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摘 要
目前国内仿真物理实验软件的研究大部分集中在软件的使用上，尚未见到从学习心理学角度探讨的成果。而仿真物理实验软 件基于精心的教育设计产生有效学习效果的，这必须通过认知心理学相关理论进行分析。教学实践发现物理实验软件的有效性是 有标准的，教师应通过具体课例的设计合理有效使用好相关软件。
[关键词]仿真物理实验软件,NOBOOK,教学设计
一、仿真物理实验软件研究背景
(一)课程标准要求
《义务教育课程标准(2011)》指 出，“实验教学是物理教学的重要组成 部分，是落实物理课程目标，全面提 高学生科学素养的重要途径。要发挥 实验在物理教学中的重要作用，需要 正确认识物理实验的教学目标，注重 把握实验教学特点，合理开发实验教 学的课程资源。”
(二)教学实际需求
在教师进行演示实验时，很多时 候由于教室场地限制和设备条件的因 素，后排学生无法清晰地观看到教师 的演示实验，那么，能不能想办法给 所有学生展示出实验呢?新冠疫情期 间无法在教室中教学，能不能通过网 络给学生展示一些实验的原理呢?
除了希沃白板之类的投屏软件， 我们还可以采取一种方式让所有学生 都观看到实验的过程，甚至还能够通 过自己改变一些实验条件，模拟实验 原理。这种手段就是仿真物理实验。 利用仿真物理实验技术，学生可以自 己建构该物理实验的知识，实现发现 性学习。而 NOBOOK 就是其中的一种仿真物理实验软件。相比其他仿真 物理实验软件而言，NOBOOK 有以 下一些优点：界面简洁美观，利于引 起学生的注意;资源丰富，并且按照 各种教科书的章节知识点排列，便于 教师在授课时开展教学;仿真度高， 实验器材、仪表读数都和实物较接近， 真正做到“仿真”二字，利于学生知 识的迁移;智能化程度高，实验器材 选取不受模块限制，实验者可以任意 选取一些器材做自制实验，而不必拘 泥于教材中给出的常规实验。因此， 我选取该仿真物理实验软件作为研究 的主要工具。
二、仿真物理实验软件研究现状
(一)仿真物理实验软件应用总体 研究现状
早在 1990 年，郎人萃发表的《数 字仿真在实验教学上应用》就开始探 究仿真实验在高等教育领域的应用 以及可行性。1998 年，《物理实验计 算机仿真教学探讨》开始探究高等 教育领域中利用仿真实验进行物理 教学。1999 年，《用于物理仿真实验 教学 的 交 互 式 CAI 软件 Interactive Physics》开始介绍一些专门的用于教学的物理仿真实验软件。2000 年开始， 对物理仿真实验软件的研究开始爆发， 多篇文献涉及各种仿真物理实验交互 性软件及其研究。
其中，2001 年朱明光与陈晓红的 《中学仿真物理实验室》第一次探讨了 中学物理教学中仿真实验软件的应用。 之后，开始出现针对仿真实验软件 开展中学物理实验教学的一些教育设 计，如 2002 年的《高二物理教学整合 (三)电学实验与信息技术整合的教学 设计》，2004 年的《仿真物理实验室 在教学中的应用——平抛运动模拟实 验的制作》，2005 年的《仿真实验环 境中的物理教学—— 〈照明电路中白 炽灯泡功率的测定〉教学设计》等。 但是，直到 2009 年，李璐的研究生论 文《虚拟仿真实验室应用于初中物理 实验教学的理论与实践研究》才第一 次系统地阐述了在初中物理实验教学 中应用仿真实验软件进行教学的理论 依据以及实验结果。
(二)针对仿真物理实验软件 NOBOOK 的应用研究现状
