仿真实验在高中物理教学中的应用探析

吴文通

摘要：部分高中学校物理实验资源匮乏，这限制了物理实验教学的开展，也不利于学生物理兴趣和物理能力的提升。针对这一问题，文章分析高中物理实验教学存在的问题，从物理仿真实验的优势、软件依托、应用方式等方面提出仿真实验在高中物理教学中的应用思路，并从培养教师系统应用能力、设置明确的教学目标、规划合理的教学流程、注重教学细节的实现、进行有效的知识拓展等方面，对基于仿真实验的高中物理高效课堂构建策略进行探究。

关键词：高中物理；仿真实验；仿真系统；教学策略

中图分类号：G633.7文献标志码：A文章编号：1008-3561（2023）04-0097-04

物理实验是物理学科的重要根基，其能将物理知识与实际生活中的物理现象有效联系起来，从而帮助学生深刻理解相关物理知识。然而，当前高中物理实验教学仍面临一些难题，如实验室、实验器材不足等，这使得部分物理实验难以真正开展。因此，应用信息技术手段对部分高中物理实验进行仿真教学具有一定的可行性和必要性。下面，笔者结合教学实践，从几个方面对仿真实验在高中物理教学中的应用策略进行探讨，以期给相关教学带来参考。

一、高中物理实验教学存在的问题

高中阶段开展物理实验教学是新课标的一项重要要求，物理实验也是学生了解物理知识、掌握物理理论和应用方法的重要途径。近年来，越来越多的学校开始重视物理实验教学，并在物理实验室建设、物理实验课程顺利开展、物理实验兴趣小组组建等方面取得了一定的成绩。然而，部分高中学校的物理实验教学仍然存在一些问题，亟待解决。

1.物理实验资源不足

物理实验需要依托专业实验室和专业实验器材，对实验室教师也有较高的要求，这就需要学校投入大量的资金建设专业实验室，购买专业实验器材，并投入较多的精力培养实验室教师。这对于部分学校来说，具有一定的资金压力，难以实现，因此部分学校的物理实验课程难以顺利开展。还有部分学校虽然建有实验室，但只有一间，这难以满足所有学生的学习需求，因此不同班级的学生不得不通过紧张的排课才能在有限的时间内进入实验室进行物理实验课程的学习，这使得物理实验课程课时严重不足，学生进入实验室学习的时间难以保证，从而导致部分物理实验教学流于形式，难以真正对学生的物理知识增加及物理能力提高贡献力量。另外，受到物理实验资源不足的限制，很多时候学生学习完物理理论知识很长时间后才能进行相关实验的学习，这导致原有的物理课程教学计划被打乱，物理实验与物理理论之间的联系被切断，难以形成有效的教学配合，这不仅不利于联合教学效应的形成，还可能会增加学生的课业负担。

2.物理实验缺乏灵活性

受限于实验资源，部分高中物理实验只能通过定制教具的方式进行。此种方式虽然能够缩短教学准备时间，也能降低物理实验的开展难度，但是也让物理实验教学受到了限制。这种限制主要表现在以下两个方面：一是物理实验教学仅能根据教材与书本中的要求开展其中的一种或几种，无法对课外实验进行有效的实现，这使得物理实验在内容上相对匮乏，在吸引力上也存在一定的限制。二是在物理实验进行过程中，教师无法对参数进行有效的调整，仅能按照书本内容进行有效的几项操作，这失去了通过实验探寻物理规律的基本功能。上述两方面使得部分学校的物理实验教学流于形式，学生仅仅是按照操作说明“走一遍”实验流程，難以通过实验学习达成探索目标，收获十分有限。例如，在欧姆定律的实验教学过程中，部分学校的实验室仅能提供教材中给定的实验器材，学生按照实验流程对电路进行连接后只能在有限的选择内进行极少的参数调整，由于缺少探索与自主设计实验的过程，实验教学流程单一、过程枯燥、结果难以理想。

