湯　淼

【摘　要】　物理實(shí)驗(yàn)的目的是讓學(xué)生通過實(shí)踐真正把握物理規(guī)律的真諦，學(xué)會(huì)運(yùn)用實(shí)驗(yàn)方法去檢驗(yàn)理論。而仿真物理實(shí)驗(yàn)則有效地創(chuàng)建了一個(gè)教師與學(xué)生之間溝通的交互平臺(tái)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的不足，提高了課堂教學(xué)效率。于學(xué)生而言，可充分按照自己的想法去創(chuàng)設(shè)情景，構(gòu)建自己的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，增加學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性；于教師而言，可更加有效地幫助學(xué)生形成概念、導(dǎo)出規(guī)律、掌握理論。

【關(guān)鍵詞】　物理實(shí)驗(yàn)　教學(xué)效率　師生交互

一、設(shè)計(jì)背景

物理學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué)。所有的物理知識(shí)，包括物理概念、定律和理論，都是在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上建立起來的。而我們絕大部分高中的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，其實(shí)驗(yàn)儀器往往由實(shí)驗(yàn)室技術(shù)人員提前備好，實(shí)驗(yàn)時(shí)由學(xué)生被動(dòng)地按照規(guī)定好的步驟與方法進(jìn)行，然后計(jì)算結(jié)果。即像照著菜單煮飯一樣，學(xué)生按照教師安排好的程序和結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，為了使實(shí)驗(yàn)具有精確性，學(xué)生不能過于隨意，不能有創(chuàng)造性?？梢?，我們對(duì)于學(xué)生獨(dú)立探索的練習(xí)有欠缺，學(xué)生只是簡(jiǎn)單模擬，真正自己動(dòng)腦動(dòng)手較少，這樣的教學(xué)理念與方法不利于學(xué)生創(chuàng)新性思維能力的培養(yǎng)。

而二期課改《物理課程標(biāo)準(zhǔn)》指出：“實(shí)驗(yàn)是物理課程改革的重要環(huán)節(jié)”。從課改理念來看，物理實(shí)驗(yàn)的目的不只是教學(xué)生使用各種儀器設(shè)備，也不僅是讓學(xué)生學(xué)會(huì)一些實(shí)驗(yàn)的方法與手段，而是讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中既動(dòng)手又動(dòng)腦，通過實(shí)踐真正把握物理規(guī)律的真諦，學(xué)會(huì)用實(shí)驗(yàn)方法去檢驗(yàn)理論。因此，我們應(yīng)該更加充分地了解到物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的作用和性質(zhì)，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中樹立更高的目標(biāo)。

二、設(shè)計(jì)創(chuàng)意

針對(duì)上述現(xiàn)象，我在物理教學(xué)中引入了金華科仿真物理實(shí)驗(yàn)室這個(gè)軟件。該軟件最大的特點(diǎn)是提供了一個(gè)實(shí)驗(yàn)器具完備的綜合性實(shí)驗(yàn)室，創(chuàng)建了一個(gè)為教師與學(xué)生之間溝通的交互平臺(tái)，我們可以親自動(dòng)手創(chuàng)建所能想象的所有實(shí)驗(yàn)。

仿真物理實(shí)驗(yàn)室提供了運(yùn)動(dòng)對(duì)象，小球，彈簧，繩子，聯(lián)桿，滑軌，電荷等實(shí)驗(yàn)器具；并集成了重力場(chǎng)，電場(chǎng)，磁場(chǎng)，萬有引力，阻尼介質(zhì)等實(shí)驗(yàn)環(huán)境。我們可以在任意組合的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，搭建自己的實(shí)驗(yàn)。從自由落體運(yùn)動(dòng)，平拋運(yùn)動(dòng)，到驗(yàn)證機(jī)械能守衡，驗(yàn)證動(dòng)量守衡實(shí)驗(yàn)；從單擺，牛頓擺，到彈簧振子實(shí)驗(yàn)；從帶電粒子在電場(chǎng)中的加速與偏轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)，帶電粒子在磁場(chǎng)中的圓周運(yùn)動(dòng)，到粒子加速器，粒子速度選擇器模型；從地球人造衛(wèi)星，到太陽系的運(yùn)行，仿真物理實(shí)驗(yàn)室都能夠進(jìn)行仿真。仿真物理實(shí)驗(yàn)克服了傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的弊端，促進(jìn)了物理課堂教學(xué)模式的改革，推進(jìn)了新課改的進(jìn)程。

