基于仿真物理實驗室的教學(xué)初探*
——以NoBook仿真物理實驗為例

桂媛媛

(安徽省滁州中學(xué) 安徽 滁州 239000)

當(dāng)今社會發(fā)展是人才的競爭，是科技的競爭．科技不僅促進(jìn)了時代和文明的進(jìn)步，在教育中也發(fā)揮著異常重要的作用．

高中物理教學(xué)不僅要教會學(xué)生物理知識，感受科學(xué)家嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬐评?，也要引領(lǐng)學(xué)生新的思維觀念以更好地適應(yīng)日新月異的社會發(fā)展，因此將信息科學(xué)技術(shù)應(yīng)用于中學(xué)物理教學(xué)勢在必行．物理作為一門以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科，讓學(xué)生充分理解物理實驗，愛上物理實驗，創(chuàng)新物理實驗，對高中物理教學(xué)至關(guān)重要．因部分傳統(tǒng)物理實驗受到實驗儀器的限制，面臨操作不方便，數(shù)量有限，設(shè)備老化等各種問題，使得一線教學(xué)中很難讓學(xué)生能夠自己實際操作實驗．為了解決這類問題，更好地輔助物理教學(xué)，筆者所在學(xué)校引入了NoBook仿真物理實驗室軟件(以下簡稱NB仿真物理)，這是信息科學(xué)技術(shù)應(yīng)用于教育教學(xué)的一種創(chuàng)新．

NB仿真物理是一款物理教學(xué)軟件，分為“電與磁”“力學(xué)”“光學(xué)”“聲學(xué)”“熱學(xué)”“近代物理”“家庭電路”“力與運動”共八大模塊，每個模塊中不是單純地演示課本中要求的現(xiàn)成的實驗，而是提供綜合性實驗室中較為完善的實驗儀器，可以按照自己的需求隨意組合，創(chuàng)建新的實驗．該軟件的引入極大地調(diào)動了學(xué)生探究物理的積極性，豐富了課堂教學(xué)，已經(jīng)成為本校物理教學(xué)中不可或缺的一部分．下面筆者將從幾個方面深入分析NB仿真物理在高中物理教學(xué)中的優(yōu)勢之處．

1 輔助傳統(tǒng)實驗

傳統(tǒng)物理實驗，由于實驗儀器的限制，不能隨意更換物理參數(shù)，不便于學(xué)生更深入探究某些規(guī)律．而NB仿真實驗中每一個裝置都能更改設(shè)置物理參數(shù)，選擇范圍很廣，能滿足探究的各類要求．

例如，在電學(xué)實驗中，通常應(yīng)用滑動變阻器來調(diào)節(jié)和保護(hù)電路，滑動變阻器連入電路的方式有限流接法和分壓接法，兩種接法對滑動變阻器的要求不同．在學(xué)習(xí)這部分內(nèi)容時，學(xué)生通常對分壓接法中滑動變阻器的最大阻值要小于待測電阻這一要求難以理解．因此，在教學(xué)中，直接運用NB仿真實驗軟件設(shè)計一個分壓接法電路實驗，如圖1所示．

圖1 NB仿真物理軟件界面演示分壓電路實驗

在設(shè)備欄中選擇相關(guān)儀器，連接一個基本分壓電路，定值電阻阻值為20 Ω，另有滑動變阻器可在設(shè)置框中調(diào)節(jié)最大阻值(5 Ω，10 Ω，20 Ω，50 Ω，200 Ω，1 000 Ω)．實驗時，閉合開關(guān)，將滑動變阻器滑片位置從10%,20%,30%等依次調(diào)節(jié)到90%，結(jié)果可直接填在表格上，最后將結(jié)果用圖像表示出來，如圖2所示．

圖2 定值電阻兩端電壓與滑片位置變化關(guān)系

經(jīng)過以上分析，學(xué)生能很清楚地認(rèn)識到滑動變阻器阻值小于待測電阻時，電壓調(diào)節(jié)的線性度更好．學(xué)生也可在課下自己重新選擇設(shè)備，重新進(jìn)行實驗，非常安全且方便．