3.实验室开放程度不足

高中物理实验教学除了受到物理实验资源不足等客观条件限制外，还受到实验室开放程度的影响。究其原因主要包括以下两方面。一方面，部分物理实验存在一定的危险性，可能带来高温烫伤、触电等风险，因此学生必须在教师的引导和监督下才能开展相关实验活动。另一方面，物理实验材料存在一定的损耗性，为了减少损耗，在多数学校中，物理实验室在没有教学任务时都是“大门紧锁”的状态。以上两方面原因使得高中物理实验室在开放性上存在明显不足，这给物理兴趣小组开展物理实践探索活动带来了一定的阻碍，使得物理兴趣小组难以真正发挥出带动学生物理学习的作用。

二、仿真实验在高中物理教学中的应用思路

1.物理仿真实验的优势

传统物理实验教学受到各种主客观条件限制，存在诸多的问题，导致教学效果并不理想。利用仿真系统开展物理实验，具有如下几方面优势。

（1）可复制性。物理实验仿真系统在构建过程中需要教师及其他专业人员投入较多的工作量。但是，其一旦建成就可以作为一种电子资源，在几乎无限的空间和时间范围内进行复制和应用，而复制应用的成本几乎为零。另外，仿真系统的电子数据在实际交流中具有极大的优势，部分经典实验或优秀案例可以在一定范围内共享，这进一步提高了系统的可复制性及交流共享性。

（2）成本可控。在构建物理实验仿真系统过程中，学校仅需要进行相关软件的购买，以及对相关教师进行培训，所需要投入的成本相较于建设实体物理实验室要低得多。而且，仿真系统除了必要的升级外，几乎不需要任何后续的运营与养护费用，这进一步实现了对实验教学成本的控制。另外，经过多年信息化改革，信息化、数字化课堂在教育系统中的建设已初见成效，如电子黑板、计算机系统等已成为课堂教学的“标配”，在此条件下引入物理实验仿真系统并不会造成额外的成本增加与投入。

（3）应用更为灵活。仿真系统是通过计算机对物理现象进行模拟，其中涉及的物理参数与常量均可以进行自由调节，可以在十分便利的情况下对物理实验的影响因素进行控制。如在碰撞实验的设计中，教师可以通过简单的输入调节碰撞质点的具体质量、方向等，从而使物理实验结果更为丰富，更有助于学生对实验现象的观察。另外，仿真系统还可以对现实条件下无法实现的物理环境进行模拟，如对重力进行调节、构建真空环境、设定绝对光滑平面等，这极大地拓展了物理实验的可能性，使得实验范围更大。

（4）可随堂开展。利用仿真系统展示物理实验现象，不需要进行特定的场地和课时安排，教师可以根据教学内容灵活地安排对应实验，让学生随堂观察。这样，物理实验不再是单独的教学内容，而是能够与理论教学内容紧密联合的一种教学手段。教师通过仿真系统让学生对实验现象进行观察，并引导学生从中发现可能存在的物理学规律，再通过总结、升华、练习等方式强化学生对物理知识的认知，这不但可以增强物理课堂吸引力，还可以提升学生物理学习效果。

2.物理仿真实验的软件依托

物理仿真实验系统的实现需要依托具有物理引擎功能的专业软件。在当下软件市场中，适合作为物理仿真实验的软件主要包括两类，即专项仿真软件与广谱仿真平台。

（1）专项仿真软件。专项仿真软件主要指针对物理实验而专项开发的专业仿真平台。由于平台是专门为物理实验教学而开发的，因此应用中存在较多的模板与案例，这客观上可以降低教师的应用难度，有助于教师在教学中快速进行部署与应用。例如，LABX实验系统是电子黑板数字化教学系统的配套软件，软件中包含了高中物理各阶段的全部实验内容与结果演示。教师在应用LABX实验系统进行实验教学时，仅需要在系统内对给定的参数进行设置便可以进行实验展示，应用十分便捷。

（2）广谱仿真平台。广谱仿真平台主要指提供范式仿真功能的专业软件，如3DS Max、Matlab等。广谱仿真平台功能强大，在仿真情况下，其不仅能呈现高中教材中的全部实验，还能为微电子、复杂电路、单片机等多个方面提供有效支持。但是，广谱仿真平台需要教师按照课堂内容自主搭建仿真程序，这对教师的编程、仿真以及计算机应用能力具有较高的要求。如利用Matlab仿真系统对电学实验进行仿真教学时，教师要调用不同的电学软件构建仿真电路，再通过模拟输入获得模拟输出结果的方式对实验进行观察，这对教师来说具有一定的难度。

