仿真實驗在高中物理實驗中作用
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摘要：物理是以實驗為基礎(chǔ)的一門學(xué)科，仿真實驗可以更直觀、具體、形象地把實驗過程和結(jié)果展示給學(xué)生。仿真實驗是物理實驗的補充和完善，它并不是要取代傳統(tǒng)物理實驗，它可以打破時間、空間的限制從而更加高效地促進(jìn)教學(xué)的進(jìn)行。通過這種方式可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，幫助學(xué)生建構(gòu)物理模型提升學(xué)生的物理核心素養(yǎng)。本文結(jié)合高中物理教學(xué)實踐，對比物理實驗的不足結(jié)合教學(xué)實例對仿真實驗進(jìn)行研究。探討如何更好地提升高中學(xué)生學(xué)科素養(yǎng)。
關(guān)鍵詞：物理實驗；仿真實驗；高中物理；核心素養(yǎng)
物理實驗在物理教學(xué)過程中起著重要作用，通過物理實驗幫助學(xué)生建構(gòu)物理模型。由于傳統(tǒng)實驗受空間和時間因素的制約，仿真實驗的優(yōu)勢正好可以彌補這些缺點。通過這樣一種全新的方式，將課上枯燥乏味的物理現(xiàn)象通過仿真展現(xiàn)出來可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，提升高中物理教學(xué)的質(zhì)量和效率。
1傳統(tǒng)物理實驗在高中課堂的現(xiàn)狀
1.1物理實驗的難度較大
物理學(xué)是以實驗為基礎(chǔ)的一門科學(xué)，《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》明確了物理實驗在高中課堂教學(xué)中的地位的重要性。新課程標(biāo)準(zhǔn)將科學(xué)探究和物理實驗?zāi)芰Ψ旁谑滓奈恢肹1]。由于初中物理實驗現(xiàn)象簡單、直觀、清晰，學(xué)生易于理解。初中物理階段只是培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)物理興趣，初中生對物理實驗的認(rèn)知是感性認(rèn)識，分析問題也是簡單的定性分析。但是高中階段的物理實驗往往比較抽象復(fù)雜，還有一些定量計算和數(shù)據(jù)處理，有時出現(xiàn)誤差使得實驗得到的結(jié)果有較大的出入。
1.2物理實驗沒有受到學(xué)校的重視
但是由于現(xiàn)實原因?qū)W校要參考學(xué)生考試成績，很多學(xué)校并不注重物理實驗，更有甚者學(xué)校不開設(shè)物理實驗。這就導(dǎo)致了很多老師通過課堂講解實驗原理，嚴(yán)重阻礙了學(xué)生知識生成性的過程，失去了物理學(xué)科探究學(xué)習(xí)的靈魂。處于高中階段的學(xué)生抽象思維不強，必須借助于具體、形象的實驗現(xiàn)象幫助學(xué)生搭建抽象思維的橋梁[2]。
1.3物理實驗在教學(xué)上不受重視
在平時教學(xué)過程中，很多教師也缺乏對實驗的重視，覺得物理實驗浪費時間，學(xué)生對物理實驗有強烈的好奇心，由于學(xué)生有活潑好動的特點，不易于管理。學(xué)生若不遵守實驗規(guī)定有可能出現(xiàn)安全事故，物理實驗室也是應(yīng)付檢查時才啟用。老師并沒有意識到物理實驗的重要性。因為老師覺得物理實驗占用大量課上時間，因此選擇課上講解，做習(xí)題輔助理解。對于抽象的物理實驗，老師選擇播放實驗視頻以代替學(xué)生動手實驗，使得物理課堂學(xué)習(xí)枯燥乏味[3]。有一些老師也讓學(xué)生做實驗，但是只是讓學(xué)生按要求一步步操作，不給學(xué)生做原理講解。綜上所述，在長期應(yīng)試教育大環(huán)境的影響下，學(xué)校、教師和學(xué)生都選擇了只關(guān)注考試內(nèi)容，在升學(xué)壓力面前選擇了妥協(xié)，使得物理教學(xué)方式偏離了原軌道。
