史海龍

【摘要】相對(duì)而言，高中物理學(xué)科的知識(shí)點(diǎn)較為復(fù)雜且深入，對(duì)學(xué)生物理思維能力、物理創(chuàng)新能力，抽象思維理解能力等要求較高.而物理作為一門理論與實(shí)踐結(jié)合度較高的學(xué)科，要求教師在教學(xué)過(guò)程中積極引入各類物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，以培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手、動(dòng)腦探究能力.在物理學(xué)科實(shí)驗(yàn)中，存在諸多理想性實(shí)驗(yàn)，此類實(shí)驗(yàn)難以在現(xiàn)實(shí)生活中完成實(shí)驗(yàn)操作.而如今，在信息技術(shù)的不斷發(fā)展下，理想實(shí)驗(yàn)可以通過(guò)信息技術(shù)完美達(dá)成.本文以高中物理力學(xué)知識(shí)為例，探索應(yīng)用信息技術(shù)模擬理想實(shí)驗(yàn)在物理教學(xué)中的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用.

【關(guān)鍵詞】信息技術(shù)；高中物理；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

在信息技術(shù)發(fā)展與演變的過(guò)程中，諸多技術(shù)人才共同打造了功能多樣的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)平臺(tái)，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠簡(jiǎn)單完成諸多在現(xiàn)實(shí)生活中難以完成的事件.而在新課程標(biāo)準(zhǔn)的大力推動(dòng)下，我國(guó)教育部門更是提出了將信息技術(shù)全面引入教學(xué)工作中的要求，致力于為學(xué)生打造信息化、智能化的課堂.將信息技術(shù)應(yīng)用于高中物理教學(xué)時(shí)，可以培養(yǎng)學(xué)生的抽象思維能力，使各類復(fù)雜、難懂或深?yuàn)W的物理知識(shí)，以更直觀的狀態(tài)展現(xiàn)在學(xué)生面前，這一特征與新課標(biāo)提出的高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的理想實(shí)驗(yàn)需求高度相符.善用信息技術(shù)，可以將無(wú)法真實(shí)演示的理想實(shí)驗(yàn)，在各類虛擬實(shí)驗(yàn)室或線上實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中加以展示，學(xué)生可以直觀感受理想實(shí)驗(yàn)原理及結(jié)論，能為學(xué)生帶來(lái)更加真實(shí)的實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)，便于學(xué)生理解知識(shí)點(diǎn).因此，應(yīng)用高交互性、高仿真性的信息技術(shù)平臺(tái)模擬物理理想實(shí)驗(yàn)，儼然成為物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)之一.

1 高中物理理想實(shí)驗(yàn)的概念

《認(rèn)知與謬誤》（恩斯特·馬赫）一書，為“理想實(shí)驗(yàn)”賦予了明確界定，理想實(shí)驗(yàn)通常指在現(xiàn)實(shí)生活中并不存在，主要依托于想象力以及高理智水平的有形實(shí)驗(yàn)以外的實(shí)驗(yàn).理想實(shí)驗(yàn)是無(wú)法在現(xiàn)實(shí)生活中做到，或以當(dāng)前的科技水平無(wú)法達(dá)成的實(shí)驗(yàn)，在物理學(xué)界，普遍被認(rèn)定為一種理論性的研究方法.

1.1 理想實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)

物理是一門通過(guò)實(shí)驗(yàn)不斷論證猜想與假說(shuō)的科學(xué)學(xué)科，在真實(shí)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，多數(shù)物理學(xué)家會(huì)分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，再得出準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，用以驗(yàn)證此前的猜想.但在實(shí)驗(yàn)中，往往會(huì)存在一些現(xiàn)實(shí)生活中無(wú)法避免的誤差或各類客觀因素導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確的現(xiàn)象.而理想實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)家通過(guò)想象，在理想環(huán)境下對(duì)物理理論、假說(shuō)進(jìn)行深入分析，在猜想或假說(shuō)中，利用邏輯完成猜想論證的過(guò)程.從某種程度上來(lái)說(shuō)，理想實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驑O大簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)論證、猜想的流程，也可以避免在現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的各類問(wèn)題或誤差.

理想實(shí)驗(yàn)的核心特點(diǎn)主要表現(xiàn)為以下三點(diǎn)：（1）理想實(shí)驗(yàn)是在思想主導(dǎo)的理想條件下開展的實(shí)驗(yàn)，理論上不存在實(shí)驗(yàn)誤差；（2）在縝密的邏輯體系下，理想實(shí)驗(yàn)有存在于現(xiàn)實(shí)世界中的可能；（3）理想實(shí)驗(yàn)條件清晰，其主要影響因素分明，易于尋找物理規(guī)律.

