浅谈科学实验与仿真实验在教学中的融合

物理学是一门以实验为基础的自然科学，2022 年版发布的义务教育课程方案和课程标准，提出以培养三有人才为目标，“坚持目标导向、坚持问题导向、坚持创新导向”的原则为总指挥棒，将物理教学的重点落地于实验教学。高度重视物理实验教学成为未来自然学科课程发展的统一趋势。

一、在高中物理课程各个模块中都安排了一些典型的科学探究实验和演示实验，高中学生应该在科学实验中达到应有的课程标准要求，实验教学是提高物理教学质量的关键。在物理教学实践中，实验教学过程中还存在一些实际问题与障碍，总体归纳为两个方面：一方面是主观因素导致实验效率低，另一方面是客观因素导致教学效果差。主观因素，教师没有充分意识到实验教学的重要意义，一味追求知识验证过程和结论记忆，忽视了知识的探究形成过程，忽略了在探究过程中问题的设计，脱离了探究实验的实用价值，以上现象会导致教师、学生从态度上不重视实验，实验教学形式化，一味追求形式，没有深度思考，没有知识的形成过程，导致教学质量低下、浪费教学时间、使教学效果差、最终教师放弃实验操作教学、勤快的老师会在网络上下载一些共享实验教学资源进行教学，淡化了实验操作过程中发现问题、解决问题能力的培养，片面的追求知识内容和结论应用，导致学生对知识的掌握是“知其然不知其所以然”的浅表学习或假学习现象，为后期知识的迁移、应用能力提高设置了障碍。客观因素方面，学科特点客观因素导致的。物理学科的诸多知识隐藏在物理现象和实验过程中，学生很难观察到知识，如电学、磁学、原子核物理、微观世界等知识的教学过程中，学生需要在大脑中抽象情景、建立模型、想象分析、逻辑推理，需在大脑中做实验，这个过程无疑给初学者带来了巨大的学习困难，如何解决这种教学中遇到的困难呢？可以借用现代化的数字实验进行教学，用仿真虚拟实验可以展示物理知识的形成过程。例如：法拉第电感应定律的教学设计中，用数字科学实验可以测量记录实验数据、用仿真实验可以观察到闭合回路中有变化磁通量会产生感应电流，有助于学生对物理知识的情景学习、形成过程的学习。

二、未来的物理教学一定是在创新课堂的教学设计为引领的前提下，借助于现代化的网络技术环境手段，提高物理课程学习的效率，落实立德树人的根本任务，发展素质教育的独特育人价值，凝练学科的核心素养，达成该学科正确的价值观，必备的品格和关键的能力。

三、客观因素优化实验环境、改善实验教学条件，提高物理教学质量，浅谈自己的一些观点，物理教学的支架是实验教学，目前实验教学环境为科学实验，科学实验包括传统实验和数字传感器实验两部分。数字实验是传统实验的升级版，它即继承传统实验的优点、又超越传统实验、弥补传统实验的缺点。例如：数字实验精准数据的记录，实时动态数据追踪，高频率数据记录等优点，传统实验是无法实现的。物理实验教学的开展，能够提高学生对知识理解能力、迁移能力的培养，物理教学中通过组织学生设计实验、分析实验、解决实验过程遇到的问题的引导、鼓励学生勤动手、勤思考，让物理实验的教学真实地、有效地在教学中发生，满足网络现代化对物理知识、规律、定律、定理等知识提供学习需求，在实践中还存在着一定的局限性，既然存在问题，如何去解决呢？下面我们重点从客观因素方面，浅谈自己的一些观点。

首先、政策引领，由于传统实验在教学中存在诸多的局限性，教育部把数字实验纳入了教育教学法规《教育部关于加强和改进中小学实验教学的意见》—教基【2019】16 号文件明确提出：夯实基础，开齐开足、开好国家课程标准规定的实验，切实扭转忽视实验教学的倾向，拓展创新，不断将科技前沿知识和最新科技成果融入实验教学，丰富内容、改进方式、注重实验、强化学生实践操作、情景体验、探索求知、亲身感悟、创新创造、着力提升学生的观察能力、动手能力、实践能力、创新性思维能力和团队合作能力，培育学生的兴趣爱好、创新精神、科学素养、意志品德和意志品质。

