论文导读：①制作“仿真实验计算器”（如图）。仿真物理实验室都能够进行仿真。新型探究模式的设计缘由。单摆和弹簧振子同样是简单的简谐运动模型。对整个实验的操作和数据处理方式进行探讨。探究模式，利用“仿真实验计算器”进行科学探究的新模式尝试。

　　关键词：仿真实验计算器，仿真物理实验室，探究模式，弹簧振子，数据处理，控制变量法

　　一、新型探究模式的设计缘由

　　在学习了高中物理人教版（选修3-4）第十一章《机械振动》后，学生了解了单摆和弹簧振子是简谐运动的两重要特例，只学习了单摆周期的计算公式，可对弹簧振子的周期表达式学生对此却一无所知，知道单摆周期只与摆长有关而与摆球质量无关。那弹簧振子周期又与哪些量有关呢？学生对此表现出强烈的好奇心和探究欲。由于实验环境和实验条件的限制及对学生动手操作能力要求过高，让学生在传统物理实验室去做，实验结果往往和物理理论不相符，甚至出现试验数据相反的情况。于是便萌发了构建一个“仿真实验计算器”来代替实验并直接输出实验数据的想法，就好像日常生活中用计算器代替心算一样。让学生在计算机环境下进行虚拟实验操作，并利用计算机处理实验数据，为实验探究问题提供了新的思路。

　　二、“仿真实验计算器”介绍及对中学物理实验探究的实际意义

　　“仿真实验计算器”笔者是在“仿真物理实验室”这个软件的环境下实现的。“仿真物理实验室”是一款全新概念的全开放性教学、课件制作平台和实验仿真平台，它将物理定律全部内置了，并提供了一个实验器具完备的综合性实验室，教师所需要做的只是设置一下实验的初始环境，仿真物理实验室都能够进行仿真。不但可以做出一般实验室可以做出的实验，也可以做出一些真实实验室做不出来的实验。比如在本软件中，可以非常轻松地实现闪照功能，可以实时跟踪显示运动对象的速度和加速度，让人一目了然。对于正在学习物理的学生来说，仿真物理实验室是一个可以体验探究物理过程、一个可以设计实验去验证自己的设想、一个可以自由探索未知世界的实验探索平台和自由的想象空间。

　　“仿真实验计算器”虽然被认为是实验数据的计算者和输出者，但最重要的是它要求实验者事先从物理现象或问题中探究出物理实验模型和实验方案，进而根据被仿真实验的方案、原理、器材等事先构建好实验情景，其实这一点是和传统实验是一致的，也是实验的核心所在。在新课程的理念中，注重对学生的自主探究性培养，让学生自主体验科学探究，亲历“科学家发现真理”的过程，并把“过程与方法”作为物理教学的一个重要内容，以更好地培养学生的科学素养。基于此，以往只在大学里被用于大学实验的模拟仿真实验，由于其独特的优势现在也在中学物理实验中也被广泛应用。笔者开设了《探究弹簧振子的周期表达式》的研究性学习课题，让学生在仿真实验室这个平台上充分自主探究，由于仿真物理实验室制作出的弹簧振子模型交互性非常强，并能提供频闪照片和实时输出众多运动数据和图像，所以“仿真实验计算器”为学生提供了处理实验的一把利器，为学生探究提供便利和可行性。

　　三、新型科学探究模式展示：探究弹簧振子周期表达例析

　　探究是学习物理知识的一种重要的方式。科学探究都要经历一个基本的过程：

　　探究模式

　　1、提出具体问题

　　单摆和弹簧振子同样是简单的简谐运动模型，已经知道了单摆周期为，发现周期只与固有属性摆长和重力加速度有关，而与其它物理量无关，那么弹簧振子周期又跟哪些因素有关呢？公式又会是怎样？

