虚拟仿真实验赋能高中物理复杂模型教学的探索

熊彩云

扬州市第一中学 225001

摘要：高中物理板块模型、复合场运动等复杂模型抽象度高，传统的教学方法很难把动态的过程直观地展示出来，学生建模存在困难。本文以核心素养为向导，探究虚拟仿真实验促进复杂模型教学的途径，利用可视化的交互特点，创建出理想物理情境，给予参数调节和过程观察的支持。根据课堂实践形成教学流程，克服传统实验的不足，使学生形成物理图景，提高模型建构和科学推理能力，给高中物理信息化课堂教学提供实践参考。

关键词：虚拟仿真实验；赋能；高中物理；复杂模型教学

引言

新课标重视培养学生的物理建模能力，复杂的物理模型是高中物理教学的重点和难点。由于器材、条件的限制，真实的实验不能完全模拟出理想中的环境，静态的讲解容易造成认知上的障碍。虚拟仿真技术冲破传统实验的束缚，可以动态表现物理过程。因此，本文就虚拟仿真实验融入到复杂的模型课堂中提出可行的策略，促进信息技术和物理教学的深度融合。

一、虚拟仿真实验赋能高中物理复杂模型教学的意义

（一）突破传统实验局限，具象化抽象复杂物理模型

高中物理复杂的模型中包含着瞬时受力、动态连续变化、理想条件等不能直观观察的物理过程，现实实验受到器材、环境、操作条件的限制，很多场景不能进行。虚拟仿真实验能创建起理想的物理环境，清除摩擦损耗、空气阻力这些干扰，动态地展现粒子运动，多个物体相互作用的过程。学生可以自行调节变量，实时观察模型状态的变化，把抽象的文字公式转变为可视化的物理图景，克服了静态板书和纸质习题所造成的认知障碍，使学生能够理清模型的内在逻辑，有效地降低了复杂物理模型的理解难度，夯实了物理建模的基础。

（二）转变课堂学习方式，发展学生科学思维与探究能力

传统的复杂模型教学大多以教师讲授、例题推演的方式进行，学生处于被动接受知识的地位，缺少自主探究的空间。引入虚拟仿真实验之后，课堂就转变为探究式学习，学生可以自行设计实验方案，改变物理参数，比较不同条件下模型演变的结果，主动地提出猜想并加以验证物理规律。学生在交互式操作中逐步学会分析模型的条件、区分模型的适用范围，培养学生的科学推理、证据论证能力。激发学生的探究兴趣，使学生从机械刷题的学习方式中走出来，落实物理核心素养的培养要求，由记忆解题模板转变为自主建构物理模型。

二、虚拟仿真实验赋能高中物理复杂模型教学案例分析

（一）板块叠加模型教学案例

板块叠加模型属于人教版高中物理必修第一册的重点难点内容，包含静摩擦力、滑动摩擦力、相对运动、整体隔离法等多种知识点，模型动态变化比较复杂。传统的教学只能依靠板书推演、静态示意图的讲解，真实实验很难对摩擦系数、初速度等变量进行精确的控制，不能直观地看到板块相对滑动、共速静止等动态过程。利用虚拟仿真实验可以准确再现板块运动全过程，学生可以自由调节接触面的粗糙程度、物体的质量、初速度等参数，随时观察板块位移、速度、摩擦力的变化数据。经过对比不同的变量之后，学生可以清楚地辨别出相对滑动和相对静止的临界条件，并且能够熟练运用整体法和隔离法来解决相关的题目，在一定程度上解决了模型的解题及认知上的难点。

（二）平抛与类平抛运动模型教学案例

平抛运动模型是人教版必修第二册的核心复杂运动模型，其主要难点就是运动分解的思想以及变速动态轨迹的分析。现实实验中小球运动速度快、轨迹瞬间消失，学生很难抓住运动细节，不能准确分析水平匀速、竖直自由落体的分运动规律，类平抛运动场景更难以实现复刻。虚拟仿真实验可以慢速回放、定格平抛运动的过程，把合运动和两个分运动的轨迹分开来显示，同时也能看到位移、速度的矢量变化。还可以模拟电场中的类平抛运动来克服传统实验的缺陷。学生经过多次调节参数、观察轨迹的变化来体会运动分解的物理思想，准确掌握平抛、类平抛模型的规律和解题方法，提高对曲线运动建模的认识。