2仿真實驗在高中物理教學(xué)的優(yōu)勢
21世紀(jì)電子信息技術(shù)的快速發(fā)展給教育教學(xué)的發(fā)展帶來了機遇，教育信息化也成為人們關(guān)注的熱點之一。2018年頒布的《普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)》[4]提出，積極探索信息技術(shù)與物理教學(xué)的融合，開發(fā)與利用多媒體來拓展物理教學(xué)與學(xué)習(xí)的途徑。首先，保證絕大部分學(xué)生接觸實驗。在以往的物理實驗有時出現(xiàn)器材短缺導(dǎo)致實驗無法進(jìn)行。仿真實驗恰好打破這種限制，仿真實驗保證了絕大多數(shù)學(xué)生都能參與整個實驗過程。第二，滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。例如，仿真軟件NOBOOK可以對高中物理實驗進(jìn)行仿真，通過手機、平板、電腦實現(xiàn)且仿真界面生動形象。通過實驗仿真培養(yǎng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)樂趣，使得學(xué)生學(xué)習(xí)有積極性。第三，仿真實驗將肉眼看不見的物理現(xiàn)象通過動畫表現(xiàn)出來，比實驗還要形象具體。例如，磁感線、電場線、等勢面、電流等，動畫將枯燥的實驗變得生動利于學(xué)生物理模型建立和抽象思維的形成[5]。仿真實驗也避免了危險事故的發(fā)生，更具有安全性。第四，不受空間的限制。例如打點計時器測瞬時速度實驗，把打點計時器搬到教師進(jìn)行實驗比較麻煩，實驗步驟也十分煩瑣。實驗結(jié)束后還要測量紙帶等等。通過實驗仿真快速搭建物理器材，實驗結(jié)束后系統(tǒng)自動顯示紙帶相鄰點距離，這既節(jié)省了時間也減小了人工測量紙帶的誤差。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)還可以繪制v-t圖像進(jìn)行分析。實驗內(nèi)容豐富并且形象，以NOBOOK物理實驗的力學(xué)部分為例，力與運動提供了運動對象，輕繩、輕桿、彈簧、導(dǎo)軌、電荷等實驗器材；各種場如重力場、電場、磁場、萬有引力等實驗環(huán)境。支持任意搭建實驗場景，不但能夠完成一些常規(guī)的實驗如自由落體運動、平拋運動、驗證機械能守恒、驗證動量守恒實驗，單擺、牛頓擺到彈簧振子實驗，而且能夠完成一些實驗室不好完成的實驗。如帶電粒子在電場中的加速與偏轉(zhuǎn)實驗，帶電粒子在磁場中的圓周運動、粒子加速器、粒子速度選擇器模型等，還有地球人造衛(wèi)星、太陽系的運行等，既涵蓋了傳統(tǒng)實驗內(nèi)容，又可以做傳統(tǒng)實驗不能實現(xiàn)的內(nèi)容。
3仿真實驗在高中物理課堂應(yīng)用
3.1斜面物體的受力分析
