模擬仿真實驗研究

【摘要】模擬仿真實驗作為計算機在教學中應用的一種教學模式，多年來在教學中發揮了一定積極作用，但在模擬仿真實驗構建時，模型創建和教學性能設計存在一些普遍問題。為了使模擬仿真實驗能夠在教學應用中更有效地發揮作用，文章將研究模擬仿真實驗及其教學設計問題。

【關鍵詞】計算機教學應用;模擬仿真實驗;教學設計

【中圖分類號】G420【文獻標識碼】A 【論文編號】1009—8097(2010)06—0132—03

一 引言

模擬仿真實驗作為計算機用于教學的一種基本模式，在教學中有著廣泛的應用前景。它既適合于在教師指導下課

堂教學，也適合于學習者進行探究式自主學習和協作學習。本課題在認真研究已有模擬仿真實驗基礎上，發現實驗構建中的模型創建和教學設計存在一些普遍問題，表現在抽象模型，交互性、針對現象反饋和教學性能方面。我們所開發的模擬物理實驗系統，正確地運用了建構主義學習理論，實現了一個全新的面向學習者的學習環境。

二 模擬仿真實驗

模擬是指在交互控制狀態下，對某種現象或過程進行表現和展示。按照所要表現的現象，可以把模擬分為兩大類四種情況:物理現象和過程變化的模擬;程序性和情形性的模擬。在計算機輔助真實現象的模擬教學模式中，物理現象的模擬是將一個真實的現象或過程的某種規律在屏幕上表現出來，以供學習者去學習和研究，如表現光線通過透鏡的成像規律，光線通過棱鏡的傳播等問題。過程變化的模擬，通常是為學習者說明解釋一個不會明顯表現出來的過程及難以理解的概念所進行的模擬。這兩種模擬一般是不可人為隨意干預或參與的。第二類情況中，大多數程序性模擬是為了教授一個構成過程的行為或動作順序，它的主要特點是有一個或更多的步驟序列，以供學習者學習或訓練。情形性模擬是在不同的情形下，涉及人的態度而非技能行為，不像程序性模擬要教一系列規則，而是展示允許學習者針對某種情形探索，用不同方法或扮演不同的角色時，所產生的影響并實時地表現出來。其中物理現象和過程變化的模擬，最常見的一種就是模擬仿真實驗。

三 模擬仿真實驗設計

隨著信息技術的發展，人們可以模擬出自然界發生的各種現象和過程，并實時地加以顯示。在所建立的模擬實驗教學情境中，不但能夠實現隨時觀察到與實際實驗相同的現象或結果，還可以清楚地觀察到實驗發生和現象演變的過程、擴大或縮小觀察空間、減慢或加快時間上的控制等，還可在有效的范圍內方便地改變某些條件、參數或儀器進行對比實驗，隨時觸發對當前狀態的說明解釋。將其用于教學中將極大地引起學習者的學習興趣，大大提高教學和學習過程的效率，使抽象的概念、規則和原理變得簡單易學。同時可以做到及時糾正實驗中所犯的錯誤，絕對避免了在實際實驗環境中可能帶來的可怕后果。

那么，在設計模擬仿真實驗時，要充分考慮其教學設計，以建構主義學習理論作為指導，結合物理現象的特點，建立以計算機模擬物理實驗和對實驗進行分析的學習情境。模擬仿真實驗設計目標，能夠在交互控制下實現對現象、過程、內部機制和原理等內容的展示，易于學習者對系統的運動狀態、變化過程、受外部條件的影響、概率特性和響應特性等進行觀察思考和分析研究。

