基于Geogebra 软件的物理实验创新设计

《普通高中物理课程标准（2017 年版2020 年修订）》（以下简称“新课标”）实施建议指出：“重视科学探究能力的培养和信息技术的应用。现代信息技术跟科学探究密切相关，应该把信息素养的提升作为科学探究能力培养的重要内容。”[1] 在如今逐渐完备的信息化时代，智能手机在数字化实验中已经成为一个不可忽视的工具。本文借助Geogebra 软件构建动态光学模型，直观呈现物距、像距与成像特点的动态关系，对凸透镜成像规律实验进行了创新设计。

1 研究背景与意义

1.1 研究背景

在初中物理教学中，“凸透镜成像规律”是光学板块的核心内容，对学生理解光的折射原理、建立物理模型思维具有重要意义。但传统的凸透镜成像实验存在诸多不足。一方面，实验器材受环境光线、器材精度等因素影响，成像效果不稳定，导致学生无法清晰观察成像特点的变化过程。另一方面，在测量物距、像距等数据时，人工读数误差较大，难以准确呈现物理量之间的定量关系，使得学生对成像规律的理解仅停留在表面。

1.2 研究意义

通过 Geogebra 软件对“凸透镜成像规律”实验进行创新设计，能够有效解决传统实验教学中的问题，提高实验教学效果。为一线物理教师开展实验教学提供可借鉴的创新模式与实践方案。

1.3 GeoGebra 软件介绍

GeoCebra 是一款免费的数学教育软件。该软件最早是由美国亚特兰大学的奥地利数学家 Markus Hohenwarter 设计的。GeoGebra 一词由几何（Ceometry）与代数（Algebra）两个词构成，就是数形结合的意思。[2][3]GeoGebra 具备动态绘图、变量处理、数学运算等功能，能创建几何图形、函数图像，模拟物理运动过程，支持多种格式输出，方便教师在教学中灵活运用。

1.4 初中物理实验教学创新思路的重要性

通过改变初中阶段物理实验教学的方式，不仅可以有效帮助学生学习知识，还有助于培养学生的探究能力和创新思维。通过创新实验教学，学生可以直观地观察物理现象，亲手操作实验设备，从而深刻理解物理概念和原理，增强对物理学科的兴趣和认同感 [4]。通过这种参与式的学习体验，学生不仅能感受科学研究的乐趣，更能培养严谨的探究精神。在实验过程中，学生需要综合运用物理知识进行分析判断并寻求解决方案，这一过程有效培养了学生的逻辑思维和批判性思维能力，为后续学习和生活奠定了重要基础 [5]。

2 初中物理实验教学现状分析

2.1 初中物理实验教学流于形式

在传统教育理念束缚下，初中物理教师常忽视实验教学，仅将其作为引课工具或可有可无的环节，教学重心仍聚焦于知识讲授与习题训练，致使实验教学流于表面，既未引导学生深入探究物理本质，部分课堂甚至缺失实验环节，严重制约教学效率与学生知识体系构建。

2.2 教师对物理实验教学缺乏重视

在新课改及双减背景下部分教师没有转变传统教学观念，没有结合教育改革要求及时更新自己的教育理论丰富自己的教学方法，教学理念陈旧。在初中物理教学阶段片面的将教学和评价重点放在了学生的学习成绩上 ， 只侧重对学生基础知识的传授 ， 采用“题海战术”让学生进入疯狂刷题模式，试图通过大量的习题训练“以练促学”[6]。

2.3 初中物理实验教学缺乏创新和改进

八年级学生初涉物理时，往往充满好奇与期待，对物理实验及神奇现象兴趣盎然，各类实验器材极易激发其探索欲望。但现实中，多数教师仍采用传统教学模式，存在实验准备不充分、开展次数少、现象不明显等问题，分组实验设计枯燥，操作引导不足，导致学生动手实践机会匮乏。

2.4 教师缺乏对学生科学素养的培养

目前物理实验教学主要分为三种方式：教师演示、学生实验展示和学生分组实验。多数教师在学生做分组实验的指导过程中 ， 流水化的按照课本思路向学生介绍实验器材、实验原理和实验步骤，导致学生没能掌握物理器材的使用方法，也不能在实验过程中锻炼自己的实验探究能力和动手操作能力 [7]。

3 初中物理实验改进与创新策略

3.1 初中物理实验改进与创新策略

（1） 增强实验可视性

教材中部分实验存在现象不显著的问题，实验过程中往往只有前排学生能够清晰观察到现象。并且一些实验干扰因素较多导致成功率较低，教师需反复操作才能呈现与实验结论相符的现象。

（2） 简化实验器材

部分实验虽现象明显，但器材复杂、难以获取，导致学生参与度不高。若实验器材取材于学生日常生活，学生不仅更乐于参与实验，课后也能自行寻找器材重复操作。

（3） 理论分析转化为直观实验现象

部分物理概念的构建与物理规律的推导，仅依赖理论分析，缺乏实验及直观现象的支撑。而物理学科的特性决定了其必须以实验为基础，单纯的理论讲授不利于学生深入理解物理现象与规律。所以需要借助直观的实验现象帮助学生更好地掌握物理知识。

4 基于Geogebra 软件的“凸透镜成像规律”实验创新设计

（1）动态模型构建

模型架构设计：在Geogebra 软件中构建三维动态凸透镜成像模型，模型包含可调节的凸透镜、发光物体（如蜡烛）、光屏等基本元素。学生可通过鼠标拖动发光物体改变物距，光屏实时呈现成像的大小、倒正、虚实变化，同时在界面上动态显示物距（u）、像距（v）、焦距（f）等参数的具体数值。此外还可以设置不同焦距的凸透镜选项，学生可切换透镜，观察不同焦距对成像规律的影响。

（2）实验探究任务设计

基础探究任务：引导学生从基础实验入手，探究不同物距（如 u>2f、f 应用探究任务：结合生活实际，设计应用探究任务，如模拟手机摄像头成像、投影仪成像等。学生利用Geogebra 模型，分析在不同场景下如何调节物距、焦距等参数，以达到理想的成像效果。

5 结语​

初中物理实验教学对学生科学素养的培养和综合能力的提升具有不可替代的重要价值。应当整合建构主义先进理念，创新实验教学模式。本研究基于Geogebra 软件对“凸透镜成像规律”实验进行创新设计，通过教师访谈反馈验证，该创新设计有效改善了教学过程，能提升学生对成像规律的理解与应用能力，激发学生的学习兴趣，不仅能显著提高物理教学质量，更能为学生的终身学习和发展奠定坚实基础。

参考文献：

[1] 中华人民共和国教育部 . 普通高中物理课程标准（2017 年版 2020 年修订）[S]. 北京：人民教育出版社，2020.

[2] 沈翔 .GeoGebra 基本操作指南 [M].1 版 . 北京：高等教育出版社，2016：1-2，7.

[3] 王贵军 .GeoGebra 与数学实验 [M].1 版 . 北京：清华大学出版社，2017：1-2.

[4] 杨文乐 . 初中物理教学模式和教学方法的创新研究 [J]. 广西物理，2023，（02）：165-167.

[5] 王鹏 . 初中物理实验教学存在问题与改进策略分析 [J]. 中国新通信，2020，（18）：222-223.

[6] 吴锦兰 . 以核心素养为导向 促初中物理高效教学 - 基于核心素养的初中物理教学策略探究 [J]. 考试周刊 ，2021.11.

[7] 姜艳婷 . 浅谈高中物理教学中的实验教学 [J]. 中学生数理化 （ 学研版 ），2015.041-2.