仿真實驗可以輔助高中物理實驗教學(xué)，學(xué)生利用仿真實驗使學(xué)習(xí)效率提高。如圖1所示，對小球進(jìn)行受力分析，應(yīng)用物理仿真軟件NOBOOK進(jìn)行仿真。在物理學(xué)習(xí)過程中對于剛剛接觸受力分析的高一學(xué)生來說，解題困難點比較多。初中階段的受力分析只接觸過受力方向只在一條直線上的二力平衡的問題。從初中跨越到高中對于矢量概念理解不到位，僅依靠自己的經(jīng)驗和感性認(rèn)識進(jìn)行受力分析，對于物體受到幾個力才能保持平衡狀態(tài)的判斷比較模糊。在此階段正是建立物理模型的關(guān)鍵時機，因此仿真實驗利于學(xué)生對物理模型的建立和抽象思維的形成。根據(jù)仿真軟件NOBOOK可以清晰地看出彈力方向以及大小，通過改變擋板的角度可以看到擋板對小球彈力的方向發(fā)生了變化，大小也發(fā)生了變化。由此形象地看出彈力是垂直于接觸面的，這樣的動畫可以形象的模擬真實的受力。因傳統(tǒng)實驗是看不出彈力、重力方向和大小，所以這種仿真易于學(xué)生理解接受。
3.2自由落體運動的仿真應(yīng)用
以勻加速直線運動為例，進(jìn)入高中階段的物理學(xué)習(xí)，先學(xué)習(xí)了機械運動的概念。初中只學(xué)習(xí)了勻速直線運動，進(jìn)入高中后很多學(xué)生不理解勻加速直線運動過程。例如，一個物體以初速度v=10m/s，加速度為a=5m/s2勻加速運動，等到速度為0m/s時，反向勻加速直線運動，問什么時刻速度為0m/s，5s末位移是多少？對于這種學(xué)生對運動過程十分清晰的問題，可以直接套用公式求解出答案。但是對剛進(jìn)入高中學(xué)習(xí)的學(xué)生還是沿用初中物理解決問題的方式，學(xué)生不理解過程直接套用物理公式的方法，用初中學(xué)習(xí)物理的方法去學(xué)習(xí)高中物理是行不通的。但是，根據(jù)高中物理實驗仿真工具可以模擬整個過程，而且還可以繪制出此過程的v－t圖像，根據(jù)圖像可以觀察圖像面積，斜率等信息描述運動過程中的位移和加速的信息。下面結(jié)合著虛擬物理仿真軟件對物體的自由落體進(jìn)行分析。若取重力加速度g＝9.8m/s2，首先進(jìn)行新課導(dǎo)入，亞里士多德觀點認(rèn)為物體越重的物體下降越快，例如石頭和棉花在相同高度同時釋放，實驗結(jié)果是石頭先落地。此時老師可以用演示實驗給學(xué)生展示紙和粉筆看看哪個先落地，然后老師提出假設(shè)認(rèn)為因為粉筆比紙重因此先落地。通過測量粉筆的質(zhì)量為5g紙張和質(zhì)量為3g，將紙和粉筆固定在一起后對比5g的粉筆。經(jīng)過試驗發(fā)現(xiàn)5g粉筆先落地了這一點和亞里士多德的想法正好是矛盾的，伽利略推翻了亞里士多德觀點。他認(rèn)為兩物體在做自由落體的時候應(yīng)該是同時落地的，此時同學(xué)們產(chǎn)生了疑惑。因為現(xiàn)實條件找不出實例，老師可以用兩張A4紙，一張紙捏成紙團(tuán)另一張紙對折。兩物體在相同高度靜止釋放，發(fā)現(xiàn)紙團(tuán)先落地。細(xì)心的同學(xué)發(fā)現(xiàn)對折的紙“飄來飄去”由此有的同學(xué)可以想到是空氣阻力的影響作用。然后正好也是伽利略的觀點，實驗如果要驗證必須需要一個真空環(huán)境，這時候可以用NOBOOK仿真實驗加以驗證。在仿真實驗中加入空氣阻力的影響，選擇相同體積不同質(zhì)量的物體。先進(jìn)行第一組實驗m=0.6kg記錄落地時間t1，接下來進(jìn)行第二組實驗m=0.06kg記錄物理落地時間t2發(fā)現(xiàn)質(zhì)量大的先落地正好與得到的結(jié)論相同。在進(jìn)行忽略空氣阻力的實驗發(fā)現(xiàn)兩物理落地時間t1=t2，由此驗證自由落體落地時間與質(zhì)量大小無關(guān)。物體做自由落體時，通過位移傳感器，傳感器接收端固定不動，發(fā)射端做自由落體運動，由此記錄時間和位移。