仿真物理实验在初中物理教学中的应用利弊谈.docx

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仿真物理实验在初中物理教学中的应用利弊谈

“仿真物理实验”在初中物理教学中的应用利弊谈

摘要：

本文通过列举“仿真物理实验”软件在初中物理教学中的应用实例，并和传统实验教学模式相比较，探讨了“仿真物理实验”软件在物理实验教学中的积极作用和可能带来的消极影响，初步提出要使“仿真物理实验”软件得到有效应用应注意的问题。

关键词：

仿真物理实验教学比较

随着中国科技大学物理系编制的“仿真物理实验”等一批仿真实验软件的面世，表明信息技术在实验教学领域又有了新发展。

虚拟仿真实验运用多媒体课件开发工具，通过计算机操作系统演示实验过程中的图形、图像、文字、数据等，它具有快捷、易学、简单、直观等优点，能使老师根据教学计划制作实验课件，模拟实验情境，展现教学意图，有效提升物理实验课程的教学质量并帮助教师探索新的教学方法和模式。

虚拟仿真实验因其直观、快捷、易学等优点，可在物理实验教学中部分代替实际实验，它是一个全开放性、高综合性的平台，在提供相关的实验实时数据的同时，予学生进行计算分析。

“仿真物理实验”提供了为教师和学生进行传统物理实验及自由实验探索提供了平台，给物理实验教学带来了新的教学手段，也带来一些值得思考的问题。

一、物理仿真实验在初中物理教学的应用举例

1、利用虚拟仿真实验探究电路短路问题

电路短路问题是初中物理教学中的重点难点问题。

虚拟仿真实验通过虚拟电学工具箱，增强了学生对于短路问题的理解和认识，保障解决变式问题和实际问题的能力。

以下为实验环节演示：

实验环节1：

观察电源短路现象

第一步通过虚拟电学工具箱提供的电源、电表、开关、保险丝等组件，使用鼠标拖动组成一个短路电路；

第二步将电源两极直接与开关两端相连并打开开关，（提问学生“将会出现什么现象？

”）观察现象；

第三步连接电流表（提问学生“将会出现什么现象？

”）观察现象。

通过实验演示，第二步中会出现“干电池短路”的警告语，第三步则会出现电流表超出最大值的现象。

这一环节的虚拟实验使学生体验电源短路并了解电源短路会造成极大电流出现并烧毁电源、引发火灾的事故。

实验环节2：

电源短路后的保护措施

第一步在已短路的电路（连接电流表）中串联保险丝并打开开关（提问学生“将会出现什么现象？

”）观察现象；

第二步得出结论，即保险丝断裂，电流表数值归零。

这一环节的虚拟实验使学生认识串联保险丝是防止电源短路的措施之一，同时在条件允许的情况下可展示闸刀开关、空气开关等防止短路的组件。

实验环节3：

认识用电器短路现象

第一步组建串联电源与灯泡和并联电源与灯泡的电路，先打开串联开关，后打开并联开关（提问学生“将会出现什么现象？

”）观察现象；

第二步观察实验现象，即串联开关打开后两只灯泡均发光，打开并联开关后一只灯泡熄灭，另一只亮度增强；

第三步向学生提出“为什么一只灯泡熄灭了而另一只却变亮了？

”、“熄灭的灯泡被烧毁了吗？

”“这种操作是否安全？

”等问题并鼓励思考。

这一环节的虚拟实验使学生认识用电器串联时，若其中某一用电器短路，则整体电路电流增大、可能烧毁其他用电器或者其他用电器使用不正常。

实验环节4：

并联电路的短路现象

第一步：

组建两组并联电源与灯泡的电路，打开开关，（提问学生“将会出现什么现象？

”）观察现象；

第二步观察现象并得出结论，即并联电路中，若其中某一用电器短路，则其他用电器都不正常工作同时烧毁保险丝。

这一虚拟实验可以使学生发散到多个用电器并联短路时的结论，即并联电路短路情况下所有用电器均不工作；家用电器一般并联使用并安装保险丝，同时需要合理避免电器短路。

 2、利用虚拟仿真实验探究闭合电路中的欧姆定律

  欧姆定律是初中物理教学中的基本定律之一，是拓展电学知识和分析电路的基础，虚拟仿真实验通过虚拟电学工具箱，设计闭合电路中欧姆定律的推导演示环节如下：

  实验环节1：

推导前的猜想与假设

  第一步：

利用虚拟仿真实验中的虚拟电学工具箱，演示出不同电压下小灯泡的亮度现象；

第二步：

演示出相同电压不同电阻下小灯泡的亮度现象；

第三步：

提问如“电流的变化可能与哪些因素有关？

”“电压不变，电阻增大，电流有什么变化”等并给出结论，即电阻相同，电压增大的情况下电流变大；电压相同，电阻增大的情况下电流变小。

  实验环节2：

探究电阻相同情况下电流与电压的关系

  保持电阻不变，通过改变电池个数增大电压值，观察电流的变化情况并记录，得出结论和规律。

