仿真實(shí)驗(yàn)在物理教學(xué)中的應(yīng)用

石懷玉

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是物理教學(xué)活動(dòng)過程中重要的組成部分，它是把理論知識(shí)和實(shí)踐活動(dòng)相結(jié)合的教學(xué)過程。通過實(shí)驗(yàn)可以啟迪和豐富學(xué)生的思維，加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解能力。通過動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，可以培養(yǎng)學(xué)生用實(shí)驗(yàn)的方法和技術(shù)研究物理現(xiàn)象和規(guī)律的能力。

如何能建立一個(gè)感性認(rèn)識(shí)和理性認(rèn)識(shí)相統(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，給學(xué)生以逼真的體驗(yàn)； 本研究正是從當(dāng)前物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基本情況以及教學(xué)難點(diǎn)出發(fā)，探討將仿真實(shí)驗(yàn)引入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過程中，這將會(huì)較好的解決物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的問題。

目前物理實(shí)驗(yàn)課主要還是采用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)模式，學(xué)生按照教師的“規(guī)劃”來(lái)完成實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)以小組進(jìn)行，在有限的一節(jié)課內(nèi)不可能每一個(gè)學(xué)生都能從頭到尾完成實(shí)驗(yàn)；傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)面臨巨大的挑戰(zhàn)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，仿真實(shí)驗(yàn)軟件應(yīng)運(yùn)而生，它的出現(xiàn)主要是針對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的種種弊端設(shè)計(jì)和開發(fā)的，目的在于盡可能地降低客觀條件對(duì)學(xué)習(xí)者的限制，合理有效地解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題和困難，為進(jìn)一步加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)提供較為強(qiáng)有力的手段。

物理仿真實(shí)驗(yàn)軟件的選擇，必須集預(yù)習(xí)、操作演示、實(shí)驗(yàn)處理等為一體。應(yīng)該達(dá)到以下幾個(gè)要求：能夠?yàn)閷W(xué)習(xí)者提供逼真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境。能夠使學(xué)習(xí)者任意操作虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中的儀器設(shè)備。

在傳統(tǒng)情況下，學(xué)生預(yù)習(xí)是通過閱讀教材，驗(yàn)的原理、步驟與現(xiàn)象進(jìn)行初步的了解。但講義的敘述與圖示再詳細(xì)，也不可能細(xì)致地描繪出實(shí)驗(yàn)儀器的基本結(jié)構(gòu)與現(xiàn)象結(jié)論，但如果將相應(yīng)的內(nèi)容做成多媒體課件發(fā)布到校園網(wǎng)上，學(xué)生則可以利用計(jì)算機(jī)上網(wǎng)瀏覽課件，了解實(shí)驗(yàn)的基本原理、儀器的詳細(xì)結(jié)構(gòu)、最后的現(xiàn)象結(jié)論等。

在實(shí)驗(yàn)的課堂教學(xué)過程中，通過計(jì)算機(jī)播放多媒體課件，模擬實(shí)驗(yàn)儀器的使用、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的發(fā)生，可以充分創(chuàng)造出一個(gè)形象逼真的教學(xué)環(huán)境，使學(xué)生似乎身臨相應(yīng)的宏觀或微觀世界中，既能輔助教師形象、準(zhǔn)確地完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)，又能大大激發(fā)起對(duì)物理實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)興趣。

用計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)M，即仿真實(shí)驗(yàn)，是利用計(jì)算機(jī)將每一種實(shí)驗(yàn)儀器或設(shè)備模擬出來(lái)，通過鼠標(biāo)或鍵盤操作這些虛擬的儀器或設(shè)備來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。由于仿真實(shí)驗(yàn)受經(jīng)費(fèi)、場(chǎng)所、時(shí)間以及設(shè)備等方面的限制較小，基本上所有高校都可以開設(shè)。計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)的出現(xiàn)，使實(shí)驗(yàn)不再受到客觀環(huán)境的影響，從而實(shí)驗(yàn)過程重復(fù)性強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果更理想化，有利于學(xué)生準(zhǔn)確地把握實(shí)驗(yàn)的物理內(nèi)涵；使學(xué)生能夠根據(jù)自己的愛好與特長(zhǎng)，極大地調(diào)動(dòng)其學(xué)習(xí)的積極性。