實驗仿真有DIS（數(shù)字系統(tǒng)），通過DIS可以繪制出物體運動的v-t圖像、x-t圖像、a-t圖像。當(dāng)位移傳感器以速度大小v0彈射，v0大于0m/s根據(jù)DIS顯示其運動信息，此時物體初速度、末速度、加速度、位移都有準(zhǔn)確的量化。學(xué)生也可以根據(jù)表格自己計算結(jié)果，當(dāng)然實驗也會存在誤差，例如有時候做仿真實驗其加速度大小為10.12m/s2的情況。這是由于實驗中傳感器未調(diào)零原因?qū)е拢@就要求學(xué)生要養(yǎng)成認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。當(dāng)物體落地后物體會反彈一定的高度，根據(jù)圖像也可以理解，如圖2所示。物體落地觸底反彈是一個豎直上拋的過程，由此可以拓展到豎直上拋運動。豎直上拋的位移大小與下落大小相等，根據(jù)圖2可知s2=s3、s4=s5。并且圖像也是對稱的，其斜率的物理意義是加速度g=9.8m/s2是恒定不變的。在仿真實驗中有運動過程，也有運動圖像的數(shù)據(jù)分析，這些對于學(xué)生的學(xué)習(xí)理解具有促進(jìn)作用。
3.3帶點粒子在磁場中的應(yīng)用
帶電粒子在磁場中的應(yīng)用中粒子運動過程較為復(fù)雜，很多學(xué)校對于演示實驗洛倫茲力演示儀沒有展示實驗過程。磁場這一節(jié)運動形式較為抽象，以質(zhì)譜儀為例粒子先進(jìn)入勻強電場對粒子進(jìn)行加速，加速完成后垂直射入勻強磁場，帶電粒子在洛倫茲力的作用下做勻速圓周運動進(jìn)行偏轉(zhuǎn)。通過測量粒子打在照相底片不同的地方，會形成若干譜線狀細(xì)線。粒子做圓周運動的半徑R，就可以求出粒子的比荷q/m，如果再已知帶電粒子的電荷量q，就可計算出粒子的質(zhì)量m，從而區(qū)分同位素。此時可以根據(jù)仿真實驗測量出粒子的質(zhì)量。在實驗中通過對比三個質(zhì)量不同的粒子可以看出粒子運動的快慢，運動慢的加速度小質(zhì)量大。粒子在電場運動過程中可以看到粒子運動的速度逐漸變大，進(jìn)入磁場速度不發(fā)生變化。速度大小都是實時顯示的，根據(jù)運動過程可以清晰看出質(zhì)量小的運動快的先打在距離入射點近一點的地方，質(zhì)量大的速度小的距離遠(yuǎn)一些。在運動過程中可以看粒子速度方向和向心力方向是紅色運行軌跡的一點上有兩條垂直的白線，一條是運行方向一條是向心力方向。
4總結(jié)
將物理仿真實驗應(yīng)用于高中物理課堂教學(xué)有利于提升學(xué)生探索物理的興趣，極大地調(diào)動學(xué)生探索物理知識的積極性。仿真實驗操作過程省時、高效，仿真實驗是對物理實驗的補充，它彌補了傳統(tǒng)物理實驗的短板，且不受環(huán)境以及實驗儀器影響，在一些抽象實驗或者實驗效果并不明顯的實驗中具有一定的優(yōu)勢。但是仿真實驗僅僅是物理實驗的補充，仿真實驗不能取代物理實驗。物理實驗在進(jìn)行過程中因人為原因和外部因素影響具有較大誤差，仿真實驗是理想狀態(tài)下的實驗。作為物理實驗的補充，仿真實驗具體形象的特點對于老師提升物理教學(xué)水平、教學(xué)效率、提升學(xué)生核心素養(yǎng)具有重要的作用。高中物理教師應(yīng)深入研究仿真實驗，擁抱21世紀(jì)電子信息技術(shù)的機遇，發(fā)揮仿真實驗的優(yōu)勢，促進(jìn)物理教學(xué)能力的提升[5]。
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作者:李煥鵬 孫福玉 曹萬蒼 單位:赤峰學(xué)院物理與智能制造工程學(xué)院