1 設計要求

為了方便教師或學習者自身在所創設的情境中，啟發、誘導或學習者之間通過協作學習的過程，進行討論和探究來完成意義建構，在探索的環境和氣氛中實現有目的學習[2]。設計要能夠完全反映真實現象的整個過程，包括儀器設備、裝置及所呈現的現象顯示逼真，模擬過程科學、結果真實、數據可靠等。能夠對實驗現象的展示進行多次重復，以利于對現象的規律、規則、理論進行詳細深入的探索和研究。能夠實現智能化的模擬仿真，讓學習者觀察到實際實驗中難以或根本觀察不到的實驗發生過程和微觀內部機制，并通過形象的表現揭示其中內涵、規律;實現對某些實驗的人為控制，能夠瞬間觀察感興趣的現象或量值;可以把隱藏在現象背后的實質問題突出地展示出來;通過改變實驗條件、參數或儀器進行對照類比等。這對于學習者理解抽象的概念、掌握或探索有關的規則、定理或定律會起到非常關鍵的作用。

2 實驗設計

根據模擬實驗的特點和教學性能設計目標，可以將實驗的結構和流程設計成介紹部分、呈現現象、交互活動、系統修改、系統反饋和結束。為了便于說明和設計，這里主要從以下幾個方面討論實驗設計中所涉及的問題。

(1)實驗說明與幫助

說明包括本專題的教學意圖、演示項目和教學建議的總的扼要文字說明、使用與操作指導，其作用在于避免學習者盲目進行操作或對學習過程不知所措;幫助應實現在線幫助，即在實驗過程中可以隨時激活、瀏覽一個幫助窗口，提醒學習者對現象進行特別提示和探究引導。例如，在單擺實驗中使用指導提示和教學建議提示。

(2)基本模型確定

模擬實驗基本模型，是從真實實驗抽象出關鍵的要素，能夠用計算機編程實現模擬的首要一步。建立模型要有足夠的精度。在設計時重點應抓住實驗中最本質的東西，而把非本質的東西盡可能去掉，又不影響反映實驗現象本質的真實程度。例如模擬物理實驗系統中在確定單擺實驗模型時，只考慮擺長和重力加速度對單擺周期的影響，而忽略空氣阻力的作用;只考慮擺線長度，擺球質量及實驗地點的變化，而忽略具體變化擺線長度的調節過程，擺球質量的稱量過程和實驗地點的轉移過程。擺動過程中的數據調節范圍足以表現其運動規律，擺線長度的變化范圍在35cm-106cm之間(地面上擺的擺長約99.4cm)，利用滑塊變化技術即時調節擺長;擺球質量有20g、30g、40g、50g幾種。地點有柏林、北京、新加坡、月球等可供選擇。每次變化擺長、質量、地點進行實驗所得的數據，完全按照單擺周期公式反映了對周期的影響。真實單擺實驗的擺球運動軌跡是弧形的，其擺動過程是連續的，而模擬擺動實驗卻是跳躍的、間斷的，但在計算機程序代碼運行時利用了人的視覺反應時間，完全可以較逼真地模擬出連續的效果[1]。

模型要盡量簡單。模型的構造是為了計算機編程實現上的考慮，對所要模擬的現象應從持續性、分立性和邏輯性方面進行數學抽象。持續性是指在視覺反應期間能對模擬現象的連續變化的描述;分立性是指通過一些分立的量來表現現象的某種規律或規則;邏輯性是指對模擬現象表現過程的邏輯方面的考慮。這里的持續性、分立性和邏輯性，在整個模式構造中要既分開獨立找到特有影響因素或相關量，又要統籌考慮對現象整體效果的影響。在模型中既要考慮模擬現象自身的特性，又要考慮與學習者進行實驗控制操作有關的交互性，涉及到的因素有:模擬中的每個對象、每一個物理量;所遵從的規律規則;現象的精確性;實現的順序;幾種解決方案;時間幀;學習者的角色扮演等。在模型確立過程中，要嚴格地按照科學規律進行設計，同時要注意模擬現象對條件的要求，在何條件下成立，何條件下不成立要明確。如模擬物理實驗系統中，物距與像距是相對透鏡光心而言的，只要物距和像距的調整范圍能夠表現出成像位置及大小的變化規律即可，無需由于變化透鏡位置給實驗設計及測量帶來麻煩和不便?；谶@樣的考慮，要求透鏡固定放在60厘米處，對于焦距是10、15、20厘米來講，物的放置范圍在0#61566;60厘米之間，物可放在此區間的任何位置，屏在0#61566;110厘米的區間內通過任意移動，來找到清晰成像的位置及觀察像的大小變化，從而表現出物距u、像距v和焦距f間的位置對應關系及物像大小的變化規律等。設計時的數學抽象既簡單又有效，在現象的表現中既涉及到持續性、分立性，又涉及到邏輯性。

