高中物理習(xí)題教學(xué)中應(yīng)用虛擬仿真的教學(xué)模式探討

洪哲新 梁國瑛 皮飛鵬

摘 要：習(xí)題教學(xué)在高中物理教學(xué)中占據(jù)著重要地位，探討利用虛擬仿真技術(shù)優(yōu)化和創(chuàng)新物理習(xí)題教學(xué)模式是一項(xiàng)有意義的工作.本文分析了高中物理習(xí)題教學(xué)中虛擬仿真的主要功能，建構(gòu)了探究性和支架型兩種教學(xué)模式，并給出了兩種模式結(jié)合虛擬仿真軟件NOBOOK及PhET應(yīng)用于“追及與相遇”與“v-t圖像與運(yùn)動的描述”教學(xué)的實(shí)際案例，最后討論了虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于物理習(xí)題教學(xué)的建議.

關(guān)鍵詞：高中物理;習(xí)題教學(xué);虛擬仿真;教學(xué)模式

中圖分類號：G633.7???? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B???? 文章編號：1008-4134（2021）13-0059-05

作者簡介：洪哲新（1991-），男，廣東人，碩士研究生，研究方向：中學(xué)物理學(xué)科教學(xué);

梁國瑛（1992-），女，廣東人，碩士研究生，研究方向：中學(xué)物理學(xué)科教學(xué).

通訊作者：皮飛鵬（1965-），男，湖南人，博士，副教授，研究方向：中學(xué)物理學(xué)科教學(xué).

1 引言

信息技術(shù)的飛速發(fā)展及其與教育的深度融合正在重塑教育的形態(tài)，教育部《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011-2020年）》強(qiáng)調(diào)要推進(jìn)信息技術(shù)與教學(xué)融合，建立以學(xué)習(xí)者為中心的教學(xué)模式[1];《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》提出要積極探索信息技術(shù)與物理教學(xué)的融合，以拓寬物理教學(xué)與學(xué)習(xí)的途徑[2].實(shí)際上，越來越多的教育工作者已經(jīng)將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于中學(xué)物理教學(xué)，特別是物理概念、物理規(guī)律以及物理實(shí)驗(yàn)教學(xué).習(xí)題教學(xué)是高中物理教學(xué)的重要組成部分，本文通過實(shí)際教學(xué)探討將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于物理習(xí)題教學(xué)的途徑，為優(yōu)化習(xí)題教學(xué)提供參考.

2 物理習(xí)題教學(xué)中虛擬仿真的主要功能與應(yīng)用

相比于真實(shí)實(shí)驗(yàn)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)芴峁└玫母泄袤w驗(yàn)、更方便的重復(fù)演示、更理想的實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)實(shí)環(huán)境模擬.將虛擬仿真應(yīng)用于物理習(xí)題教學(xué)，可以幫助學(xué)生突破物理情境、理解障礙、培養(yǎng)物理思維，并促進(jìn)教學(xué)方式多樣化，所以可以將其功能定位在以下三個(gè)方面.

2.1 物理情境視聽化，激發(fā)物理學(xué)習(xí)興趣

情境認(rèn)知理論學(xué)習(xí)觀認(rèn)為，情境是一切認(rèn)知活動的基礎(chǔ)[3]，知識是個(gè)體在解決具體情境問題時(shí)思維的建構(gòu)與組織[4].虛擬仿真以動態(tài)視圖形式，創(chuàng)設(shè)虛擬物理問題情境，將物理情境視聽化，幫助學(xué)生克服常規(guī)教學(xué)造成的物理習(xí)題學(xué)習(xí)的倦怠情緒，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣并促進(jìn)知識建構(gòu).

2.2 增加觀察經(jīng)驗(yàn)，培養(yǎng)物理抽象思維能力

“經(jīng)驗(yàn)之塔”理論強(qiáng)調(diào)以經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)建立有意義的概念[5]，應(yīng)用仿真將抽象的文字以動態(tài)視圖展現(xiàn)，使“抽象經(jīng)驗(yàn)”轉(zhuǎn)化為低一級的“觀察經(jīng)驗(yàn)”，可以避免常規(guī)講解中物理問題抽象、難懂的困難，為問題解決提供感性材料，幫助學(xué)生完成從具體到抽象的跨越，提高抽象思維能力.

