淺議動畫仿真實驗軟件在物理實驗教學中的應用

☆姚俊

（象山縣西周中學，浙江象山 315700）

隨著現代教育技術的應用和發展，計算機模擬教學越來越多地進入到學科教學中，尤其是在實驗教學領域，計算機模擬技術與學科教學的整合日趨緊密，且成為一個重要的發展趨勢。在這種大的教育背景下產生的動畫仿真實驗軟件以其能直觀、形象、逼真的模擬真實實驗場景而得到眾多物理教師的認可，但同時也遭到了很多批評，甚至有人呼吁抵制課堂教學中出現動畫模擬實驗。筆者認為一種新教學手段的出現并得之推廣肯定有它的優越性，如何科學合理應用使之效果最優化才是解決爭議的根本所在，下面是筆者就動畫仿真軟件在物理實驗教學中應用的一些看法：

一、動畫仿真實驗軟件的優缺點分析

任何一種教學手段都不可能是完美無缺的，動畫仿真教學也不例外，只有分析和把握了動畫仿真教學的優缺點，才能充分做到揚長避短與其它教學方法融合。

1.動畫仿真教學的優點

其一，直觀、形象、逼真，演示效果好。傳統物理教學中，涉及到新的物理現象或物理理論的講解時，教師大多采用課堂演示實驗的方式讓學生觀察實驗現象和變化，但是教師在講臺上的操作只有靠近講桌的很少一部分學生能看到，大多數學生根本看不清楚，尤其是在做一些現象本身變化細微或受外界條件影響比較大的演示實驗（如：質譜儀演示帶電粒子的偏轉）時，課堂演示實驗就更暴露出其在視覺觀察上的弊端。而采用動畫仿真軟件按照真實的實驗場景和實驗現象模擬，通過投影展現到每位學生的面前，一方面使學生觀察實驗現象更加直觀、清晰；另一方面由于每個學生都能參與，使得課堂氣氛更加活躍，學生的學習興趣更加濃厚，掌握知識的欲望更加強烈，從而達到調動學生思維，活躍課堂氣氛，提高學生學習主動性的目的。同時動畫模擬軟件在講解微觀、抽象物理理論時，更有直觀、形象、幫助理解的獨特作用，比如：微觀粒子的碰撞、微觀粒子在電磁場中的運動等。

其二，提供實驗探究場景，使學生獲得成功與失敗的體驗。皮亞杰的建構主義學習理論認為：只有在學習者仔細思考時才會導致有意義的學習，決定學習的因素主要在與個體和環境的交互作用。在他看來，知識的學習應來源于學生個體的主動構建，教師是學生學習過程中的組織者、指導者而不是灌輸者，教師的作用主要是借助教學手段和方法為學生創造一個自主學習的情景，以幫助學生主動學習、協作、探索和完成知識意義建構，這和新課程的理念相一致。新課程理念倡導探究式教學，即學生通過實驗探究自主學習，獲得成功與失敗的體驗。但是探究環境如果僅依賴于儀器實驗則勢必增加課堂教學難度（包括儀器的準備、課堂探究的管理與引導）和不確定性（處理實驗過程中出現的突發事件），影響教學安排和進度。利用動畫仿真軟件則可以很好地解決這個問題。

通過與仿真軟件之間的交互性操作，學生能夠在不斷的嘗試中獲得正確的知識，體驗到成功的喜悅，而這種在摸索中進步的體驗在真實實驗中卻是不可能感受到的，因為物理實驗的很多儀器都比較精密，一旦操作錯誤輕則毀壞儀器，重則危害人生安全，不可能給學生提供一個不斷嘗試、反復操作的實驗環境。

動畫仿真軟件還有一個優越之處：可以在不接觸任何危險的情況下從事危險的實驗操作，哪怕這種操作在現實操作中會帶來災難性的后果。這類實驗在真實環境中是不敢讓學生去體驗的，但是通過仿真軟件交互性的操作，可以把操作錯誤時可能出現的情景通過動畫和聲音再現出來，給學生以震撼，從而讓學生獲得失敗的體驗，這種挫折的體驗能激發學生的潛能和探究精神，從而進行研究性學習，切實掌握知識。

其三，成本低廉，適用范圍廣。在農村學校，由于實驗設備落后、儀器的缺乏等眾多原因，有些實驗根本沒條件做，比如新課程中提到的用傳感器研究力、速度、加速度等一些實驗。但是絕大多數學校都有計算機室，只需一臺計算機借助動畫仿真實驗軟件學生就可以進行所有實驗操作，給學生提供實驗探究的物理情境。無須維護、便于操作，使得動畫仿真實驗軟件能夠在所有學校得到推廣。

2.動畫仿真教學的缺點

固然動畫仿真軟件有很多優點，但是它的缺點也是顯而易見的，這些缺點也是它惹來眾多爭議的主要原因。

其一，場景單一、過于理想化。動畫仿真軟件具有交互性，即學生進行正確或錯誤的操作都會觸發相對應的事件，以此模擬真實的實驗場景。但是軟件上出現的場景和現象是人為規定好的，過于單一、理想化，真實實驗中同樣一個操作可能引起的后果不盡相同，同樣一個實驗出現的結果也可能會不相同，甚至出現不了預想的實驗結果，學生在處理的同時能夠鍛煉自身的分析、應變能力，這一點動畫仿真實驗是無法達到的。

其二，結果是人為規定的，難以讓人信服。動畫仿真軟件里面的實驗結果是軟件設計者一開始就設計好的，只要學生按照規定操作最后都能得到理想的實驗結果，然而這個結果并不是在真實情景下得到的，因此，難以讓人信服。