(3)模型建立步驟

在明確實驗設計目標基礎上，對實驗進行認真研究，確定主要變量;找出實驗中的各種內部聯系和關系;確定實驗約束條件;根據有關學科規定使用符號或代號;簡化和檢查實驗模型，看它是否可以表現出真實的實驗現象。

3 實驗現象顯示

把模擬現象真實表現出來，既要考慮讓學習者看見的，又要考慮聽見的，同時注意所表現現象和數據的可靠性。在這一階段，首先應明確要表現的主題是為了觀察現象，還是為了說明某個概念。一般情況下，物理模擬主題，通常是觀察現象或通過現象總結出某種規律。情形性模擬主題，通常要說明某種概念;而程序性和過程模擬通常兩者都包括。其次考慮模擬中項目或儀器的選擇，操作對象，對事件作出的反應，對現象某種規律的有效觀察等等。另外應考慮模擬表現上的真實性，這就需要充分利用計算機技術，做到生動、直觀、形象真實。如真實摩擦力實驗中，摩擦力不是直接看到的，而在模擬實驗中卻可顯示任一瞬間摩擦力的大小和方向;在彈簧振子的簡諧振動實驗中，學習者可觀察到位移、回復力、速度、加速度矢量隨振動而周期性變化的情況，并可顯示任一位置的位移、回復力、速度、加速度的數值;在自由落體運動實驗中，類似于閃光照相技術，提供了每隔1/30秒在落體瞬時位置打點的方法，直觀展示出在相同時間間隔內，落體的位移變化情況，同時將數據記錄在表格中，以利進一步研究和計算;在楞次定律的真實實驗中，磁感線是不能直接觀察到的，但在模擬物理實驗中則根據需要讓學習者生動、形象地觀察到磁感線的疏密、方向的變化。為了達到實驗的準確性，在動畫設計上應采用定時處理，既做到模擬的實驗現象與實際的現象相一致，又做到模擬的過程與實際的過程相一致。同時注意動畫的演示不要因機器速度的不同而發生畸變。有些現象專門為其具有教學性能而展示。

4 交互性設計

模擬實驗設計中的交互控制，主要體現在學習者與模擬事件的交互性作用上，模擬的交互性越強，越真實有效，越具吸引力。模擬實驗有別于一般演示實驗，體現在它具有較強的交互性，主要反映在用戶對各種參數的選擇、設定和調節上或儀器的選用上，實現在有效合理范圍內方便地改變參數或儀器等進行對比實驗?？杀憩F在系統中的角度、位置、速度、溫度等幾何和物理參量變化上，也包括選擇物理模型、樣式或樣品、條件等，還應包括觀察角度、畫面顯示狀態、計算步長等等。如模擬物理實驗系統中，在交互性方面體現在:可將物、透鏡和屏拖動至光具座的相應位置上，且可對相互位置關系正確與否作出判斷與提示。物和屏可分別放在各自區間內任意移動，使學習者清楚地觀察到物距與像距、物與像大小的對應關系與規律。同時允許學習者隨時更換或調節透鏡焦距和物的大小，這些教學性能給教師的講解和學習者的學習提供了更多的可變參數，便于對問題的深入研究探討。