三、設(shè)計(jì)的實(shí)施

仿真物理實(shí)驗(yàn)室引入高中物理教學(xué)活動(dòng)，可分三個(gè)階段，具體實(shí)施過程如下。

1.第一階段　軟件操作的培訓(xùn)

該軟件具有較強(qiáng)的交互性，可以自由創(chuàng)建實(shí)驗(yàn)和課件，創(chuàng)建工作非常簡(jiǎn)單，軟件將物理定律全部?jī)?nèi)置，用戶只需要設(shè)置一下實(shí)驗(yàn)的初始環(huán)境和參數(shù)，這使得在本軟件中制作自己的實(shí)驗(yàn)變得非常的輕松和容易，只要花少量的時(shí)間就可以完成。并且可以隨時(shí)更改實(shí)驗(yàn)的條件或參數(shù)，以滿足實(shí)際的需要。

操作要點(diǎn)：培訓(xùn)時(shí)間一節(jié)課足夠了，可以利用軟件內(nèi)置的物理案例作為教學(xué)演示，目的是激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，學(xué)生感到實(shí)驗(yàn)中充滿樂趣，在實(shí)驗(yàn)中享受快樂，在快樂中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，濃厚的物理學(xué)習(xí)興趣自然形成。

考慮到高一學(xué)生進(jìn)入高中最早接觸的是運(yùn)動(dòng)學(xué)，因此可選用軟件中“追及情景模擬”作為演示更容易引起學(xué)生的共鳴。

同時(shí)，也建議將軟件拷貝給學(xué)生，讓他們有更多的時(shí)間去實(shí)踐。

2.第二階段　引入課堂教學(xué)

物理學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)性很強(qiáng)的學(xué)科，實(shí)驗(yàn)幾乎貫穿了物理學(xué)習(xí)的整個(gè)過程。在教師講解了物理定律之后，演示一個(gè)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，既加深了學(xué)生對(duì)定律的理解，又可以增加物理課堂的趣味性。在講解習(xí)題的同時(shí)，如果能在仿真物理實(shí)驗(yàn)室中建立一個(gè)習(xí)題所描述的物理模型，以逼真的動(dòng)畫輔助物理教師的精辟解析，觸發(fā)學(xué)生的想象空間，相信這樣的教學(xué)效果一定出眾。

作為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充和拓展，我利用仿真物理實(shí)驗(yàn)室，設(shè)計(jì)了一系列課件，用于課堂教學(xué)中。如運(yùn)動(dòng)學(xué)——“追及情景模擬”；物體的平衡——“平行四邊形定則演示”“尖劈模型演示”；力矩平衡——“模擬力矩盤”；牛頓運(yùn)動(dòng)定律——“加速度與力和質(zhì)量的關(guān)系”“超重和失重現(xiàn)象”；曲線運(yùn)動(dòng)——“平拋運(yùn)動(dòng)探究”“自行車的傳動(dòng)系統(tǒng)”；振動(dòng)和波——“單擺運(yùn)動(dòng)探究”“機(jī)械波的形成”；功和能——“驗(yàn)證機(jī)械能守恒”；氣體的性質(zhì)——“各類壓強(qiáng)計(jì)算的分析”；電場(chǎng)——“等勢(shì)面和電場(chǎng)線”“帶電粒子在電場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)”；穩(wěn)恒電路——“分壓電路的設(shè)計(jì)”“最大輸出功率問題”；磁場(chǎng)——“地球磁場(chǎng)的模擬”；電磁感應(yīng)——“電磁阻尼現(xiàn)象”“切割地磁場(chǎng)的問題”；光學(xué)——“光的反射和折射”；天體、萬有引力——“人造衛(wèi)星模型”。

操作要點(diǎn)：

第一，仿真物理實(shí)驗(yàn)不能代替?zhèn)鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)。只是對(duì)于受某些條件限制，不能滿足教學(xué)要求的實(shí)驗(yàn)，或從實(shí)驗(yàn)直接獲得的感性認(rèn)識(shí)到需要學(xué)生理解掌握的規(guī)律之間的跨度較大的實(shí)驗(yàn)，我才會(huì)用仿真驗(yàn)予以補(bǔ)充。例如，“電路的設(shè)計(jì)”中要求小燈泡正常發(fā)光且最省電，利用仿真物理實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以清楚看到自己所設(shè)計(jì)電路各支路電流的走向和大小，小燈泡的電壓和實(shí)際功率，可以方便的進(jìn)行調(diào)節(jié)。即使超出量程燈泡燒毀，只要點(diǎn)一下修復(fù)便可繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。其便捷性是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)所不能比擬的。