　　2、进行猜测假设

　　鉴于其运动特点，影响弹簧振子的振动周期（T）可能有：振幅（A）、振子质量（m）、弹簧劲度系数（K）、弹簧长度（L）、振子的阻力、当地重力加速度（g）有关。

　　3?设计实验探究方案

　　由于影响弹簧振子周期的相关因素比较多，振动过程比较快，也比较难测，所以直接用传统实验难以实现。仿真实验室恰好能提供上述影响振子周期的各种因素的的变化，并且非常自由的控制上述物理量变或不变。科技小论文，探究模式。

　　利用控制变量法制作五个“仿真实验计算器”进行实验方案：

　　1、弹簧振子周期与振幅的关系（T-A）；

　　2、弹簧振子周期与重力加速度的关系（T-g）；

　　3、弹簧振子周期与长度的关系（T-L）；

　　4、弹簧振子周期与质量的关系（T-m）；

　　5、弹簧振子周期与劲度系数的关系（T-K）；

　　探究模式4?仿真实验及数据采集

　　实验一：探究弹簧振子周期与振幅的关系（T-A）；

　　实验过程：

　　①制作“仿真实验计算器1”（如图），利用自带振子模块及简单编程即可完成弹簧振子模型及数据图像的输出。弹簧振子的初始数据为：振幅A=10cm、振子质量m=1kg、弹簧的原长L=20cm、弹簧劲度系数K=10N/m、重力加速度g=9.8m/s2。科技小论文，探究模式。

　　②多次改变振幅，观察周期的变化

　　③根据实验结果进行分析

　　实验结果显示：振幅不同时弹簧振子的周期都为1.98秒，说明弹簧振子周期与振幅无关。

　　实验二：探究弹簧振子周期与重力加速度的关系（T-g）；

　　实验在实验一的基础上制作“仿真实验计算器2”，多次调节内置重力加速度的大小，实验结果显示：重力加速度不同时弹簧振子的周期都为1.98秒，说明弹簧振子周期与重力加速度无关。

　　实验三：探究弹簧振子周期与长度的关系（T-L）；

　　实验在实验一的基础上制作“仿真实验计算器3”，在不改变劲度系数的前提下，多次调节弹簧的长度，实验结果显示：重力加速度不同时弹簧振子的周期都为1.98秒，说明弹簧振子周期与重力加速度无关。

　　实验四：探究弹簧振子周期与质量的关系（T-m）；

　　实验过程：

　　1制作“仿真实验计算器4”（如下图），能输出振动图像和周期数据。科技小论文，探究模式。

　　2根据计算器4，观察三个振子的振动情况，观察输出的数据……

　　3发现振子振动不同步，周期明显不一样，且质量大的周期大。

　　4增加振子质量m=0.1kg到8kg的11组数据进行深入测量。

　　5根据实验要求，设计表格并将数据填入表内（如下表）。

　　（1）实验表格1-----在劲度系数不变的情况下，探究周期与振子质量的关系

　　m （kg）T （s）

　　0.10.63

　　0.20.89

　　0.51.4

　　11.98

　　22.82

　　33.42

　　43.95

　　54.41

　　64.83

　　75.22

　　85.58

　　实验五：探究弹簧振子周期与劲度系数的关系（T-K）；

　　实验过程：

　　1制作“仿真实验计算器5”（如下图），能输出振动图像和周期数据。

　　2根据计算器5，观察三个振子的振动情况，观察输出的数据。

　　3发现振子振动不同步，周期明显不一样，且劲度系数小的周期大。

　　4增加弹簧振子k=1N/m到80N/m的11组数据进行深入测量。

　　5根据实验要求，设计表格并将数据填入表内（如下表）。科技小论文，探究模式。

　　（2）实验表格2-----在振子质量不变的情况下，探究周期与劲度系数的关系

　　k （N/m）T （s）

　　16.24

　　52.79

　　82.21

　　101.98

　　201.41

　　301.15

　　400.99

　　500.89

　　600.81

　　700.75

　　800.7

　　5?数据分析处理

　　分别对实验四、实验五两组表格的数据进行分析，找出T与m的关系及T与k的关系，其中利用作图找两物理量关系是非常有效的途径。

　　（1）根据实验表格1，探究在劲度系数不变（k=10N/m）的情况下，探究周期与振子质量的关系

　　利用Excel软件作图功能，作出右图可知T随m呈非线性递增趋势，仍找不出两者关系。但根据数学图像为指数函数，大胆尝试寻求T2与m的关系，找出了T2与m呈线性关系。