2.3 建構(gòu)原始物理模型，突破習(xí)題解題障礙

物理解題的關(guān)鍵環(huán)節(jié)包括識別物理現(xiàn)象、選擇合適方法、運(yùn)用數(shù)學(xué)知識等[6]，而高中生物理習(xí)題解答的主要障礙在于難以建構(gòu)物理模型[7]，建立原始物理模型是習(xí)題教學(xué)的關(guān)鍵步驟.支架式教學(xué)理論提出，應(yīng)將學(xué)習(xí)者置于一定的情境中，并順著支架獨(dú)立探索問題，在發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的反復(fù)探索中不斷地完成自主建構(gòu)[8].虛擬仿真可以通過增加或減少條件，簡化復(fù)雜抽象的習(xí)題背景，突出重點(diǎn)物理特征，幫助學(xué)生創(chuàng)設(shè)原始物理模型，從而順利進(jìn)行問題探索.

根據(jù)上述功能分析，在物理習(xí)題教學(xué)中應(yīng)用虛擬仿真主要有以下幾種情況：

（1）實(shí)驗(yàn)器材與教具等無法滿足物理習(xí)題教學(xué)要求.由于學(xué)校缺少光的干涉衍射實(shí)驗(yàn)器材，筆者結(jié)合虛擬仿真軟件輔助習(xí)題教學(xué)效果非常好.

（2）有些真實(shí)實(shí)驗(yàn)呈現(xiàn)的物理過程與現(xiàn)象難以觀察與分析（如過程過快、干擾因素較多、重點(diǎn)現(xiàn)象不突出等）.例如，變速運(yùn)動追及問題中的臨界現(xiàn)象在實(shí)際中很難清晰呈現(xiàn)，而虛擬仿真的動作慢化、細(xì)節(jié)放大等處理則有利于完善這些不足.

（3）習(xí)題涉及的物理現(xiàn)象與過程是學(xué)生普遍熟知的，應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)可以提高教學(xué)效率.

3 虛擬仿真應(yīng)用于物理習(xí)題教學(xué)的兩種教學(xué)模式

要通過物理習(xí)題教學(xué)達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生物理思維能力的目標(biāo)，關(guān)鍵還是要進(jìn)行物理過程、物理模型的分析，虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用需要結(jié)合具體情況而定，為此筆者提出了兩種基本的教學(xué)模式.

3.1 探究型：先虛擬仿真與演示，后物理過程分析

當(dāng)習(xí)題涉及的物理過程是學(xué)生普遍不熟悉的、不便用真實(shí)實(shí)驗(yàn)呈現(xiàn)或呈現(xiàn)效果不利于觀察與分析的，應(yīng)該先進(jìn)行仿真演示，創(chuàng)設(shè)問題情境，再引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行問題探究，例如重力場、粒子復(fù)合場、人船模型等問題.教學(xué)流程如圖1所示.

在虛擬仿真演示環(huán)節(jié)，要突出重點(diǎn)物理現(xiàn)象與過程，啟發(fā)學(xué)生思考，幫助學(xué)生辨析解題突破點(diǎn).在學(xué)生探究環(huán)節(jié)，要注意體現(xiàn)學(xué)生的主體地位，引導(dǎo)學(xué)生積極猜想并設(shè)計(jì)探究實(shí)驗(yàn)方案，體驗(yàn)科學(xué)探究過程，并解答習(xí)題，教師則在過程中糾正學(xué)生分析和解題的誤區(qū)，加深理解.

該模式的優(yōu)勢在于：一是先進(jìn)行虛擬仿真演示，可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣并啟發(fā)思考，幫助學(xué)生帶著已知的現(xiàn)象進(jìn)行問題猜想與探究，培養(yǎng)自主分析能力;二是教師在探究過程中能觀察并引導(dǎo)學(xué)生思考，加深學(xué)生的理解;三是虛擬仿真的數(shù)據(jù)處理、局部放大、慢化處理等功能，可以規(guī)避無關(guān)因素的干擾，突出重點(diǎn)物理過程，有助于培養(yǎng)學(xué)生的針對性分析能力.