第二，對(duì)于一些比較復(fù)雜的物理問題，利用仿真物理實(shí)驗(yàn)可建立起形象思維到抽象思維之間的橋梁，幫助學(xué)生解決分析理解上的困難。例如，追及問題是運(yùn)動(dòng)學(xué)中的一個(gè)難點(diǎn)，往往要討論是否相遇，何時(shí)何地相遇，會(huì)相遇幾次等問題。利用仿真物理實(shí)驗(yàn)做一個(gè)“追及情景模擬”的課件，學(xué)生可以自行設(shè)定相關(guān)的數(shù)據(jù)，驗(yàn)證得出結(jié)論。這樣可以通過實(shí)驗(yàn)來獲取知識(shí)，掌握探究學(xué)習(xí)的方法，在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新性思維能力上又前進(jìn)了一步。

3.第三階段　利用仿真物理實(shí)驗(yàn)室學(xué)生自主探究

對(duì)于正在學(xué)習(xí)物理的學(xué)生來說，仿真物理實(shí)驗(yàn)室是一個(gè)理想的興趣培養(yǎng)工具和學(xué)習(xí)工具。親自動(dòng)手的體驗(yàn)，讓學(xué)生對(duì)物理現(xiàn)象的印象更加深刻；對(duì)物理定律的理解不再枯燥。學(xué)生更可以用此軟件仔細(xì)研究物理過程，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)去驗(yàn)證自己的設(shè)想，探索未知世界。

既然是自主探究，我還收集了部分學(xué)生探究的個(gè)案，如“衛(wèi)星環(huán)繞地球的速度與其軌跡的關(guān)系”“彈簧振子的振動(dòng)周期和哪些因素有關(guān)”“在運(yùn)行電梯中的單擺周期會(huì)如何變化”“圓周運(yùn)動(dòng)的臨界問題”“碰撞問題的研究”“非等量同、異種電荷的電場(chǎng)線和等勢(shì)面”“斜拋問題的研究——有阻力情況下，仰角多少，射程最遠(yuǎn)”“滑動(dòng)變阻器有效滑動(dòng)問題”。

操作要點(diǎn)：要善于傾聽每個(gè)學(xué)生的問題，再施加正確的引導(dǎo)，他就會(huì)在自主探究的道路上邁出堅(jiān)實(shí)的一步。

例如，一堂電學(xué)的實(shí)驗(yàn)課中，學(xué)生小吳構(gòu)建了一個(gè)限流式電路，結(jié)果發(fā)現(xiàn)移動(dòng)滑動(dòng)變阻器過程中電流幾乎不變，直到最后階段，電流變化異常劇烈。

小吳過來問我：“是不是滑動(dòng)變阻器壞了?！?/p>

我回答：“滑動(dòng)變阻器沒有問題，你是不是選了最大阻值的那個(gè)滑動(dòng)變阻器？”

“當(dāng)然了，阻值越大，調(diào)節(jié)范圍越廣嘛。”

“不要急于下結(jié)論，我們還是利用仿真實(shí)驗(yàn)室來一探究竟吧?！?/p>

小吳很快構(gòu)建好仿真電路，輸入相關(guān)物理參數(shù)，結(jié)果在移動(dòng)滑動(dòng)變阻器的過程中，出現(xiàn)了和現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)相同的情況。我繼續(xù)引導(dǎo)他可利用仿真物理實(shí)驗(yàn)室的函數(shù)圖像功能進(jìn)一步探究I和Rp的關(guān)系。

小吳建立好函數(shù)圖像后，又改變了幾次Rp的阻值，得到以下結(jié)論：

當(dāng)R遠(yuǎn)小于Rp時(shí)，由圖像可知，曲線非常彎曲。且Rp越大，彎曲得越厲害?；瑒?dòng)變阻器變化的前一大半部分，電流在一個(gè)很小的范圍內(nèi)變化，滑動(dòng)變阻器實(shí)際上對(duì)電流的調(diào)節(jié)作用不大，不便從電表上讀取數(shù)據(jù)?；瑒?dòng)變阻器變化的后一小半部分，電流變化異常劇烈，這時(shí)的滑動(dòng)變阻器不易控制，給調(diào)節(jié)帶來很大困難。