　　（2）根据实验表格2，探究在振子质量不变（m=1kg）的情况下，探究周期与劲度系数的关系

　　同理，也可找出T2与k呈线关系。

　　6、得出结论与评估

　　综上可以得出如下关系：；得到：

　　（K’为比例常数）

　　根据实验数据测算K’值，

　　M （kg）k （N/m）T （s）K’K’的平均值

　　0.1100.636.3006.259

　　0.2100.896.293

　　0.5101.46.261

　　1101.986.261

　　2201.986.261

　　3202.426.248

　　4202.796.239

　　5203.126.240

　　6302.796.239

　　7303.026.252

　　8303.236.255

　　由于“仿真实验计算器”内部实验最小扫描时间（5×10-5秒）和每脉扫描次数（200次）对实验精度的限制，不能得出与理论完全一致的结果，但已非常接近理论值，故从以上实验及分析研究可以得出：弹簧振子的振动周期与弹簧劲度系数，弹簧振子质量有关。

　　弹簧振子的振动周期表达式为：

　　从总结出来的弹簧振子的振动周期表达式与单摆周期公式的对比来看，发现在数值上6.259≈2π，从对称性角度和周期公式统一性上完全可以大胆假设：弹簧振子的振动周期表达式。科技小论文，探究模式。

　　7、合作交流总结

　　对整个实验的操作和数据处理方式进行探讨，感悟科学探究的魅力及充分体验科学探究过程。

　　四、对利用“仿真实验计算器”进行科学探究模式的思考

　　1.应用“仿真实验计算器”探究问题的优点

　　科学探究最忌讳地是伪探究、自圆其说式的探究，也就是说探究问题本身就是一个事先按意愿设计好的过程进行，也就失去了探究的必要。科技小论文，探究模式。但笔者认为应用“仿真实验计算器”去探究问题其探究结果完全不是事先人为安排好的，由其独特的仿真环境支持，实验结果跟传统实验一样具有真实性和不确定性。我们要做的只是创设好初始条件就可以，至于事态的发生完全交给仿真实验室去模拟完成，并且大大节省其中不必要的、重复习性实验时间，所以对探究问题来说具有可行性。

　　老师再也不用担心由于违规操作而带来的仪器损坏问题，也不用担心耗材问题，大大节省开支。学生也可以异想天开地进行各种实验探究，还可以模拟理想态和非理想态的各种环境，并具有情景入胜、思路开放、乐于探究、充分自主探究等优点。

　　2.应用“仿真实验计算器”探究问题的缺点

　　由于实验操作变成了点鼠标，肯定会大大削弱学生的实际动手能力，对器材好坏优劣甄别能力，对器材的维护能力和实验操作的注意事项，对不可预知事情的分析处理能力。仿真实验对学生的编程能力、计算机的操作水平要求较高。

　　软件本身设计的有存在缺陷，比如扫描时间、脉冲单位个数及一些实验器材并没有在软件素材库中出现，软件公司不能及时跟上物理实验的发展，物理变量还不够多，设置不够灵活。操作届面不够友好及耐错支持有待改善。

　　我们也应该注意到不能迷信信息技术，不能将过去的“人灌”改为“电灌”， 不能将计算机模拟代替学生的自主实验，将学生的学习过程，思考、获得知识的过程完全用课件来代替，必须能够科学合理的安排。只有充分考虑到信息技术和物理学的学科特点，才能够将信息技术与物理课堂教学真正实现整合，才能切实提高学生的课堂效率。

　　综上所述，笔者在多年应用“仿真实验计算器”辅助教学的实践下来，积累了很多仿真实验积件，在优化物理情景创设、物理现象再现、瞬时问题渐变、复杂问题简化、疑难问题突破等方面有积极作用，教学效果明显改善，深受学生喜爱。