3.物理仿真实验在课堂教学中的应用方式

教师在将仿真系统引入具体的教学过程中时，可以按照专项物理实验应用和课堂教学应用两个思路进行相关教学内容的构建。

（1）专项物理实验应用。教师可采用独立的课时组织学生对仿真的物理实验进行操作，对实验结果进行观察与分析。在此种教学应用过程中，教师可将教学重点放在仿真的过程上，如对各种参数的设定、不同参数对实验结果的影响，以及影响背后的物理学规律等。这种方式的教学不但能够有效缩短物理实验准备时间，还能够带领学生回顾相关知识，可以让学生对相关知识的理解更透彻，对相关知识点的掌握更深入。例如，在“自由落体”实验教学中，教师可以在现实物理实验的基础上，通过改变重力，探讨自由落体速度变化与重力之间的关系。

（2）课堂教学应用。仿真系统在物理课堂教学中的应用重点在于通过较低的课堂时间占比，将物理实验融入到课堂教学的基本环节中。在实际教学中，仿真物理实验可以作为课程知识点引入，也可以作为具体知识点的总结而存在，教师的教学重点应集中在实验现象与实验结果上。如进行带电粒子在磁场中运动的教学时，教师可以通过引入仿真实验系统让学生清晰、直观地看到微观粒子的运动轨迹，从而引发学生思考，促使学生自觉总结相关知识点。

三、基于仿真实验的高中物理高效课堂构建策略

1.培养教师系统应用能力

仿真系统的应用需要教师进行系统性学习，尤其是专业仿真软件对教师的系统应用能力提出了更高的要求。在此背景下，学校要有目标地对相关教師进行培训，必要时也可以采用第三方服务采买的方式购入仿真场景编程程序。一方面，学校要从思想上对教师进行引导，以提高相关教师对运用仿真软件进行实验教学的重视程度。学校可以校本级或更高层级的科研项目为依托，对相关教师进行仿真软件的应用培训，以使仿真软件真正走入教师内心。另一方面，学校要对教师的软件运用能力进行培训。学校可以聘请第三方在开发仿真程序的同时，对教师进行具体程序应用的培训，以此提高教师对仿真程序的实际应用能力。另外，对于那些对仿真软件具有学习兴趣和学习能力的教师，学校可以鼓励其利用互联网资源进行自主学习，必要时可以通过成果采买的形式对能力突出、表现突出的教师进行奖励，以保证其能够将学习成果转化为教学效能。

2.设置明确的教学目标

仿真系统与传统物理实验课程之间存在着明显差异，因此教师将仿真系统引入物理实验课堂教学时绝不能简单地对物理实验进行数字化替代，而应根据不同的课程内容设定对应的教学目标。从高中物理教学实际来看，高中物理实验课程教学主要包括三方面目标。1）展示物理知识，加深学生印象。2）重现物理现象，提高学生探究欲望。3）回顾实验过程，提高学生动手能力。前两个物理实验教学目标均可以通过仿真系统实现。具体来说，一方面，教师可以通过引入多个课外物理仿真实验增强课堂的丰富性和吸引力，从而激发学生对物理现象的探究欲望。另一方面，教师可以引导学生对不同的物理仿真实验进行对比，并在此基础上探讨物理实验设计的思想和内涵，以此增强学生对物理实验的理解，加深学生对物理知识的印象，从而在潜移默化中提高学生解决物理问题的能力。对于第三个教学目标，仿真系统虽然在一定程度上也能够提高学生的动手能力，但与教学目标还存在一定差距，要想有效达成这一教学目标，在实际教学中，教师可通过“虚实结合”的方式进行传统物理实验和仿真物理实验的融合教学。在基于仿真实验的高中物理高效课堂构建中，教师通过设定明确的教学目标，可以使教学更具针对性，更利于学生物理能力的提高，教学效果自然也会更加理想。

