国外物理教材中的模拟实验设计管窥，本文主要内容关键词为：物理论文,国外论文,教材论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
一、引言
我们可根据人们的认知方式将物理实验划分为两大类——真实性实验与模拟实验。真实性实验是指实验所研究的对象为客观存在的真实物理现象或过程；模拟实验是指设计与原型（物理现象或过程）相似的模型，并利用该模型间接地研究原型规律的实验方法。大量实践说明，对一些宏观或微观的物理问题，如天体的运行规律、微粒的变化等，如果教学中合理地运用模拟方法，通过模拟实验的仿真功能，再现“物理变化”，能有效地帮助学生对物理中的抽象事物获得明确、具体的认识，促使正确概念和规律的形成。
本文将介绍的几组模拟实验，选自美国著名的高中物理教材《物理原理与问题》。教材强调实验设计与生活实际相联系，注重学生探究能力的培养。
二、教材中“模拟实验”的分布
表1所展示的是教材中的学生实验按真实性与模拟两种实验类型的分布。（参考《物理原理与问题》2002年版本）
表1 两种实验类型的分布
从上表可知，该教材的学生实验以真实性实验为主，与我国高中物理教材相一致，体现物理学是一门研究客观物质、能量及相互作用的学科，强调认识事物时的真实性和客观性。
另一方面，教材在“力学”和“近代物理”中对学生实验采用了多组的模拟内容，通过模拟“真实情景”对一些物理问题展开认识。下文为教材中的三组富有代表性的模拟实验内容，分别在力学、电磁学、原子物理的学生实验中，以供大家参考。
三、分析与鉴赏
1.对演示物理规律的“模拟”——“画轨道”实验
教材第8章“万有引力”的学生实验采用了仿真“天体运行轨道”的方法来研究行星的受力情况。
实验设计分两个步骤：一、让学生在绘图纸上固定两点，将一根线（不可伸长）的两端系于点上，并画出一个椭圆轨道（图1所示）；二、假设以一个焦点作为“恒星”，“行星”沿椭圆线运动，根据万有引力“与距离平方成反比”的性质，计算出“行星”处在“远日点”与“近日点”的受力大小。
图1 画“轨道”
本实验通过学生的动手演示“天体运行”，能较好地帮助他们对抽象的万有引力规律获得清晰的认识。
2.对物理现象的模拟——“质谱仪”
教材第26章“电磁现象”，该章学生实验根据电场与引力场物理性质的相似性与可比性，设计了以重力场中钢球沿斜面的运动情况来“模拟”质谱仪中电荷的运动状况。
实验选用带槽的直尺、橡皮泥、钢珠、永久磁铁、坐标纸等器材，制成一个“质谱仪”模型（图2所示）。实验中，先让学生研究“电荷”（钢珠）只在“电场”（重力场）作用下的运动情况，接着将一块磁铁放于“坐标纸”上使其对“电荷”发生作用，并由磁铁的位置来探究“电荷”运动轨迹改变的成因。
图2 模拟的“质谱仪”工作部分
该实验中通过设置一系列的问题，来激发学生的思考。如“分析与讨论”中：在这个模型中，你用引力场来模拟质谱仪中的电场，怎样能使这模型中的电场发生变化？又如“应用”部分：设想如果使用一个同质量同体积的球，但其中含铁量少或根本就不含铁时，情况如何？设计者巧妙地运用了电场与引力场物理性质的相似性，以及小球的含铁量和“粒子电量”的可比性，来设置有关质谱仪原理的问题，并让学生通过观察、思考，得到理解。
质谱仪的工作原理既是一个教学重点也是一个知识难点，该实验的设计运用了类比的方法优化了传统中单靠教师讲解的教学模式，并着重学生的测量、观察、猜测、推理、建模、联想等实验技巧和思维方法的训练。
3.对物质微观结构的模拟——“盲射”
根据原子核式结构学说，原子中的绝大部分是空的，原子核只占据很小的空间，教材一般都给出了相应的数量级，但究竟是怎样的“物理情景”呢？本教材在第28章原子的学生实验中就以“盲射”模型实验，来对物质的微观结构进行认识。
本实验从常见的生活用品中选取器材，如木条、铝制托盘、钓鱼线、床单等。图3为自制的边长为1.5m左右的正方形“原子靶”（图3），其中有六个靶盘代表原子核。进行实验中，每个学生戴上眼罩，在模型前方3m处依次向“原子靶”投掷一定数量的“撞击粒子”（橡皮塞），由其他同学记录“原子核”被击中的次数，强调实验的集体合作。
该实验除了内容的活泼外，还涉及了大量的估算知识。教材在“分析和讨论”中，根据学生已有的概率知识给出了击中数和投掷次数之比n的计算公式（略写）。还根据学生通过实验测得值与计算值存在着偏差，进一步介绍了有关“不确定性百分率”的概念和计算原理，并让学生掌握“不确定性”可随着投掷数的增大而减小的实验方法。投掷活动后，学生利用全班总投掷数和击中数可得到“原子核”（靶）的总面积，并估算出每个“原子核”的面积及其半径大小。
图3 “原子核”模型靶
在实验的“应用”环节，教材将有关的实验方法扩展到社会学的民意测验中：最近一次电话民意测验的样本数为800人，试估算出这次民意测验的不确定性。教材富有创意地将物理的研究方法应用到社会生活的实践中，既有利于培养学生的创新意识，又密切了物理学与社会的联系。
通过该实验，学生在轻松、有趣的活动中进一步加深对原子结构的认识，同时估算能力也获得训练。
四、总结
我国教材对学生实验的设计，偏重于对知识的巩固、学术特色，而较少地关注学生的认知实际，相应的采用模拟方法的并不多见。从本文所介绍的国外教材看，模拟实验作为学生实验的重要组成，同样可以肩负着培养学生实验能力、探究精神的重任，同时有助于物理学习兴趣的获得。作为学生进行实验的引导者，我国的学生实验教材有必要在选材上贴近学生的实际，采用多种“实验”手段，优化实验组合，通过实验调动物理学习的积极性。