1.2 理想實(shí)驗(yàn)的主要作用

作為物理學(xué)科理論研究的主要途徑之一，理想實(shí)驗(yàn)在物理科學(xué)探究中有著不可取代的重要價(jià)值.理想實(shí)驗(yàn)可以為各類直接建立的物理理論提供邏輯依據(jù).例如，伽利略的慣性實(shí)驗(yàn)，便成了牛頓第一定律的理論依據(jù).其次，理想實(shí)驗(yàn)可以在一定程度上打破物理學(xué)界原有的錯(cuò)誤理論或固化思維.新穎的觀點(diǎn)或假設(shè)是科學(xué)發(fā)展的必經(jīng)之路，在不斷提出理論、驗(yàn)證理論、推翻和重構(gòu)理論的過(guò)程中，才能實(shí)現(xiàn)科技及人類文明的發(fā)展與進(jìn)步.因此，理想實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)科及人類科技文明發(fā)展的基礎(chǔ)，是物理實(shí)驗(yàn)探究與哲學(xué)思想的高度統(tǒng)一.在思考、實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，人們便能漸漸接近真相，以揭示事物的本質(zhì).

2 信息技術(shù)模擬物理理想實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)

在信息技術(shù)的幫助之下，教師可以創(chuàng)建線上仿真物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，此類仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)不受時(shí)間、空間限制，能夠讓學(xué)生隨時(shí)隨地開展各類物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，且仿真模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛲ㄟ^(guò)調(diào)整數(shù)據(jù)參數(shù)，呈現(xiàn)在生活中難以達(dá)到的物理現(xiàn)象及實(shí)驗(yàn)情境，可以進(jìn)一步提高物理實(shí)驗(yàn)整體的展示效果，為學(xué)生打造極為真實(shí)且具有交互性特征的仿真實(shí)驗(yàn)室.在線上實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，模擬各類理想物理實(shí)驗(yàn)，能夠進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)物理實(shí)驗(yàn)的了解，幫助學(xué)生深入掌握各類物理理論.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)不限制學(xué)生接入平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的時(shí)間，可以讓學(xué)生隨時(shí)隨地完成實(shí)驗(yàn)，還可以培養(yǎng)學(xué)生課下的自主學(xué)習(xí)、自主探究、自主實(shí)驗(yàn)意識(shí)等.

例如 在現(xiàn)實(shí)生活中，并不存在摩擦力為零的接觸面，而在虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，教師便可以為學(xué)生打造絕對(duì)光滑的理想平面，以此便可以開展理想斜面實(shí)驗(yàn).在嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬐普撘约皩?shí)驗(yàn)證明下，學(xué)生對(duì)該知識(shí)點(diǎn)的理解將會(huì)大大加深，有利于學(xué)生深度思考此類問(wèn)題，幫助學(xué)生建立起完整的物理學(xué)習(xí)思維模式，擴(kuò)寬了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度及其廣度.

3 以信息技術(shù)模擬理想實(shí)驗(yàn)在物理教學(xué)中的實(shí)際應(yīng)用

3.1 借助理想實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)邏輯思維能力

高中階段物理學(xué)科的知識(shí)點(diǎn)相對(duì)深入，因此教師需要專注培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力，便于學(xué)生理解各類深?yuàn)W的知識(shí)點(diǎn).此時(shí)，教師可以借助信息技術(shù)搭建虛擬線上實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，為學(xué)生演示各類具有代表性的經(jīng)典物理理想實(shí)驗(yàn)案例，并要求學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)室中完成實(shí)驗(yàn)操作.真實(shí)的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景可以提高學(xué)生對(duì)物理學(xué)科的興趣，讓學(xué)生以充滿熱情的態(tài)度參與到物理實(shí)驗(yàn)中.由學(xué)生親自動(dòng)手完成的物理實(shí)驗(yàn)，能夠讓學(xué)生對(duì)這一知識(shí)點(diǎn)產(chǎn)生更加深入、系統(tǒng)的理解，有利于學(xué)生在操作中掌握物理知識(shí)，明確物理知識(shí)的形成過(guò)程.而此時(shí)，再加入教師的適當(dāng)引導(dǎo)，便可以培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維，讓學(xué)生嘗試以物理思維思考問(wèn)題，并根據(jù)現(xiàn)實(shí)問(wèn)題提出假說(shuō)，隨后借助理想實(shí)驗(yàn)完成假說(shuō)論證.