即：

在电阻保持不变的情况下，电流随着电压的增大而增大并且始终保持电压和电流的比值不变，得出R=U/I的结论公式。

  实验环节3：

探究电压相同情况下电流与电阻的关系

  保持电压不变，通过改变电阻的个数增大电阻值，观察电流的变化情况并记录，得出结论和规律。

即：

在电压保持不变的情况下，电流随着随着电阻的增大而减小并且始终保持电阻和电流的乘积不变，得出U=IR的结论公式。

3、测量电阻的阻值

这是用伏安法测量一个电阻阻值的实验。

在这个实验中，需要用到电池组一个，单刀单掷开关一个，滑动变阻器一个，电阻一个，安培表与伏特表各一个。

第一步：

选择实验元件。

先在工具里的器件箱点击选择需要使用的元件，再在工作区里点击鼠标，把它们放在实验区中，然后按顺序排列好。

第二步：

调节元件的属性。

因为各元件的默认属性一般不适合实验的需要，这时用鼠标右键点击实验区中的普通电阻，弹出菜单中选择[属性]，这时将弹出电阻元件的参数设置窗体。

在这个实验中，设置电阻的阻值为2Q，再用同样的方法设置滑动变阻器的属性，总电阻10Q，滑片放在最右边。

第三步：

下面用导线根据电路原理把这些元件连接起来。

连接时，先用鼠标点击需要连接元件的一个接头然后松开鼠标，把鼠标滑到另一个需要连接的元件接头处，再单击鼠标，一根导线就连接好了。

提示：

如果在连接中，在空白区域点击鼠标，将在点击鼠标处安置一个导线的固定端。

这样可以把电路中的导线调节的横平竖直，使电路显得井井有条。

如认为连接的导线不合适，可单击要删除的导线，使它变成红色再单击右键的“删除”即可把导线删除掉。

这样就把电路连接成如图1所示。

第四步：

用鼠标双击单刀单掷开关，闭合电路。

第五步：

实验时，用鼠标左键按住滑动变阻器的滑片不放，左右滑动鼠标。

滑动变阻器的等效电阻随之发生变化，电流表与电压表的指针也随之发生移动。

读出电压值与电流值，就可以用欧姆定律来计算出电阻的阻值了。

图1

注：

1、点击主菜单中[编辑]→[显示电流方向]，仿真物理实验室一电学，便可显示电路中的电流方向。

2、点击主菜单中[编辑]→[实物图／电学符号]，可以使您的电路在实物图与电学符号图之间切换。

3、点击工具栏中的[注释]和[修复]按纽，可添加注释说明和修复因操作不当损坏的元件。

4、用天平和量筒测量石块的密度

第一步：

新建一个实验项目。

在这个实验中，我们要用天平测量称量出小石块的质量，用量筒测出它的体积。

我们需要用到天平、量筒和一个小石块。

与上述方法相同，从器件箱中“拿出”这些器件，放置在实验区中。

第二步：

我们先用天平称量出小石块的质量。

根据规范，被测物体只能放在天平的左盘上。

用鼠标左键点中小石块不放，滑动鼠标，把小石块移到天平的左盘上，然后松开鼠标，小石块就被放在了天平的左盘上。

天平的砝码可以用同样的方法放在天平的右托盘上（演示时注意轻拿轻放）。

移动游码时，用鼠标按住游码不放，然后左右移动就可以测出小石块的质量（图2）。

第三步：

然后我们用量筒测量小石块的体积。

用右键单击量筒，调节量筒的属性，先在量筒中放入30g的水，然后用鼠标点中小石块不放，把石块放入量筒中，液面上升后，再读出量筒的读数（图3）。

小石块的体积就是两次的读数差。

第四步：

最后通过计算就可以得出小石块的密度了。

图2图3

二、“仿真物理实验”软件在实验教学中的积极作用

1、“仿真物理实验室”保证了实验项目和数量，打破了时间和空间的局限

有些实验耗资大，仪器操作要求较高，易于损耗，一般学校难以开出。

实验仪器更新周期相对较长，跟不上现代科技的发展，存在着学生规模与实验基础设施、实验开出规模滞后的比例失调问题。

“仿真物理实验”软件的面世，弥补了因实验设备及经费不足等造成的缺憾，保证了物理实验的项目和数量。

它不仅通用性强，可靠性高，便于维护和升级换代，还取消了实验条件的特殊限制（如光学实验必须在暗室中进行等）及实验对环境的影响。

作为一个“开放的实验室”，它打破了时间和空间的局限，学生可在课外继续实验，亦可以通过校园网或因特网，在任何地点自学，利于学生根据兴趣选择，并能满足不同层次学生的需求。

它还充分利用信息技术手段，提高了学校硬件设施的利用率，提高了实验效率。

2、“仿真物理实验”拓展了观察的广度和深度

“仿真物理实验”不仅通过三维动画把实验仪器全方位展示给学生，还可拆卸关键部位，对仪器内部部件进行解剖调整，并能在实验过程中实时观察仪器的各种指标和内部结构动作，增强了学生对仪器的熟悉和对其功能把握程度，为更好地理解仪器的工作原理打下基础。