“那Rp是不是越小越好呢？”我繼續(xù)追問。

“我調(diào)整下參數(shù)看看。”小吳調(diào)整了R和Rp數(shù)值，又做了幾組實(shí)驗(yàn)，得到：當(dāng)R遠(yuǎn)大于Rp時(shí)，由圖像可知，曲線接近直線，電流隨變阻器滑片的滑動(dòng)變化最均勻，但電流的可調(diào)節(jié)范圍極小，這樣將導(dǎo)致滑動(dòng)變阻器有明顯滑動(dòng)，而電流卻無顯著變化，這時(shí)滑動(dòng)變阻器對(duì)電流的調(diào)控作用不大，不便從電表上讀取數(shù)據(jù)。

“那Rp到底什么值比較恰當(dāng)？加油，你已經(jīng)快揭開這個(gè)謎底了。”我繼續(xù)鼓勵(lì)小吳。

小吳也被吊起了興趣，不斷地調(diào)整R和Rp的參數(shù)。最終得出結(jié)論：當(dāng)Rp跟R相差不多或Rp比R稍大時(shí)，避開了電壓調(diào)節(jié)范圍過小和調(diào)節(jié)精度過低的兩種缺陷，故較為合適。

“相當(dāng)不錯(cuò)，這就是電學(xué)中滑動(dòng)變阻器有效滑動(dòng)的問題?！蔽屹潛P(yáng)道，“你得到的這個(gè)結(jié)論能不能推廣到其他電路中呢？比如常見的分壓電路。”

“那我得回去研究一下，明天給你結(jié)論。”小吳興沖沖地領(lǐng)下了這個(gè)任務(wù)。第二天，小吳帶著他的實(shí)驗(yàn)報(bào)告過來了。

“考慮到分壓電路主要用來調(diào)節(jié)待測(cè)電阻電壓的，因此，我建立的是U和Rp的函數(shù)關(guān)系圖像。”

結(jié)論：當(dāng)R遠(yuǎn)小于Rp時(shí)，由圖像可知，曲線非常彎曲。滑動(dòng)變阻器變化前半部分，電壓在一個(gè)很小的范圍內(nèi)變化，滑動(dòng)變阻器實(shí)際上對(duì)電壓的調(diào)節(jié)作用不大，不便從電表上讀取數(shù)據(jù)。滑動(dòng)變阻器變化的后半部分，電壓變化異常劇烈，這時(shí)的滑動(dòng)變阻器不易控制，給調(diào)節(jié)帶來很大困難。

當(dāng)R遠(yuǎn)大于Rp時(shí)，由圖像可知，曲線接近直線，這時(shí)的電壓隨變阻器滑片的滑動(dòng)變化的均勻程度很高，電壓容易調(diào)控。

“不錯(cuò)，結(jié)論正確，不過我有一個(gè)問題你考慮下，實(shí)際操作過程中Rp是不是越小越好，一般取到什么值就可滿足需要了？”

“這個(gè)倒沒想過，讓我考慮下?！?/p>

第三天，小吳過來告訴我：“我嘗試了很多R和Rp的關(guān)系，通過下圖像我發(fā)現(xiàn)當(dāng)R=10Rp時(shí)曲線已非常接近直線了，Rp再小從電壓調(diào)節(jié)角度來說意義不是很大。反而當(dāng)Rp很小時(shí)，通過Rp的電流將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于負(fù)載R上的電流。電能主要消耗在變阻器上，這不是我們使用變阻器所希望的?！?/p>

“非常好，你已經(jīng)圓滿的解答了我提出的問題?！蔽屹澰S的看著小吳，看著他臉上洋溢著興奮的神情。我想，這種探究帶來的喜悅將會(huì)對(duì)他今后的學(xué)習(xí)帶來更大的動(dòng)力。

四、設(shè)計(jì)的成效

將仿真物理實(shí)驗(yàn)室引入物理教學(xué)，從教師的角度來說，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的不足，提高了課堂教學(xué)效率。一些教學(xué)難點(diǎn)可以通過仿真物理實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行有效的突破。是物理教師的得力助手。

從學(xué)生的角度來說，仿真物理實(shí)驗(yàn)室的引入調(diào)動(dòng)了他們學(xué)習(xí)好物理的主動(dòng)性和積極性，能有效地幫助學(xué)生形成概念、導(dǎo)出規(guī)律、掌握理論。更重要的是學(xué)生可以按照自己的想法去創(chuàng)設(shè)情景，構(gòu)建自己的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。不再是簡(jiǎn)單的重復(fù)和模仿，種種新奇的思想和方案都可在仿真物理實(shí)驗(yàn)室中呈現(xiàn)出來，從上述學(xué)生自主探究的個(gè)案就可看出仿真物理實(shí)驗(yàn)室的確是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新性思維能力的有效途徑。