ＣＡＩ創新高職院校物理實驗教學模式的研究

摘要利用CAI創新高職物理實驗教學，就是建立信息化物理實驗平臺，賦予物理實驗教學以新的內涵。

關鍵詞CAI；創新；實驗教學

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：A 文章編號：1671-489X（2008）20-0050-03

網絡技術的迅速發展和普及給高等職業院校實驗室建設和實驗教學改革注入新的活力，尤其是計算機輔助教學（Computer-aided Instruction，簡稱CAI），給實驗教學改革提出新的課題。CAI用于實驗教學，實際上是利用計算機仿真技術，將實驗室中各種儀器設備的工作原理、實驗步驟、操作過程、實驗現象、實驗結果和數據處理等有關的信息制成教學軟件，讓學生在計算機上模擬實驗操作，獲得理論和實踐諸方面的升華。尤其是對于科技含量高、實驗設備復雜、技術難度大的實驗，其效果最為明顯。這種技術也叫虛擬實驗或仿真實驗，它要求這種實驗教學系統與實驗室的實際實驗相一致，達到使學生身臨其境的教學效果，同時面對實驗儀器設備和操作的立體感覺，使其教學效果與相應的基礎、專業實驗相同。

高職物理是一門自然科學，其基礎性強，實驗結論多，特別是一些定理、定律和結論的驗證，需要復雜的實驗過程，具有創新的教學理念和非凡的空間思維、創造性思維，是利用CAI創新實驗教學的最好例證。

1 高職物理CAI實驗教學模式

CAI實驗教學，是現代高職物理實驗教學的一個重要內容，可從以下幾個方面進行。

1.1 開發虛擬實驗教學系統，進行實驗教學和實驗綜合考核所謂虛擬實驗教學系統，就是通過計算機實驗教學軟件，利用先進的實驗手段，在計算機上模擬某一實驗內容或某一學科、專業的內容，使實驗教學以動畫的形式形象地表述出來。現在，計算機較高的普及率，網絡的建立，高校教師計算機水平的極大提高，為科學實施CAI實驗教學創造了條件。高校教師可積極開發CAI實驗教學系統軟件或建立較為科學的網絡實驗室軟件系統，使這些軟件系統與現行教材、大綱和專業課緊密聯系在一起，供學生結合實驗學習進行模擬操作練習。尤其是對在實驗室內難以完成或科技含量較高、尖端或具有前沿性的實驗，其教學價值更高。

比如高職物理的理想斜面實驗，雖然在中學物理中有研究，但提示的內涵和實驗的本質不一樣。高職物理需要從動態演繹到微量變化，需要從感官升華到動手能力培養。需要由動手操作躍遷到創新思維的培養。所有這些單靠簡單的驗證是很難完成教學任務的，還需要大量的、具有創新思維的、能夠培養動手能力和創造才能的實驗過程，需要借助計算機媒體進行模擬訓練，以達到如期的教學目的。像微勢能的變化、熱力學定律、變質量動量定理、沖量定律、諧振子、熱傳導、光導纖維、光速的測定、磁力線描述、電磁輻射、納米、原子衰變、熱量的轉化與能量變化、分子熱運動等等都可以借助CAI虛擬實驗教學系統來完成。在擴展高職物理教學的同時，賦予高職物理實驗教學以新的內涵。CAI實驗教學系統是現代教育手段和方法的重要體現，除幫助學生進行實驗自學內容，分化課堂教學重點和難點，培養學生動手和綜合能力外，還可以進行實驗考核，實現網上實驗操作、實驗評分、結果反饋，既方便又靈活，既準確又節省時間，且考核標準統一，評分合理，真實反應學生的實驗水平。

