虚拟仿真实验在《原子的核式结构模型》教学中的创新应用
更新时间：2025-11-14 来源：矩道科技 浏览：0
在传统物理教学中，微观领域的物理概念和规律因其不可直接观测的特点，成为教学中的难点与痛点。以"原子的核式结构模型"为例，卢瑟福散射实验作为原子物理学史上的关键转折点，却因放射源的安全问题与设备条件限制，在中学乃至高校教学中大多停留于理论讲解与静态图示。虚拟仿真技术的深度融合，为破解这一微观物理概念教学难题提供了创新路径。
微观物理概念教学主要面临三大核心挑战：
具体到卢瑟福散射实验，其教学过程存在特殊困难：实验需要使用α放射源，存在安全隐患；原子尺度极小，相互作用过程无法直接观察；散射现象的概率特性需要大量数据统计才能验证。这些因素导致学生很难理解为何卢瑟福会从实验现象中推断出原子具有核式结构。
借助矩道物理虚拟仿真实验室，摒弃“告知结论”的灌输式教学，引导学生重走卢瑟福的探究之路。
创设认知冲突：学生首先基于汤姆生的“西瓜模型”进行预测。随后，在虚拟实验中，学生亲自操作、观察，并定量统计α粒子的运动轨迹。当“绝大多数穿过”与“极少数大角度偏转”的强烈对比数据实时呈现时，原有的认知模型被瞬间颠覆，产生了强烈的探究内驱力。
引导模型建构：引导学生思考是怎样的结构才能同时解释“空旷”与“强相互作用”这两种看似矛盾的现象。学生通过虚拟仿真科学实验的多角度观察和数据分析，自主推理出原子内部存在一个“质量集中、体积极小、带正电”的核。至此，核式结构模型不再是课本上的静态结论，而是学生基于证据主动建构出的科学解释。
微观原理展示：直观展示原子的核式结构模型，同时演示当α粒子束穿过时，绝大多数α粒子直线穿过，是因为原子内部绝大部分是空旷的空间；少数α粒子发生较大角度偏转，是由于它们靠近原子核时受到了较强的库仑斥力作用；而极少数α粒子发生大角度反弹，则是因其正面撞击到了质量远大于自身的原子核。
虚拟仿真科学实验将看不见的微观世界变为可视化的动态过程。通过可视化和交互操作，学生能够建立准确的物理图像，深化概念理解。沉浸式的探索体验激发了学生的好奇心与求知欲，使抽象的物理学习变为充满趣味的探索过程。
虚拟仿真实验在本课中的应用，成功地将抽象的原子结构概念转化为直观可视的探索过程。学生不再是知识的被动接受者，而是成为原子世界的主动探索者。这种基于虚拟仿真技术的教学模式，不仅深化了学生对特定物理概念的理解，更重要的是培养了他们的科学思维方式和探究能力——这正是物理教学的核心价值所在。当学生透过虚拟实验“看见”了原本不可见的原子结构，当他们在分析实验现象的基础上自己“发现”了核式结构模型，物理课便不再是一堆公式与概念的堆砌，而成为了探索物质本质的科学之旅。
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