建設(shè)輔助仿真教學(xué)無(wú)論對(duì)學(xué)習(xí)者，還是對(duì)教師、對(duì)教學(xué)內(nèi)容等等多個(gè)方面都有非常重要的作用。對(duì)學(xué)習(xí)者而言他們是學(xué)習(xí)的主體，仿真教學(xué)的主要目的是向?qū)W習(xí)者提供學(xué)習(xí)的途徑、資源和方法，培養(yǎng)學(xué)生的認(rèn)知和認(rèn)知策略，最終獲得發(fā)展。具體來(lái)說(shuō)，包括以下幾項(xiàng)：

首先，交互程度。采用遠(yuǎn)程仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，交互對(duì)于學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)的激發(fā)與保持、遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)的成功是極為重要的。

其次，答疑。在遠(yuǎn)程仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，學(xué)習(xí)者需要向教師或相關(guān)專家請(qǐng)教問題是不可避免的事情。通過答疑，學(xué)習(xí)者可以更加深入地理解學(xué)習(xí)的主題。遠(yuǎn)程仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式為高質(zhì)量的答疑提供了各種便利條件和可能。

再次，資源利用。學(xué)習(xí)者利用豐富的課程資源及仿真課件進(jìn)行學(xué)習(xí)是網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的一大優(yōu)勢(shì)。學(xué)習(xí)者對(duì)資源的利用不僅指利用教師或互聯(lián)網(wǎng)提供的資源，更為有價(jià)值的是學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中所上傳的數(shù)據(jù)。

對(duì)教師來(lái)講遠(yuǎn)程仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過程是一個(gè)不斷改進(jìn)和提高的過程。在遠(yuǎn)程仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境中，學(xué)生與教師的地位發(fā)生了改變，教師成為學(xué)生學(xué)習(xí)的輔助者而不再是傳遞者，信息的傳遞主要由遠(yuǎn)程仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)來(lái)完成，遠(yuǎn)程仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)與教師所提供的教學(xué)資源作為主要的學(xué)習(xí)內(nèi)容和教學(xué)信息。由于遠(yuǎn)程仿真技術(shù)教學(xué)是師生異地，學(xué)習(xí)者可以與教師在不同的地點(diǎn)學(xué)習(xí)，遠(yuǎn)程仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供異步和同步的學(xué)習(xí)方式。仿真實(shí)驗(yàn)的引入給物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來(lái)了新的教學(xué)手段，但也帶來(lái)一些值得思考的問題。

第一，仿真物理實(shí)驗(yàn)保證了實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和數(shù)量，打破了時(shí)間和空間的局限。有些實(shí)驗(yàn)耗資大，儀器操作要求較高。仿真物理實(shí)驗(yàn)軟件的面世，彌補(bǔ)了因?qū)嶒?yàn)設(shè)備及經(jīng)費(fèi)不足等造成的缺憾，保證了物理實(shí)驗(yàn)的項(xiàng)目和數(shù)量。學(xué)生可在課外繼續(xù)實(shí)驗(yàn)，在任何地點(diǎn)自學(xué)，利于學(xué)生根據(jù)興趣選擇。它還充分利用信息技術(shù)手段，提高了學(xué)校硬件設(shè)施的利用率。

第二，仿真物理實(shí)驗(yàn)拓展了觀察的廣度和深度。仿真物理實(shí)驗(yàn)?zāi)軒椭瓿梢恍﹥x器在真實(shí)實(shí)驗(yàn)條件下難以實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)，清晰明了地展現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程。把一些不易觀察的微量放大，更便于學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)，減少遺漏，避免了因觀察范圍限制或次要因素的干擾而走入思維誤區(qū)。就像任何事物有其積極一面，也必有其不足之處一樣，目前仿真實(shí)驗(yàn)也有一些局限性。可能淡化對(duì)基本技能訓(xùn)練的重視程度，弱對(duì)儀器的真實(shí)感受和基本技能的訓(xùn)練力度。

總之，實(shí)踐表明仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)大大激發(fā)了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣，使學(xué)生在點(diǎn)滴的進(jìn)步中感覺到付出的收獲，從而產(chǎn)生成就感和自我學(xué)習(xí)的意識(shí)；同時(shí)大大緩解了實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)的不足，對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)有著很重要的作用。