不过我有一个问题你考虑下，实际操作过程中Rp是不是越小越好，一般取到什么值就可满足需要了？”

“这个倒没想过，让我考虑下。”

第三天，小吴过来告诉我：“我尝试了很多R和Rp的关系，通过下图像我发现当R=10Rp时曲线已非常接近直线了，Rp再小从电压调节角度来说意义不是很大。反而当Rp很小时，通过Rp的电流将远远大于负载R上的电流。电能主要消耗在变阻器上，这不是我们使用变阻器所希望的。”

“非常好，你已经圆满的解答了我提出的问题。”我赞许的看着小吴，看着他脸上洋溢着兴奋的神情。我想，这种探究带来的喜悦将会对他今后的学习带来更大的动力。

四、设计的成效

将仿真物理实验室引入物理教学，从教师的角度来说，弥补了传统实验的不足，提高了课堂教学效率。一些教学难点可以通过仿真物理实验室进行有效的突破。是物理教师的得力助手。

从学生的角度来说，仿真物理实验室的引入调动了他们学习好物理的主动性和积极性，能有效地帮助学生形成概念、导出规律、掌握理论。更重要的是学生可以按照自己的想法去创设情景，构建自己的实验平台。不再是简单的重复和模仿，种种新奇的思想和方案都可在仿真物理实验室中呈现出来，从上述学生自主探究的个案就可看出仿真物理实验室的确是培养学生创新性思维能力的有效途径。