其次、数字实验教学是继承发扬传统实验优点的前提下，优化传统实验、完善传统实验、利用数字传感器和网络平台环境进行实验教学的。传统实验的升级版本—数字传感器实验，完善优化实验环境和条件，为教学提供服务网络数字化信息环境。数字实验与传统实验是如何有效结合的？数字化实验核心是数字信息系统，即将传感器和计算机网络系统应用于实验教学，开展科学定量的传统实验数据记录、分析、处理帮助学生进行实验探究学习，利用数字化实验的五大特点填补了传统实验的空白，扑捉瞬间变化的数据、测量微弱信号等。数字化实验包括力学、电学、热学等传统实验的数字化实验、传感器实验在数字化动态追踪、瞬间记录、数据处理、图像处理等方面较传统实验有明显的优势。数字化实验是传统实验的数字化补充，以实验为载体，体验实验数据获取过程，数字化实验的主要功能是帮助学生加强对图像的分析、理解和数据的掌控。

探究科学实验的核心部分—数字传感器实验，它的特点如下：

1. 符合中学理科新教材、新教材配套的实验核心单元。

2. 把计算机信息技术，完全融入了理科教学中。

3. 拓展加宽实验教学领域，更有利于探究学习，培养学生的创新能力。传感器技术与信息技术的有机结合，使学生能观察、捕捉并分析传统实验仪器无法接触到的微观世界、分析微弱信号和信号瞬间变化，为探索真理的存在提供依据。教学改革的核心是实实在在，真实的课堂，教学大纲对课堂教学的标准“无情景不教学，无问题不设计”的教学理念，如何扎实的有效的开展课堂教学工作呢？物理教学的重点是创设科学实验探究情景，以问题设计为导向的教学模式，在实验教学中，有效的采集信息、处理信息、将自己学习知识成果表达出来、具有完整的处理信息能力，而传感器为主的数字化实验系统的应用，恰好解决了信息处理中的三个环节的问题，大大提高学生综合信息处理的能力，更好的实现了网络信息技术与物理学科的整合。

四、数字传感器实验是否能够完全解决传统实验教学存在的问题呢？回答是否定的。要解决教学中遇到的诸多问题，需要多种手段。例如：关于必修一、必修二，运动学、力学、动力学等的学习内容时，用数字实验可以解决大多数的实验问题，但是在必修三，选修四、选修五的电学、电磁学、光学、原子物理等的学习过程中，仿真实验的优势大于数字传感器实验。在具体的实验教学中，科学实验与仿真实验的联系、区别、优势分别是什么呢？两者的联系，都是互联网时代在计算机网络系统环境下，服务于学科教学的手段。不同之处，科学实验研究结果是未知的，不可预见的，符合生活万物变化规律，一切变化皆有可能，而仿真实验是在计算机程序、编程、设计环境下符合生活规律，物理现象的预设，它的结果具有可预见性，也符合客观事物变化规律，结果是预设客观事物的变化规律展现，是附加理想条件物理规律，也是物理学习过程中的理想模型，理想物理实验情景的学习，仿真实验也是科学实验探究学习过程中的一种学习工具。科学实验与仿真实验在教学中如何结合以及使用规则是什么？科学实验现象不明显的知识需要仿真实验补充、弥补、交互使用已达到最佳的教学效果，两者的使用规则“能实不虚，虚实结合”。仿真实验在实际的教学中是不是就没有他的利用价值呢？在实际的教学中，科学实验解决不了的实验问题，仿真实验基本都能解决，仿真实验是科学实验的理想化的升级版，它的功能是非常强大的，中学物理虚拟实验初中210 个，高中 237 个，包括探究实验和演示实验，科学实验不能完成的探究实验，仿真实验都可以展现给学生，例如：在讲解电学“库仑定律影响因素”的实验探究时，科学实验是无法完成实验探究过程，而仿真实验能精准、形象、直观进行实验探究，展示库仑定律影响因素的探究，大大降低了学生物理学习过程中的难度，培养了学生学习电学的兴趣。另外，仿真实验能够解决物理学科的实验难题，例如：

在学习爱因斯坦光电效应方程时，高中阶段的实验环境不能触及的物理实验，而仿真实验可以改变条件实验条件，形象、直观、简单的展现整个实验探究过程，帮助学生理解爱因斯坦的光电效应方程的学习，大大降低了学生学习过程中的难度；在学习光的折射规律，带电粒子在磁场中运动的边界问题，都存在美妙的几何对称关系的证明时，仿真实验独特的强大功能，这是任何科学实验不能超越的：在大学实验室科研项目中，仿真实验具有其功不可没的优势。

综上所述，科学实验与仿真实验都是现代教育教学应用网络环境技术进行学科教学的手段，在未来的教学中，结合两者的优势，将物理实验教学得到高效的整合，并应用于教学，服务于未来的物理教学，真正达到科技赋能，缩短未来自然科学教育教学与现代科技发展的差距，让我们每一位从事自然科学教学的老师们先行动起来，为未来的教育工作贡献出自己的那一份热量，让物理教学变得更科学、更简单、学生乐于学习、为国家培养所需人才而贡献自己一份力量！

参考文献：

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