例如 在“自由落體運(yùn)動(dòng)”的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，需要使用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在連接重物的紙帶上打點(diǎn).該實(shí)驗(yàn)可以借助打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在紙帶上打點(diǎn)的痕跡，反映出物體自由落體運(yùn)動(dòng)時(shí)的行動(dòng)軌跡，是極為傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué).但在實(shí)際操作時(shí)，紙帶與打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的振針之間必然會(huì)存在摩擦力，會(huì)在一定程度上影響物體自由落體的受力情況.由于各類客觀因素使該實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)內(nèi)容并不穩(wěn)定，而此類誤差在現(xiàn)實(shí)生活中無(wú)法避免.基于上述現(xiàn)象，教師便可以為學(xué)生設(shè)計(jì)信息技術(shù)平臺(tái)的理想實(shí)驗(yàn)，以模擬重物自由下落的實(shí)驗(yàn)過(guò)程.在開展信息技術(shù)平臺(tái)中的理想實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，教師需要先讓學(xué)生思考：在理想實(shí)驗(yàn)中的理想條件與現(xiàn)實(shí)生活中的真實(shí)實(shí)驗(yàn)有哪些差異？傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中涉及哪些外界作用力？外界作用力會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生怎樣的影響？通過(guò)教師的引導(dǎo)，學(xué)生可以意識(shí)到理想實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)之間的差別，有助于培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維.在理想實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，教師需要帶領(lǐng)學(xué)生，通過(guò)多次理想實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)對(duì)比，分析自由落體運(yùn)動(dòng)的本質(zhì)，在實(shí)驗(yàn)中同學(xué)生一起觀察并總結(jié)自由落體運(yùn)動(dòng)的主要特征及其規(guī)律.

3.2 借助理想實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)抽象思維能力

理想實(shí)驗(yàn)的本質(zhì)是要求學(xué)生在提出假說(shuō)后，依靠縝密的思維邏輯開展想象或推理，以現(xiàn)實(shí)為基礎(chǔ)，在想象中完成實(shí)驗(yàn)操作.隨后，結(jié)合日常生活中的固有經(jīng)驗(yàn)，分析并得出最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，便能夠有效理解物理規(guī)律及物理知識(shí).而物理學(xué)科作為一自然科學(xué)學(xué)科，其中涉及的多項(xiàng)知識(shí)點(diǎn)過(guò)于抽象，要求學(xué)生具備極高的想象思維、抽象思維及聯(lián)想能力，在學(xué)生對(duì)各知識(shí)點(diǎn)深入理解與系統(tǒng)學(xué)習(xí)后，發(fā)揮個(gè)人的創(chuàng)新精神，才能真正開展想象推理，完成理想實(shí)驗(yàn)，并得出最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)論.從這一角度上看，合理的理想實(shí)驗(yàn)可以有效培養(yǎng)學(xué)生的抽象思維能力，能有效提高學(xué)生的物理學(xué)科素養(yǎng)，幫助學(xué)生將生活經(jīng)驗(yàn)與物理學(xué)習(xí)有效聯(lián)系起來(lái)，在豐富的想象空間中，探索物理知識(shí)的本質(zhì).學(xué)生通過(guò)信息技術(shù)模擬理想實(shí)驗(yàn)，可以在虛擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，觀察許多在現(xiàn)實(shí)生活中難以直接觀測(cè)到的實(shí)驗(yàn)過(guò)程或?qū)嶒?yàn)結(jié)果.而虛擬線上平臺(tái)也能夠有效滿足學(xué)生的想象力，讓學(xué)生親自動(dòng)手操作許多在現(xiàn)實(shí)生活中無(wú)法達(dá)成條件的理想實(shí)驗(yàn)，有利于學(xué)生正確理解各類抽象性的物理知識(shí).

例如 ?在高中物理力學(xué)中，“機(jī)械能守恒定律”是很重要的一大知識(shí)點(diǎn).高中教材對(duì)機(jī)械能守恒定律的定義為：在僅有重力或彈力做功的情況中，物體動(dòng)能、勢(shì)能可互相轉(zhuǎn)換，但其機(jī)械能總量始終保持不變.在教材的定義中，該定律的描述有一大前提，即忽略空氣阻力及摩擦力影響，這正是在真實(shí)實(shí)驗(yàn)中無(wú)法達(dá)到的條件.這時(shí)，教師可以使用信息技術(shù)，模擬理想化的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，忽略實(shí)驗(yàn)過(guò)程中空氣阻力及接觸面摩擦力對(duì)物體機(jī)械能轉(zhuǎn)化的影響.在虛擬實(shí)驗(yàn)室中，設(shè)置僅有重力做功的物體系統(tǒng)，使學(xué)生在了解機(jī)械能守恒定律的基礎(chǔ)上，在小組討論中設(shè)計(jì)驗(yàn)證機(jī)械能守恒的理想實(shí)驗(yàn).