3.2 支架型：先物理過程分析，后虛擬仿真與演示

當(dāng)習(xí)題涉及的物理過程是生活中易于觀察或?qū)W生普遍熟悉的，例如斜面、杠桿等，學(xué)生已經(jīng)具備了一定的感性經(jīng)驗(yàn)，基本能夠理解物理情境并進(jìn)行簡單分析.但為了提高課堂自主探索的效率和解決課堂時(shí)間局限的問題，教師可在學(xué)生探索問題前搭建支架，再讓學(xué)生獨(dú)立分析，最后進(jìn)行仿真演示來驗(yàn)證結(jié)論，增加視覺印象，教學(xué)流程如圖2所示.

在學(xué)生獨(dú)立分析環(huán)節(jié)，學(xué)生基于已有的經(jīng)驗(yàn)儲備嘗試獨(dú)立分析并解答習(xí)題.學(xué)生盡管已有一定的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)，但仍然難以找到最快、最準(zhǔn)確的問題解決方法，教師使用虛擬仿真演示為學(xué)生搭建“思維支架”，引導(dǎo)學(xué)生的探索方向.學(xué)生在教師的建議和啟發(fā)下，建立最適合題目的物理模型.但需要注意，虛擬仿真演示應(yīng)突出原始模型，增加學(xué)生的感性認(rèn)識.

該模式的優(yōu)勢在于，首先，學(xué)生在教師搭建的支架下結(jié)合虛擬仿真進(jìn)行探索和分析，提高了教學(xué)效率從而保證學(xué)生獨(dú)立學(xué)習(xí)和思考的質(zhì)量;其次，仿真能加深學(xué)生的視覺印象，豐富觀察經(jīng)驗(yàn)，為物理抽象思維能力的培養(yǎng)儲備感性材料;再次，仿真可以規(guī)避一些無關(guān)因素，將復(fù)雜問題模型化并突出重點(diǎn)，仿真結(jié)果與原理分析的完美自洽，能增強(qiáng)說服力，深化學(xué)生邏輯思維.

4 虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于物理習(xí)題教學(xué)的教學(xué)案例

筆者采用上述教學(xué)模式在廣州市某高中進(jìn)行了近3個(gè)月的教學(xué)實(shí)踐，下面以“追及與相遇”與“v-t圖像與運(yùn)動的描述”習(xí)題教學(xué)為例，分別利用NOBOOK與PhET虛擬仿真軟件進(jìn)行示例.

4.1 探究型：NOBOOK應(yīng)用于“追及與相遇”習(xí)題教學(xué)

分析追及與相遇問題一般從“速度相等”這一臨界條件入手，然而在實(shí)際運(yùn)動中該臨界條件下的物理現(xiàn)象是不明顯、不便于觀察與分析的.選用探究型教學(xué)模式，應(yīng)用NOBOOK對“追及”過程作局部的放大與慢化處理，重點(diǎn)突出追及過程中的位移和速度的變化，能更有針對性地幫助學(xué)生分析物理過程，促進(jìn)學(xué)生思考與積極探究，教學(xué)設(shè)計(jì)見表1.

例題1 A以20m/s在平直的單行道上行駛，緊急制動后4s停下，制動過程可視為勻減速直線運(yùn)動.A發(fā)現(xiàn)在正前方18m處有B正以6m/s的速度同向勻速行駛，A立即制動.關(guān)于是否會發(fā)生追尾，某同學(xué)解答過程是：“設(shè)A制動后4s的位移為sA，B在這段時(shí)間的位移為sB，則sA=vAt=40m，sB=vBt=24m，位移差Δs=sA-sB=16m<18m，兩車并不相撞！”請問該分析合理嗎？學(xué)生思考題目，小組討論，并嘗試用NOBOOK設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案該題是勻減速直線運(yùn)動與勻速直線運(yùn)動結(jié)合的追及問題，主要考查學(xué)生對勻變速直線運(yùn)動的掌握程度及對多物體同時(shí)運(yùn)動的圖像建構(gòu)完整度，涉及到兩個(gè)研究對象的三個(gè)物理量——v、s和t的動態(tài)變化問題.學(xué)生在建構(gòu)運(yùn)動過程時(shí)有一定難度，難以辨析何種情況為臨界狀態(tài)，而這恰是該題的突破口.學(xué)生容易誤以為當(dāng)A勻減速至速度為0時(shí)，兩車是否相遇是判斷兩車是否會追尾的條件，陷入思維誤區(qū)