控制功能要靈活方便，設計時注意參數的調節過程和參數的顯示，要比較直觀、方便、快捷。交互形式最常用的是鍵盤、鼠標、觸摸屏、光筆和語音等。因為學習者的參與主要靠靈活方便的控制來實現，通過提供一定的實驗控制或選擇條件，將有利于學習者的進一步鉆研和知識的拓寬[3]。

5 顯示與反饋

當對模擬系統進行某種操作后，系統應給出相應的反饋，這種反饋可以是自然的，也可以是人為的。所謂自然反饋是類似于可能發生的事，人為反饋是類似于個別指導或練習模式中給出的相應提示或結論性信息，如對當前狀態的說明解釋。對于前一類情況，應能隨時顯示改變參數后的實驗結果，即可以實時繪制與顯示。如當物距、物大小、透鏡焦距及屏位置中，只要有一個量發生變化，屏上所接到的光斑或像就隨之變化。另外考慮提供多種顯示方式，如截面、二維或三維表現等;可調顯示參數，如投影角度、比例、顯示范圍等，體現出顯示的多樣性、可調性。如模擬物理實驗系統中除了在屏上觀察像外，可隨時激活圖標顯示正面畫面，滿足學習者從不同角度進行觀察。這將有利于學習者對同一現象的觀察與思考，能從不同的側面、角度進行全面的觀察與分析比較，經過探究而得出結論。

四 模擬仿真實驗教學應用

對于模擬仿真實驗系統，它既適用于教師課堂進行教學，也適用于學習者自己進行探究式學習。教師利用這種特定實驗情境，啟發學習者主動探討研究，完全像做實驗一樣歸納和總結出相關的規律。利用情境或在情境中進行教學，能夠讓學習者參與進來，做到教師只是引導者而非講演者，更利于學習者主動進行學習。教師再也不會感到物理難教，一些原來單純利用黑板和演示不容易講得清楚的東西，現在在模擬實驗中實實在在地動態顯示出來，便于講解。從學習者角度也不會再感到物理難學，原來僅僅靠想象的抽象東西，現在活靈活現地出現在面前，你可以仔細觀察，反復實驗，經過思考后得出結論。對學習者而言，完全可以獨立或與學習伙伴一起進行實驗，利用系統關鍵提示和解釋，實現探究學習。因此，利用這樣的模擬實驗開展教學，能夠大大激發學習者的求知欲，滿足學習者的探索欲，最大限度地發揮學習者的認知主體作用，讓學習回歸本體，就是實現學習者自主學習，不再是“被教會”。

五 結論

通過結合作者開發的模擬物理實驗系統項目設計與實踐，文章探討了模擬仿真實驗設計及其教學設計的方法，由于不同學科有其自身的特點，在進行設計時應該根據實際情況進行具體處理，但總體目標都是要求實現隨時觀察到與實際實驗相同的現象或結果。歸納為以下幾點:(1)模型構建時要簡潔，抓住最基本要素，排除非本質的東西。(2)實驗要有很強交互性。(3)模擬過程要清晰、可重復。(4)模擬的結果要真實可信。(5)現象呈現時關鍵幀有說明解釋。(6)有學習指導和使用說明。這樣設計出來的模擬仿真實驗，在教學上有利于學習者的啟發式、探究式學習。隨著計算機技術不斷進步，計算機用于教育教學，特別是模擬實驗這種教學模式，必將在教學和學習中發揮愈來愈大的作用。

參考文獻

[1] 李云程.探討制約CAI開展的關鍵環節軟件設計問題[J].中國電化教育， 2000，(3):40-42.

[2] 曹文君等.多媒體CAI課件開發中若干問題的研究和實踐[J].計算機工程 2000，26(4):54-56.

[3] 李云程.利用Agent技術實現教學軟件的智慧型交互特性[J].電腦知識與技術學術交流，2006，(8): 153-232.