3.3 借助理想實(shí)驗(yàn)，走入物理科學(xué)本質(zhì)

在常規(guī)的真實(shí)實(shí)驗(yàn)中，受實(shí)驗(yàn)環(huán)境、實(shí)驗(yàn)操作，實(shí)驗(yàn)方式等各類因素影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果往往存在較大誤差.此時(shí)，教師需要學(xué)生依靠想象，在腦海中創(chuàng)設(shè)理想實(shí)驗(yàn)環(huán)境，隨后再憑借想象與邏輯推理論證物理規(guī)律.而在信息技術(shù)下，虛擬實(shí)驗(yàn)室可以排除客觀因素的干擾，降低實(shí)驗(yàn)誤差，真正化想象為現(xiàn)實(shí).在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中合理應(yīng)用理想實(shí)驗(yàn)，可以為物理定律的理解或物理理論的研究提供具有極高價(jià)值的參考依據(jù).同時(shí)，理想實(shí)驗(yàn)可以排除真實(shí)實(shí)驗(yàn)中的客觀因素影響，真正讓學(xué)生走入物理科學(xué)的本質(zhì)，探索物理科學(xué)的規(guī)律.

例如 以“單擺簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)”實(shí)驗(yàn)為例，在教學(xué)過(guò)程中，教師可以先為學(xué)生展示單擺，隨后讓學(xué)生思考：若處于理想環(huán)境，將單擺小球看做是一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，并忽略空氣阻力、細(xì)線的質(zhì)量等外界因素的影響，單擺的運(yùn)動(dòng)軌跡應(yīng)該是怎樣的？在此過(guò)程中，教師必須引導(dǎo)學(xué)生大膽假設(shè)，并勇于提出個(gè)人的設(shè)想.之后，教師需要完成真實(shí)場(chǎng)景下的簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，帶領(lǐng)學(xué)生觀測(cè)單擺運(yùn)動(dòng)的實(shí)際情況，學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)，真實(shí)環(huán)境下單擺振幅會(huì)漸漸減小直至為零.這時(shí)，再由教師引入簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的實(shí)際概念，帶領(lǐng)學(xué)生分析單擺小球在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的受力情況及其機(jī)械能轉(zhuǎn)化情況.最后，在虛擬實(shí)驗(yàn)室模擬理想狀態(tài)下的單擺簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，應(yīng)用虛擬實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證學(xué)生此前的猜想.本課教學(xué)，先由教師提出問(wèn)題，再由學(xué)生做出假設(shè)，同時(shí)輔以真實(shí)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景下的受力分析，最終利用真實(shí)實(shí)驗(yàn)與理想實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)論的對(duì)比，讓學(xué)生真正觀測(cè)到了單擺簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的實(shí)際形態(tài)，使學(xué)生對(duì)該運(yùn)動(dòng)的基本特征及其規(guī)律產(chǎn)生更加深入的了解.

4 結(jié)語(yǔ)

在信息技術(shù)的模擬功能下，教師可以在虛擬實(shí)驗(yàn)室為學(xué)生預(yù)設(shè)物理規(guī)律，并按照實(shí)際情況為學(xué)生展示實(shí)驗(yàn)過(guò)程，讓學(xué)生直觀地了解物理現(xiàn)象，能縮減真實(shí)實(shí)驗(yàn)成本，創(chuàng)造理論與實(shí)踐相結(jié)合的物理課堂.使用線上虛擬平臺(tái)完成實(shí)驗(yàn)交互，可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生意識(shí)到物理學(xué)習(xí)的樂(lè)趣所在，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力、思維創(chuàng)新意識(shí).但在此過(guò)程中，教師必須要對(duì)學(xué)生做出正向引導(dǎo)，避免學(xué)生因各類虛擬實(shí)驗(yàn)或違反客觀實(shí)際的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)流程，產(chǎn)生錯(cuò)誤的認(rèn)知觀念，才能真正提高學(xué)生的物理學(xué)科綜合素養(yǎng)，讓學(xué)生暢游在物理知識(shí)的海洋.

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