虛擬仿真演示

在本環(huán)節(jié)，教師布置學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，設(shè)置NOBOOK軟件參數(shù)，仿真習(xí)題的物理過程

在學(xué)生自主探究過程中，教師引導(dǎo)學(xué)生觀察、討論虛擬實(shí)驗(yàn)，并解釋實(shí)驗(yàn)過程，得到結(jié)論

學(xué)生分別用藍(lán)球、紅球代表A和B，設(shè)置初始參數(shù)，取藍(lán)球位于（0，0），初速度為20m/s、加速度為-5m/s2;紅球位于（18，0），以6m/s勻速行駛.觀察、討論、解釋實(shí)驗(yàn)過程，得到結(jié)論（如圖3）

通過仿真演示，學(xué)生能定量分析出A、B相遇時(shí)的位移關(guān)系，并且發(fā)現(xiàn)：減速至靜止并不是判斷AB追尾的條件.教師引導(dǎo)學(xué)生基于例題1，應(yīng)用NOBOOK進(jìn)一步仿真演示，深入探究相遇的條件

4.2 支架型：PhET應(yīng)用于“v-t圖像與運(yùn)動的描述”習(xí)題教學(xué)

位移x、速度v、加速度a是必修1運(yùn)動學(xué)部分的基本物理量，學(xué)生對此具備一定的前概念.通過知識遷移，學(xué)生相對比較容易理解速度與位移概念，但對加速度的理解存在困難.另外，理解并繪制v-t圖像是本章的學(xué)習(xí)重點(diǎn)，但初學(xué)時(shí)學(xué)生往往對v-t圖像的斜率、截距等數(shù)學(xué)量的物理意義不是很清楚.本案例選用支架型教學(xué)模式（見表2），教師在常規(guī)教學(xué)后應(yīng)用PhET進(jìn)行v-t圖像生成過程的演示，能加深視覺印象，幫助鞏固與理解知識，突破教學(xué)難點(diǎn).

題意識別引入開放性的例題，鼓勵學(xué)生嘗試從不同角度描述汽車的運(yùn)動情況

例題2 小明控制遙控汽車做勻變速直線運(yùn)動，初始速度為6m/s，經(jīng)過5s后，速度為-4m/s，請描述這5s內(nèi)小車的運(yùn)動情況學(xué)生思考與討論該題是開放題，不拘泥于公式定理的套用，重在鼓勵學(xué)生從不同角度構(gòu)建物理情境，拓展思維.教師在觀察學(xué)生的反應(yīng)后，提供PhET仿真并搭建支架，引導(dǎo)學(xué)生觀察并思考問題，加深對v-t圖像的認(rèn)識

5 結(jié)束語

虛擬仿真應(yīng)用于物理習(xí)題教學(xué)需要注意的問題：首先，在教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，要注意結(jié)合實(shí)際教學(xué)情況決定是否應(yīng)用虛擬仿真;其次，要注重典型的物理習(xí)題設(shè)計(jì)與原始物理模型的建立，在此基礎(chǔ)上應(yīng)用虛擬仿真幫助學(xué)生解決物理習(xí)題的復(fù)雜性與抽象性的問題;再次，要注意恰當(dāng)設(shè)計(jì)“題眼”，啟發(fā)學(xué)生循序漸進(jìn)地得出結(jié)論;最后，在實(shí)施虛擬仿真教學(xué)時(shí)，課堂氣氛會相對活躍，動態(tài)視圖也容易分散學(xué)生的注意力，巧妙地控場也是教學(xué)中必須攻克的難點(diǎn).

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（收稿日期：2020-12-13）