1.2 建立實驗教學網站，開展網絡化實驗教學改革隨著高等職業院校的進一步擴招，專業類別的擴大，學生實驗動手能力的不斷提高，在建立和完善虛擬實驗教學軟件系統的基礎上，各高校應創造條件，挖掘現有教育資源，啟動網絡工程，積極創辦實驗教學網站，將高職院校的物理實驗教學軟件納入網站系統，并入主機，與校園網連接形成一個教學整體。這樣各系、各專業、各高校之間可以借助優越的校園網無障礙地進行物理教學交流和學習改革探討。實施網絡化的高校實驗教學，不僅可以使教育資源共享，達到相互交流，相互學習，共同促進的目的，同時將極大地促進高職院校學生學習的積極性，促進高等職業教育健康有序的發展。

高職院校的物理是一門專業基礎課，不同專業有不同的教學要求，不像普通高校那樣一致，具有綜合的知識空間。這一特色賦予高職物理以新內涵：1）物理實驗教學網站共享，可以節約資金，擴大交流學習的空間；2）最大限度地開發實驗源地，使有限的實驗室教學拓展為無限的實驗操作場所，是一種信息平臺的應用創新；3）學生可無阻礙地網上查詢和數據處理，建立網絡實驗平臺，溝通與兄弟院校、同學的聯系，活躍學習生活，交流學習經驗；4）網絡實驗平臺不僅適合實驗，更重要的是適合于類似實驗教學方面的其他實踐性教學活動，如電子制作、航模比賽、大學生動手實踐活動、社會科技調查、生產實踐互動、人才開發與就業、就業與培訓等。

1.3 建立教室實驗室和遠程實驗教學系統教室實驗室和遠程實驗教學系統是實驗實體和計算機網絡的結合，是現代教育思想、教育理念與傳統教學方法的有機結合。實驗者在計算機終端上控制某具體實驗的儀器、設備等進行實驗，實驗結果將通過計算機網絡返回到計算機終端，并由計算機系統進行檢驗和數據更正。隨著教室實驗室和遠程實驗教學系統建立的完善，遠程大學的建立、遠程實驗室已被列入各高校建設規劃，比較理想的遠程實驗教學系統也初具規模。遠程實驗室同網絡實驗一樣，可以極大地突破空間、時間等因素的限制，給高職院校的物理教學帶來極大的便利。

遠程實驗室的建立，必須貫徹科學性原則，必須加強上下級實驗教學部門的密切聯系，加強與當地遠程實驗教學網的溝通。現在，濰坊科技學院的遠程實驗教學平臺與當地信息大篷車、市級農科網、蔬菜種子信息交流網以及信息港、教學資源網互通，徹底建立了高職院校與生產、建設、服務、流通等一線的實質性合作，走出一條高職院校為當地經濟服務的新路子。

教室實驗室是教師將實驗模擬軟件搬進教室，結合課堂教學一并進行，它的最大特點是徹底解決演示實驗難的問題，使理論講述與實驗驗證同步進行，給學生創造一個身臨其境的教學環境。它需要設備簡單，操作方便，實驗信息量相對較小，但其作用不可低估。目前，類似于公開課、教學能手評選、優質課的基本模型都是教室實驗室的具體體現。

2 CAI物理實驗教學探索

下面以《電磁感應 電磁場》為例，說明虛擬實驗教學系統的應用與教學改革。

1）建立電磁感應與電磁場的終端平臺，將實驗室實驗平臺與校園網相連接，構成虛擬的實驗教學系統，搭建學生實驗的有效載體。

2）分步驟、分實驗與實驗室的實驗內容相對接，最大限度地體現實驗的特有功能。如法拉第的首次發現電流實驗、楞次定律的驗證實驗，全面模擬如圖1所示的實驗過程和實驗結論，給學生創造一個動態與靜態的對比平臺，讓學生充分感受到當物質發生變化時與自然規律的和諧共存。電和磁的變化，其實質就是能量的變化和能量的進一步轉化。物質世界如同電磁的變化，需要一定的先決條件，離開了事物的本質和外在的變化條件，任何物理規律都不可能存在。能源的變化需要人類共同維護，只有人類和諧，樹立科學發展的理念，才有用之不盡的能源。

