高中物理传统实验与仿真实验的融合

经过近五年的实验教学，高中物理实验教学中过程中，关于仿真实验与传统实验的融合教学过程中，仿真实验的科学性、理想性、灵活性、仿真性、创新性等优势和劣势谈谈自己的实践总结。

一、仿真实验软件的科学性

高中物理仿真实验的科学性，首先体现在其严谨的理论基础上。它基于牛顿力学、电磁学等物理原理构建数学模型，通过算法动态还原实验现象，依托 3D 引擎和虚拟仿真算法，实验器材与环境均进行精细化建模，确保操作逻辑与物理规律一致。在教学功能上，仿真实验突破了传统实验的局限。它可以将电场、磁场等不可见现象或微观粒子运动通过动态图像直观呈现，帮助学生深化对规律的理解。此外，仿真实验还支持学生自主设计变量组合，培养控制变量法和实验设计能力。对于高危或耗时实验，仿真实验也能通过压缩时空尺度安全实现。更值得一提的是，仿真实验与实物实验相结合，形成了“虚拟预习→实物验证”的闭环模式，提升了教学效率。

二、仿真实验软件的理想性

在物理实验教学中，仿真实验对理想实验和经典实验进行理想化处理，为物理实验教学，带来了很多便利，对已有理论的补充和完善都起到积极的推动作用。高中的物理学习，重要方法是对物理过程建模，仿真实验帮助学生建立“理想模型”创建学习环境，体验研究过程，形成物理概念，理解物理定理和定律内涵与外延。仿真实验能够突破客观因素所带来的限制，支持任意实验情景下搭建和建构物理模型，进而改变了物理实验教学的现状，展现了教材中理想实验变化过程，化静为动， 变抽象为具体，使看不见，摸不到的实验现象，可视化，数据化。如：探究“法拉第电磁感应定律”的实验中，动态的条形磁铁磁感线的变化，在闭合回路中磁通量发生变化，发生相对运动，产生感应电流，电流表任意时刻的瞬间变化，让学生感受产生的感应电流，电路中产生了感应电动势。

图 1—1

图 1—2

在这一过程中，传统实验，提供实验情景，实验现象明显、指针偏转较大，灵敏电流计使用小流程，为何产生指针偏转现象？实验原理分析显得枯燥、难懂。利用仿真实验，直观展现理论假想的磁感线和磁通量的变化量，运用逻辑推理，突破很难理解的感生电原理，利用仿真实验，学生身临其境，感悟物理概念、定理、定律的形成，利用仿真实验创造的环境，体验不一样的实践型学习。仿真实验的理想性在理论、概念、物质观的形成过程中，化抽象为具体的优势，但是也存在它的缺点，不能体验实验操作过程，学生的实践能力、动手操作能力、发现问题、检查问题、解决问题的能力训练培养。

三、仿真实验软件的灵活性，给学生创建实践型环境

1. 传统物理实验，由于受地理环境的限制和实物条件制约，难以发挥灵活的功能和作用，利用仿真实验，能够灵活进行实验条件和环境的改变达到辅助教学，可以提高课堂演示效果。如：“单摆”这节课教学中“影响单摆周期的因素”的教学中，通过改变重力加速度的参数，图 1—3 取 g=9.8m/s2 ， 图 1—4 取 g=16.8m/s2. ， 通过仿真实验的探究定性结论，影响单摆周期的因素与重力加速参数成反比的结论，下来需要定量的进一步的探究，在教学中无法同步进行异地改变教学，利用仿真实验，让学生感受实践型学习的优越感。

图 1—3 图 1—4

2. 实验条件制约，传统实验现象不理想的仿真实验替代，例如：探究影响平行板电容器电容影响的因素实验中，实验操作、分析、推理、实验结论总结，5 分钟教学结束，并且实验现象明显直观，让复杂的实验探究过程变得简单，复杂的实验课，变得更加简捷高效，体现物理学科特点，提高课堂教学的质量和效率。

图 1—5 图 1—6

实践型学习是指教育领域的模拟环境，通过利用现有数据集，数据可视化和有待学生解问题，旨在提供有支持的、模拟的科学探究体验。教学的重点是帮助学生发现所选参数之间的关系，教师设计者能开发，分享、充分利用数字技术建模的教学模式，从而支持实践型学习，教育将受益匪浅。

四、仿真实验软件的仿真性，培养学生探究型学习

仿真实验不仅实验现象真实，而且遵循实验规律，利用电脑软件技术，编程设计出符合生活规律的实验现象，可直接在电脑上，在线模拟操作，使教学内容直观，形象，高效。如：“库仑定律”教学中，既可以通过带电小球与通草小球的定性探究，也可以通过扭秤实验装置，定量的探究，不足之处，定量研究的原理分析直观简单，唯有不足之处定量的数据采集没有，这知识点不是常规的教学手段所能突破的，未来的教学努力方向，利用数字实验能够精准测量，探究，是教师的努力方向、也是未知领域探索的知识。目前利用仿真实验进行实验器材的空缺补充，实验环境和原理的学习，教学中还没有实验规律性数字研究。实验装置逼真、便于学生可以在教室，随时随地利用空余时间进行实验操作，可以反复操作，反复观察，经过相应实验信息的加工处理，最终建立概念，规律，形成物理核心素养的物质观。

图 1—7 图 1—8

利用数字资源软件工具支持探究过程，学生能形成更有效的探究型学习方式。数字技术对于探究型学习的价值，在于让学生能更好地获取信息资源，让学生在探究过程中能更好地得到指导、挑战和支持。学生看重他们在探究过程中体验个人参与感，获取知识的学习过程。

五、仿真实验软件的创新性，培养学生讨论型学习

传统物理实验教学和数字环境中的教学，学生和老师的角色不同。数字环境下，学生的学习方式以同伴式教学，教师作为学生主持人的引导者，辅助教学。仿真实验在教学中，改变了传统的实验环境，以新形式和新资源，电脑软件平台为载体，智能黑板为主阵地，突破物理教学的环境条件。传统实验教学中无法解决的难题，仿真实验给与技术补充，达到互补教学，给物理教学带来了诸多灵活性和创新性。例如：在讲解力的动态平衡时，可以看到动态变化，便于分析合力不变，分力的变化规律。

图 1—9

物理知识隐蔽在物理现象中，在物理学习的过程中，物理知识的讲授、分析、理解难度相对比较大，协助学生对讨论型学习方式的推进，通过仿真实验给学生提供知识学习的情景原理分析，动态、显像、直观模拟展示给学生，如：单摆回复力知识学习过程中，回复力是重力的一个分力，可以动态分析，进行观察，分析，学习，让物理的学习变得如此简单。给学生提供了高效的数字模拟学习环境，身临其境的学习物理知识，体现数字化赋能在物理教学中的优越性。

最后，仿真实验在教学的过程中也有它的局限性，具体分析如下

图 1—8 图 1—9

实验的设计过程是建立在“理想条件”的基础上，有些突发问题，偶发物理现象，造成实验系统误差的呈现的不够全面，物理的学习过程研究的是生活中的物理现象，是千变万化，一切皆有可能的，仿真实验只能呈现理想情况下的物理规律，对实验误差分析环节，仿真实验难以达到了“尽善尽美”，不利于学生进行实验误差分析，此现象必须将传统物理实验与仿真虚拟实验相结合进行物理教学，使物理的教学效果达到创新性、高效性，使物理现象形象、直观引导学生乐于学习物理的教学环境，培养学生学习物理兴趣及热爱科学、落地与物理学科核心素养的形成。

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