2 擴(kuò)大觀察范圍

物理是研究物質(zhì)一般運動規(guī)律和物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)的學(xué)科，從低速宏觀環(huán)境到高速微觀環(huán)境，大到宇宙，小到基本粒子都在研究范疇之內(nèi)．而因此在學(xué)習(xí)過程中有很多現(xiàn)象學(xué)生在日常生活中難以觀測到，理解起來就更困難了．一般高中實驗設(shè)備較為簡陋，難以滿足教學(xué)階段的所有需求．這時可以借助NB仿真物理實驗觀察現(xiàn)象，使學(xué)生有直觀感受，加深理解．

例如，在學(xué)習(xí)原子的核式結(jié)構(gòu)模型這一內(nèi)容時，充分理解α粒子散射實驗至關(guān)重要．打開NB仿真物理實驗軟件，在“近代物理”模塊找到該實驗儀器(圖3)，實驗中既可以觀察到該儀器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，也可以觀察放大鏡置于不同角度處粒子的散射軌跡以及該方向散射的粒子數(shù)，現(xiàn)象非常清晰明了．

圖3 仿真物理實驗界面演示α粒子散射實驗

3 創(chuàng)新物理實驗

在物理教學(xué)中，除了完成教科書中涉及的內(nèi)容，使學(xué)生掌握基本的物理知識和方法，也非常鼓勵學(xué)生創(chuàng)新，對感興趣的部分繼續(xù)深入思考研究，以此獲得新的發(fā)現(xiàn)．因此教師應(yīng)鼓勵學(xué)生多做實驗，甚至發(fā)掘新的實驗．但是有的物理儀器對實驗要求較高，或者較為昂貴，或者存在危險性，并不適合借給學(xué)生自行研究，這時，就可以鼓勵學(xué)生使用NB仿真物理軟件，里面有大量充足的實驗儀器任其組合并使用，并且對于實驗中操作不規(guī)范的地方，例如實驗儀器超過量程等都會顯示警告，學(xué)生也不用擔(dān)心會損壞儀器．

4 理解復(fù)雜情境

NB仿真物理軟件除了可以完成物理實驗以外，也可以對學(xué)生在做題時遇到的復(fù)雜情境進(jìn)行還原，以使學(xué)生更直觀形象地觀察物體的運動，幫助理解題目，進(jìn)行正確求解．

例如，在學(xué)習(xí)帶電粒子在磁場中的運動這一節(jié)時，學(xué)生對于單個粒子的運動軌跡能自行分析出來，但對于相同粒子以相同速率沿不同方向射入勻強磁場的軌跡理解就存在一定的困難，這時可利用NB仿真物理軟件“力與運動”這一模塊提供的環(huán)境和元件按照題目中給出的條件進(jìn)行設(shè)置，即可演示出多個粒子的運動軌跡(圖4)，使學(xué)生能夠直觀感受，便于更好地理解題目，從而總結(jié)規(guī)律，找到求解問題的方法．

圖4 仿真物理實驗界面演示多粒子運動軌跡

上述分析，列舉了將仿真物理實驗軟件應(yīng)用到中學(xué)物理教學(xué)的幾大優(yōu)勢，能夠激發(fā)學(xué)生的探究興趣，加強直觀感受，提高教學(xué)效率．當(dāng)然，它的作用不僅限于此，值得繼續(xù)研究發(fā)掘．但也需注意的是，仿真物理實驗軟件只是起到輔助教學(xué)的作用，但是不能鍛煉學(xué)生的動手能力，因此并不能將傳統(tǒng)實驗完全摒棄，有條件的學(xué)校應(yīng)該形成“傳統(tǒng)實驗+仿真實驗”相結(jié)合的有效教學(xué)模式，從而進(jìn)行更優(yōu)質(zhì)的教學(xué)．