3）重點對儀器的特性、結構特征和用途作介紹，以滿足學生對完成其他實驗的需要和創新欲望的需要。如閉合線圈（單股、多股、雙向、有源、無源）、電源（小型、中型、大型、直流、交流）、開關（推拉、刀把、按鈕式等）、電流計（靈敏電流計、安培計）、磁鐵（條形、馬蹄形、面積寬大型）、線框、轉身器、電阻器（大、中、小型號）、金屬棒（不同型號、不同組成成分的金屬棒）。重點介紹與上述器材相關聯的實驗及相近實驗原理、結論、數據以及處理問題的基本方法、內含的哲理、教育的意義和完成實驗的關鍵，以引導學生能夠借助已有的實驗器材獨立進行新的實驗，賦予實驗教學新的內涵。

4）重點介紹高科技實驗，如微型發電機的工作原理、三峽水電站、太陽能發電、地熱發電、海水發電、核能發電、電子感應加速器、渦電流的產生及利用、電磁分離器等，以滿足學生日益增長的知識需要，擴大知識面，掌握基本的技能，了解社會、生產、建設、流通、服務等行業對電的需求和電力在農業生產、國民經濟中的重大作用，提高保護自然、利用自然、開發自然的意識，進行科學發展教育。

5）介紹一部分科學家，如法拉第、奧斯特、亨利、諾埃曼、麥克斯韋、楞次、克斯特等物理科學家的事跡，以教育學生學習他們的研究精神，將才智奉獻給整個社會。

3 C I實驗教學的作用與實際意義

CAI實驗教學是現代教育思想的具體體現，是信息時代賦予高職物理實驗教學的新內涵，主要體現在以下幾個方面。

1）從學生自學、大眾化和終身教育等方面來看，CAI實驗教學不僅解決了學生自學實驗內容與實驗條件相矛盾的問題，同時培養了學生良好的自學習慣和自學行為。通過利用計算機網絡對物理實驗方法、實驗內容和實驗過程的學習，徹底解決了新建高職院校無實驗場地、缺少實驗設備、實驗時間少的突出問題。由于高職院校專業開設得比較多，多用途的實驗室又相對較少，這樣一方面可通過計算機網絡組織多專業學生同時進行物理實驗的學習，了解物理實驗，掌握物理實驗技能；另一方面可最大限度再挖掘高職物理教育資源，使有限的物理實驗資源發揮其巨大的作用。

2）幫助學生解決在物理實驗學習、操作、開發中的困難，化解學習難點。CAI的實驗教學系統可把實驗中的一些比較抽象的概念、知識點、儀器的使用，用三維立體的形式顯示出來并進行模擬演示，使實驗教學達到在教室、實驗室所達不到的教學效果，加大物理教學中空間、形象思維能力的培養。

3）檢查學生的實驗綜合能力和對實驗內容的掌握情況，為物理實驗教學改革提供第一手材料。CAI的實驗教學系統是現代教育手段和方法的重要體現，除幫助學生進行實驗自學，培養學生動手和綜合能力外，還可以進行實驗考核。考生一人一機，整個過程可通過計算機進行數據記錄、分析判斷、程序控制；也可現場操作、現場評分、現場反饋，既方便又靈活，既準確又節省時間，且考核標準統一，評分合理，真實反應學生的實驗水平。

4）培養高職院校學生的信息綜合能力和創新能力。高職院校的學生要適應將來的信息環境，就必須培養接收、處理、開發和應用信息的能力，特別是培養綜合創新能力。隨著計算機虛擬實驗、網絡實驗和遠程實驗室的建立，CAI實驗教學將給高職學生提供大量的實驗教學信息，學生通過對這些知識的掌握與學習，一方面培養實驗能力，同時利用網絡獲取信息，培養利用計算機和網絡處理信息的能力，間接地培養思維能力和創新能力，從而適應信息社會對人才的要求。