（三）带电粒子复合场运动模型教学案例

带电粒子在复合场中运动是人教版电磁学中比较复杂的物理模型，包含电场力、洛伦兹力、圆周运动、曲线运动等多种知识，场景抽象且不能用常规实验观测到。由于实验器材、安全条件所限，课堂上不能再现粒子偏转、匀速圆周运动、螺旋运动等情景，学生很难理解受力和运动轨迹的关系。虚拟仿真实验可以创建理想的复合场环境，直观地表现出带电粒子在叠加场中动态的运动轨迹，使学生可以自由地改变场强、粒子电荷量、初速度等参数。学生可以清楚地观察到粒子直线、偏转、圆周运动的转换条件，理清复合场受力分析的逻辑，克服电磁综合模型学习的障碍，提高复杂物理场景的分析和建模能力。

三、虚拟仿真实验赋能高中物理复杂模型教学的策略

（一）带电粒子复合场运动模型教学案例

带电粒子在复合场中运动是人教版电磁学中比较复杂的物理模型，包含电场力、洛伦兹力、圆周运动、曲线运动等多种知识，场景抽象且不能用常规实验观测到。由于实验器材、安全条件所限，课堂上不能再现粒子偏转、匀速圆周运动、螺旋运动等情景，学生很难理解受力和运动轨迹的关系。虚拟仿真实验可以创建理想的复合场环境，直观地表现出带电粒子在叠加场中动态的运动轨迹，使学生可以自由地改变场强、粒子电荷量、初速度等参数。学生可以清楚地观察到粒子直线、偏转、圆周运动的转换条件，理清复合场受力分析的逻辑，克服电磁综合模型学习的障碍，提高复杂物理场景的分析和建模能力。

（二）依托交互仿真，开展自主探究式课堂教学

改变传统的教师主导的灌输式教学，依靠虚拟仿真实验的交互性特点，创建起以学生为主导的探究式课堂。对于带电粒子复合场等抽象模型，教师可以提前布置探究任务，给学生一定的仿真操作权，让他们随意改变质量、场强、初速度等物理量。学生经由自主操作、对比实验数据、观察现象差别来主动提出猜想并加以验证，自主总结出物理规律的模型适用条件以及主要规律。教师只起到引导答疑的作用，有针对性地解决学生在探究过程中遇到的疑难问题，充分调动学生主观能动性，培养学生自主探究和数据分析的能力。

（三）分层设计仿真任务，适配差异化学情教学

高中生物理思维和建模能力存在着较大的差别，复杂的模型教学要实行分层教学的思想，借助虚拟仿真的平台来布置梯度化的任务。对基础薄弱的学生设置基础仿真实验任务，以模型基本的运动规律和简单的变量变化为主，使学生掌握基本的建模方法；对中等学生的仿真实验任务设置为变量叠加、条件变换，提高学生的模型分析能力；对优等学生的仿真实验任务设置为综合性、开放性的仿真实验探究任务，鼓励学生自主设计实验方案。分层任务设计可以适应不同的学情，使每一个学生都能够通过仿真探究得到提高，有效地落实因材施教的教学原则。

（四）仿真实验与习题融合，强化模型迁移应用能力

为了克服学生只看实验不解题的弊端，把虚拟仿真实验和习题训练结合起来。在复杂模型教学课后巩固环节，用经典考题、易错题型搭建仿真习题场景，把抽象的题目条件变成可视化的仿真过程。对于学生容易出错的临界问题、多过程动态问题，利用仿真定格、慢速回放、数据对比等手段，使题目所对应物理模型的变化一目了然，从而帮助学生理清解题思路。使学生通过动手操作、刷题相结合的方式来掌握模型主要规律，学会举一反三，提高物理模型的迁移应用及解题实战能力。

结语

综上所述，虚拟仿真实验有效弥补了高中物理传统教学的短板，能够将抽象复杂的物理模型直观化、动态化。通过虚实结合、自主探究、分层教学、学练融合的多元教学策略，可助力学生突破建模难点，培育科学思维。未来可持续优化仿真教学模式，推动信息技术与物理课堂深度融合，提升物理复杂模型教学质量与育人实效。

参考文献

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