3.规划合理的教学流程

教师如何在明确物理实验教学目标的指导下，将仿真实验系统与传统物理实验教学进行有机融合，是物理实验课程成功与否的关键。为提高物理实验教学效果，有效达成物理实验教学目标，在实际教学中，教师可以“仿真展示+学生动手”的模式对教学流程进行合理规划。在“仿真展示+学生动手”模式下的教学中，学生可以通过教师的仿真演示了解实验的方式、方法、过程等重要信息，通过亲自动手增强学习体验，提高动手能力。值得注意的是，在实际教学中，教师要重点关注物理仿真实验与教学内容之间的联系，并保证仿真实验的应用目的紧密结合教学内容。如将仿真实验作为知识点引入，达到吸引学生注意的目的，将仿真实验作为知识点展示，达到帮助学生理解相应知识的目的，将仿真实验作为开放性思考切入点，达到引导学生探索的目的等。

4.注重教学细节的实现

在高中物理仿真实验教学中，教师要重视教学细节的实现。如通过何种方式将仿真实验融入到物理课堂教学中，通过何种方式能够更好地将仿真实验结果有效展示出来等。以“欧姆定律”的实验教学为例，在仿真实验教学中，教师在借助仿真线路对相同电阻施加不同的电压所获得的电流差异进行测量时，如果采用系统直接输出结果的方式会降低仿真实验的具体效果和真实度。针对这一细节，教师可以仿真电压表与电流表，利用表显的方式对结果进行输出。这不仅可以增加仿真实验的可信度，还可以在一定程度上锻炼学生的实验技能，一举两得。另外，教师还可以通过“虚实结合”的方式呈现实验细节，如利用仿真系统输出有限的条件设置，利用实物进行必要的展示。这样，仿真系统不但能够真正融入物理课堂教学过程中，还能进一步加深学生的直观感受和印象，这对学生理解物理理论知识具有重要意义。

5.进行有效的知识拓展

教师要充分利用仿真系统的可拓展性，鼓励学生在基础物理实验基础上进行广泛、大胆的探索，以激发学生的物理学习兴趣，有效提高学生的探究能力。在高中物理仿真实验教学中，教师可通过设定不同的物理参数，引导学生对物理知识进行探索学习，从而帮助学生理解物理知识、解决物理问题。在学生熟悉仿真系统后，教师可以引导学生通过自主编程，甚至是自主设计实验等方式对丰富的物理课外知识进行探索学习。具体来说，教师可通过建立物理实验兴趣小组的方式对学生进行有效的组织，学生小组内部通过设定实验方向、理论推演实验结果、仿真实验确定结果的方式开展一定程度的物理探索。这不仅可以帮助学生将所学物理理论知识真正应用到实处，让学生获得可视化的物理实验结果，还可以有效增强学生的学习成就感，激发学生对物理实验的学习兴趣，从而促使学生对物理实验教学，乃至整个物理学科产生浓厚的学习欲望和学习动机。

四、结语

综上所述，仿真实验融入高中物理教学有助于降低学校实验成本投入，提升物理实验教学效果，并在一定程度上提高物理课堂教学效率，因此物理教师要积极将仿真实验引入高中物理教学。在实际教学中，教师可通过设置明确的教学目标、规划合理的教学流程、注重教学细节的实现、进行有效的知识拓展等方式将仿真实验融入高中物理课堂教学，从而有效构建高效物理课堂，有效激发学生物理学习兴趣，切实提高学生物理学习能力。

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Exploration of Application of Simulation Experiment in Physics Teaching in Senior Middle School

Wu Wentong

（No. 5 Middle School， Pingliang City， Gansu Province， PingLiang 744000， China）

Abstract： Some high schools are short of physical experiment resources， which limits the development of physical experiment teaching， and is not conducive to the improvement of students physical interest and physical ability. In view of this problem， the article analyzes the problems existing in physics experiment teaching in senior high school， puts forward the application ideas of simulation experiment in physics teaching in senior high school from the aspects of advantages， software support， application methods， etc.， and from the aspects of cultivating teachers systematic application ability， setting clear teaching objectives， planning reasonable teaching processes， paying attention to the realization of teaching details， and conducting effective knowledge expansion， this paper probes into the construction strategy of high school physics efficient classroom based on simulation experiment.

Key words： high schoolphysics； simulation experiment；simulation system；teachingstrategies