目前关于 NOBOOK 这个仿真物 理软件的论文大多发表于 2018、2019 年，最早研究 NOBOOK 在物理课堂上应用的是 2016 年张立宁的《用 NB 虚拟实验室仿真软件实现高中物理课 堂的信息技术整合—— 以电容器的电 容为例》。2018 年冯校通的硕士论文 《基于 NOBOOK 的初中物理实验教学 与实践》则系统地阐述了 NOBOOK 这种仿真实验软件在初中物理实验教 学中的理论依据和教学实践结果。他 经过实验组和对照组的教学后发现， 进行了 NOBOOK 仿真实验软件辅助 传统实验教学后的班级不管是对待物 理的积极性、对物理知识的理解和记 忆，还是实验操作技能，都要优于只进 行传统实物教学的班级。同时，他通 过实验完善了基于 NOBOOK 的初中 物理实验教学模式，并给出了两个教 学案例。他针对 NOBOOK 的一系列 实践及实践效果的研究也是我的理论 基础。他的教学实验极有力地证明了 NOBOOK 是有利于学生教学的，但是 他并没有给出有利原因的理论依据。
(三)仿真物理实验软件的应用研 究必须有理论支撑
到目前为止，国内尚未发现以学 习心理学为理论依据出发进行仿真物 理实验教学的设计与研究，现有研究 更偏重于仿真物理实验软件的应用。 如果没有系统的理论依据，我们无法 判断一个仿真物理实验软件的课堂应 用是否有效，就无法真正地把仿真物 理实验软件的应用推广开来。
应用仿真物理实验软件的教学也 是教学的一种，根据认知心理学，所 有的教学都需要符合学生的认知规律。 学习就是一个认知图式不断建构的过 程，而教学需要通过刺激引起不平衡， 从而进行图式的同化。因此，教学必 须符合学习机制才是有效的教学。对 于仿真物理实验软件应用的研究，必 须是基于学习心理学基础上的。因此， 笔者基于心理学相关理论，经过实践、 思考、归纳，以及对部分一线教师的 问卷调查，总结出了一些应用仿真物 理实验软件学习的经验。
三、应用仿真物理实验软件学习 的机制
(一)仿真物理实验软件教学标准
在教学之前，仿真物理实验软件 应该有一定的教学范式，即是否完成 了教学中需要完成的任务，帮助学生 得到和理解物理概念。因此，本研究 结合学习心理学构建了仿真物理实验 软件教学的教学标准。
(二)基于学习心理学的仿真物理 实验软件教学流程
在教学标准的基础上，本研究结 合学习心理学构建了仿真物理实验软 件教学的一般流程步骤。
1. 通过求同法让学生构建物理情 境，提出实验问题。
2. 通过共变法 / 求同法 / 演绎 假设让学生提出假设。
3. 根据学生提出的假设规划方 案，看被研究对象与各个可能影响因 素之间是否存在关联。如果有多个影 响因素，需要使用控制变量法进行规 划。
4. 设计实验：实验对象、待测物理量、测量原理(仿真物理实验)。
5. 由于仿真物理实验软件具有理 想性的特征，读取数据和得出结论的 环节便通过 NOBOOK 软件来进行,这样学生能够得到清晰的有效信息， 并根据穆勒逻辑 5 法明确地得到正确 的结论，而不会被其他因素干扰。
6. 再在验证环节进行真实的演示 或者学生实验，让学生指出实验结果 和仿真实验软件中的结果是否一致， 如果不一致，说明问题可能在哪里。
这六个子环节都是基于上一个子 环节的认知结果作为已知条件，再结 合实验归纳途径的各环节完成目标去 解决各个子环节的问题。在进行教学 有效性的后测时，需要注意学习者有 没有形成内部表征，尤其是有没有形 成研究对象的命题网络和图式。
四、两个运用 NOBOOK 软件的教学 设计案例
(一)案例一：测量提升物体所用 的功(演示实验)
1. 提出问题
师： 大家看一下老师列举的这些斜面，它们之间有什么共同点?
生： 斜面省了力，但是拉动的距 离更远了。
师： 我们 3 次改变斜面的角度， 你看到 3 次拉动有什么区别?
生： 斜面角度越平缓，越省力， 但是拉动的距离更远。
2. 猜想假设
师： 大家看一下老师的表格，你 觉得斜面上拉力和拉动距离之间有可 能存在什么关系(见表 1)?
生： 它们的乘积可能是个定值。
3. 规划方案
师： 这个实验的实验目的是什 么?研究对象是什么?需要用到什么 方法来进行实验设计?