其三，難以獲得真實的感受與體驗。利用動畫仿真軟件進行物理實驗學生只要拖動鼠標就可以輕易完成，一切都是在虛擬中完成，這和真實操作實驗儀器給學生帶來的真實感受是無法比擬的。學生進行一場實驗操作可能掌握了基本知識，但是卻難以獲得真實操作的感受和體驗，這對學生的成長和發展也是不利的。

二、科學安排、合理應用，把動畫仿真軟件的作用發揮到極限

清楚了動畫仿真軟件在物理實驗中應用的優缺點后，我們就能有的放矢，有針對性的進行應用，把動畫仿真軟件效能性發揮到最大。

1.應用于抽象物理概念的教學

在高中物理教學中，學生最感困難的就是抽象物理概念的教學，尤其當其中還涉及到一些動態變化過程，這就更需要學生具有很強的想象力，一旦想象不出則立即出現思維障礙，影響后面的物理學習，而這些抽象的物理規律往往又很難用實驗儀器來演示。比如：新人教版高中物理選修3－5中關于概率波和不確定性關系的教學，學生最頭疼的就是光在衍射時粒子不確定關系式的理解，而借助動畫仿真實驗軟件可以把改變狹縫寬度前后粒子從光源飛出到打在屏上過程的不確定性展現出來，給學生一個直觀的感受，幫助其克服思維障礙。

2.輔助儀器實驗，彌補儀器實驗的不足

在研究物理問題時，我們大多通過實際的物理實驗來探究，但是由于實驗總是會受到各種環境因素的影響和干擾，使得實驗難以達到預想的效果，這時可借助動畫仿真實驗軟件輔助真實實驗，達到最佳的教學效果。比如：用質譜儀演示帶電粒子的偏轉實驗，質譜儀發出的淡綠色光本身就不明顯，碰到晴天光線較好時基本上看不出，給教學帶來很大困擾，如果和動畫仿真軟件結合起來則可以很好解決這個問題，先用質譜儀演示，留短暫時間讓學生靠近觀察，然后用軟件仿真實驗，并通過軟件里的磁場改變（或電性改變）觀察粒子運動情況，既而探究帶電粒子在磁場中的運動規律。

3.替代危險性較高的物理實驗

有些物理實驗需要在專業部門借助專業儀器才能完成，這些實驗對于知識貯備缺乏、經驗欠缺的高中生來說無疑具有很大的危險性，而要完成這些方面的知識學習借助動畫仿真軟件探究是最安全也是最理想的學習方式。例如：核反應（輕核聚變、重核裂變）、導彈運行軌跡分析等，借助計算機軟件對這類實驗進行仿真模擬，可以為學生提供探究情境，有助于學生重難點的突破，更重要的是可以讓學生初步學會計算機仿真這種現代科學研究中的重要研究方法。

4.自主探究能力的培養

動畫仿真軟件還有利于學生自主探究能力的培養，相對于物理實驗室，動畫仿真軟件實驗系統能虛擬物理實驗環境，提供一個實驗儀器比較完備的綜合性實驗環境，可以設定各種研究對象和實驗環境。學生通過這個虛擬物理實驗環境可以模擬物理實驗過程并自主進行探究。教學中，可以讓學生自己先創設出一個合適的物理模型，然后按照這個模型的要求設定實驗環境及有關參數，創建出所需的實驗。例如：在研究加速度與力、質量的關系時，我們通過“仿真物理實驗室”軟件設置了平直軌道（長木板）、小車（研究對象M）、滑輪、砝碼（m）等物體，設定了重力場環境，讓學生自行模仿實驗過程，改變和控制m或M的質量，測定物體的加速度。并根據模擬測量得到的數據進行數據分析，從而總結出質量M與加速度a的關系、外力F與加速度的關系。

相對于實物實驗，仿真實驗系統還有另一個好處，可以控制實驗過程，對過程進行慢放、暫停，方便定量分析。比如：研究平拋運動規律時，常用裝置一、裝置二（如圖1）驗證平拋運動在水平方向做勻速直線運動、豎直方向做自由落體運動，但由于小球運動速度過快，只能觀察到兩球相撞或同時落地瞬間，憑此猜測中間的運動過程。借助動畫仿真軟件提供的虛擬實驗場景可以對兩球拋出后的任一瞬間進行暫停或慢放，通過比較它們在水平或者豎直方向的位置關系來探究其水平、豎直方向的運動情況。

圖1

5.應用于側重實驗知識的教學

對于實驗室有條件進行的物理實驗應當盡可能地讓學生到實驗室自己去做，這樣可以使學生對物理知識和實驗過程有一個具體的、明確的認識，對研究物理問題的過程與方法有著更深的理解和體會，但這樣的實驗教學需要耗費大量的時間，對于復習性質的實驗教學就不再適用了，并且此時學生已經掌握了基本的實驗操作知識，教師要做的主要是使學生回憶起以前的實驗操作，這種教學側重于對實驗知識的記憶而非對實驗結果的探究，借助動畫仿真軟件可以在較短的時間內讓學生重溫實驗，達到復習鞏固的目的。

科學合理地應用動畫仿真實驗系統可以彌補傳統實驗教學的不足，給學生提供一個完善的實驗探究環境，為教師提供一種多元化的教學方式。科學的把動畫仿真實驗系統引入課堂實驗教學，合理把虛擬與真實兩種實驗教學方式加以融合，能夠使課堂教學實效得到最大限度的發揮與提高。