“仿真物理实验”不仅能帮助完成一些仪器在真实实验条件下难以实现的实验，生动形象、清晰明了地展现实验全过程，如模拟CT成像的各个环节等等。

能控制观察对象的运动起止、速度快慢，并根据需要重新编排时间顺序、空间位置，扩展或收缩实验场景。

让抽象的物理概念变得生动，把一些不易观察的微量放大，让本来只能一人观察的视图，在同一时间供多人观察，更便于学生观察实验细节，减少遗漏，避免了因观察范围限制或次要因素的干扰而走入思维误区。

软件提高了读数精度，减少观察者因肉眼估计及仪器精度而引入的误差。

并可绘制物理图线，进行结果分析与处理，帮助学生了解实验规律。

此外，“仿真物理实验”软件具有较大的适应力，亦可以经过设置和再开放，成为理论教学的辅助工具而开阔学生视野，触发想象力，提高学生实验和学习兴趣。

“仿真物理实验”软件对实验报告还具有批改和处理能力，并可对实验能力进行分项评价，使学生及时获得反馈信息，寻找错误原因。

教师也可依需要随时查询各个学生的报告，归纳错误类型，存储、积累各种实验教学资料，优化实验考核内容。

3、“仿真物理实验”可建立一个适于研究性、探索性实验的平台

传统物理实验教学，强调使用仪器的训练，以传授知识，验证已有的科学结论为目的，把学生置于被动地位，他们很少有进行选择、创造测量和实验探索方法的机会。

忽视通过实验培养学生科学的思维方法、探索精神和创新意识等重要方面。

“仿真物理实验”平台采用模块化的结构，把实验按功能划分为许多独立的模块，便于学生进行选择和组合，并为研究性实验、探索性实验建立了自由平台，从而打破以教师为中心的教学模式，鼓励学生改进实验方法和实验装置，进而自己设计实验，利于启发学生的求知欲望、想象力、探索精神、利于创造力的发展。

随着计算机技术在各领域的的应用和普及，实验仪器、手段不断发展，能够满足大规模数据处理和数据可视化等要求。

仿真实验室的应用，缩短了学生所学知识与现代实验技术的距离，能更好地适应未来工作需求。

二、可能带来的消极作用

就像任何事物有其积极一面，也必有其不足之处一样，目前“仿真物理实验“软件的局限性也是显而易见的。

1、可能淡化对基本技能训练的重视程度

著名的英国卡文迪许实验室原则是：

“用最简单的仪器作出最好的结果”。

这也是在实验教学中应使学生树立的信念。

为此，学生必须有良好的动手能力和克服困难，利用简单设备及代用品筹划和操作，做好实验的习惯。

在使用“仿真物理实验”软件的过程中，学生可能会由于把注意力集中于计算机操作上，淡化了对基本技能训练，甚至可能由于缺少实际动手机会，妨碍利用现成的简单设备进行探索和实验的欲望和习惯养成。

2、减弱对仪器的真实感受和基本技能的训练力度

课程标准要求学生能规范地、熟练地掌握各种常见仪器操作技巧，即对各种常见仪器的零位调节，水平、垂直调节，电路连接，光路调整及各种仪器的正确读数姿势等动作技能达到“自动化”程度。

这就必须保证对实际仪器的足够重复操作次数。

一味使用计算机则会减弱对仪器的真实感受和基本技能的训练力度。

另外，在实现仪器间的配接时一般要考虑接触的是否良好、稳定与牢固，在进行实验操作时，一些不必要的牵动，一些不正确的操作习惯和思维盲点等都会直接影响到实验结果。

而在仿真实验室中这方面的影响却很小，由于缺乏必要的体验，学生可能会因此忽视一些操作细节及规范性，进而影响良好实验习惯的养成。

3、减少学生应对突发事件的机会

在实验中遇到仪器方面故障、突发问题及由于某些条件不能满足或改变，会使学生遭遇问题，增加克服困难的训练机会，提高学生解决问题的能力。

而仿真实验室的条件相对理想，减少了学生应对突发事件、排除故障及对实验仪器的常规检修的机会，又由于“仪器”相对比较精确，也使学生无法通过实验数据处理，误差分析这一环节训练，体验、分析来源于仪器和操作者等产生误差的主要原因，减少了对整个实验过程的反思及寻找可用的经验和过失机会。

要使“仿真物理实验”的有关软件得到有效应用，首先要求学校领导和教师改变教育和教学理念，具有课程整合的意识，打破现有的课堂教学时间和课堂管理模式的限制；其次，新的科技的加入，学生探索精神、研究能力、创新意识的提高，也向教师的知识结构、科研能力提出了挑战。

教师必须努力提高相关能力；再者，在使用模拟实验室的过程中，教师的素质和经验起着举足轻重的作用，所以需要提高教师的信息素质和应用软件的水平，不仅要充分发挥其在实验预习和复习中的优势，要根据学生实际情况进行调整和再创作，还要花力气认真研究，将光电、传感等技术与其有机地结合，找到“仿真物理实验”和传统实验的最佳结合点。

随着仿真技术的进一步发展，相信“仿真物理实验”的应用范围和前景将更为广阔，物理实验教学的路子也将越走越宽广。