生： 这个实验研究目的是物体在 斜面上运动时的拉力和距离之间的关 系。研究对象是运动的物体。我们最 好量出它们进行定量研究。
4. 设计实验
师： 我们利用 NOBOOK 仿真实验软 件器材库中形形色色的装置进行实验。
师： 研究物体的过程、状态是什 么?各状态出现的条件是什么?
生： 小车拉上斜面时拉力大小和 运动到同一高度距离不同。条件是改 变了斜面高度。
师： 需要测量哪些物理量?用什 么仪器测量?测量原理是什么?
生： 需要测量的物理量是拉力和 拉动距离，测距离用刻度尺，测拉力 用弹簧测力计，原理是物体做匀速直 线运动时二力平衡。
5. 处理数据、获得结论
师： 请大家按照自己的实验方案在仿真实验软件 NOBOOK 中进行实验。
学生进行实验，并读数，得出实 验结果。
6. 验证环节
师： 老师现在手上也带来了器材， 请大家按照刚才在仿真实验软件中的 操作进行实验，并告诉我你的结果和 在软件中操作有没有不同，如果有， 你觉得问题出在哪里?
(二)案例二：探究滑动摩擦力大 小影响因素(学生实验 + 演示实验)
1. 提出问题
师： 同学们，请大家看几个视频： (1)冬奥会滑冰比赛。(2)教师在沙 坑滑沙子。(3)小朋友在沙坑滑沙子。 请问大家，什么导致了三次滑动的距 离不同(见表 2)?
生： 摩擦力。
师： 你觉得视频中滑动摩擦力的 什么变化了?
生： 滑动摩擦力的大小。
2. 猜想假设
师： 你觉得滑动摩擦力的大小可 能与哪些因素有关?
生： 物体重力、接粗面粗糙程度。
师： 大家看一下老师的表格，你 觉得滑动摩擦力和这些因素之间是什 么关系?
生： 可能接触面越粗糙，滑动摩擦 力越大。物体越重，滑动摩擦力越大。
师： 我们再来做两个实验。请同 学们将小黑板立起来，将黑板擦从黑 板上滑下去。再将小黑板平放，将黑 板擦从黑板上滑下去。根据我的表格， 你觉得滑动摩擦力的大小和什么因素有关(见表 3)?
生： 不是物体越重滑动摩擦力越 大，而是物体对接触面压力越大滑动 摩擦力越大。
3. 设计方案
师： 这个实验的实验目的是什 么?研究对象是什么?需要用到什么 方法来进行实验设计?
生： 这个实验的目的是探究滑动 摩擦力大小与哪些因素有关，研究对 象是滑动摩擦力的大小，需要控制变 量来进行实验设计。
4. 设计实验
师： 我们利用 NOBOOK 仿真实验软 件器材库中形形色色的装置进行实验。
师： 研究物体的过程、状态是什 么?各状态出现的条件是什么?
生： 物体匀速运动时拉力不同。 条件是改变了接触面粗糙程度和物体 总质量。
师： 需要测量哪些物理量?用什 么仪器测量?测量原理是什么?
生： 需要测量的物理量是物体与 砝码质量和拉力大小，测砝码加物体 质量用天平，测拉力用弹簧测力计， 原理是(1)物体做匀速直线运动时二 力平衡，此时滑动摩擦力和拉力大小 相等，重力和支持力大小相等。(2) 相 互作用力大小相等，支持力和物体对 接触面压力大小相等。(3)重力 G= mg，重力大小与物体质量成正比。
5. 处理数据、获得结论
师： 请大家按照自己的实验方案 在仿真实验软件 NOBOOK 中进行实验。
学生进行实验，并进行读数，得 出实验结果。
6. 验证环节
师： 老师现在手上也带来了器材， 请大家按照刚才在仿真实验软件中的 操作进行实验，并告诉我你的结果和 在软件中操作有没有不同，如果有， 你觉得问题出在哪里。
四、结论
本研究未进行每节课的随堂测 验，但经过问卷调查，一线教师普遍 认同本研究给出的仿真实验软件教学 标准，并且很多专家在听课评课中肯 定了本研究所进行的仿真实验软件教 学探索，认为其教学是符合学生的信 息加工过程，有利于学生的物理概念 和规律建构的。
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