計算機模擬及其進入中學物理課堂教學的途徑分析

摘 要

計算機模擬作為一種激發學習者的學習動機及提供認知發展過程的支持工具，在中學物理教學中發揮了重要作用。文章對模擬相關的概念進行了闡述，探討了計算機模擬進行中學物理課堂的必要性，最后分析了計算機模擬進入中學物理課堂教學的途徑。

關鍵詞

計算機模擬 中學物理 教學途徑

一、與模擬相關的概念辨析

計算機模擬提供了激發學習者學習動機和認知發展的環境，學生在與該環境的互動中，有效地促進了思維的發展，因此計算機模擬在中學物理教學中發揮了重要作用。近年來，模型、建模、模擬這三個相關的概念經常出現在物理學科的教學與研究中。因此，很有必要梳理這三個概念。

1.模型

模型是對物體、事件、系統、過程、物體或事件間的關系等進行的一種表征。Hestenes和他的同事們一直提倡在物理教學中使用模型。他認為模型是目標對象的代用品，是一個真實事物概念化的呈現[1]。在物理中的模型是數學模型，也就是說，在模型中各個物理屬性是用變量來表示。因此，在模型中，需要清楚地定義變量，變量所表現出來的行為與真實系統中的行為應該是相似的。

關于模型的理解通常達成以下共識[2]：（1）模型是擬研究的物體或過程的一個簡化版本。（2）模型能被描述或解釋。解釋模型是基于類推基礎上的，即把建模的物體或過程與更多熟悉的物體或過程相關聯。（3）一個模型要有預測能力。（4）一個模型的預測能力是有限的。

2.模擬

模擬（simulation）是指模仿真實事件發生的過程與情境的經歷。計算機模擬提供了某種系統或過程的模型，學習者通過與該模型的交互，來建立有關該現實情境或理論系統的心智模型，并在交互中對這種心智模型作出有效的檢驗，從而實現對知識的理解和掌握[3]。

Louise Sauve等人認為模擬具有以下特征[4]：模擬是一個動態的模型。模型是靜態的，因為他的元素不能被設計或修改。模擬允許參與者為了研究該模型而根據自己想要的方式去控制他，因而是動態的模型；模擬是一個簡化的模型，這種簡化必須復制系統的本質特征；模擬是一個逼真的、精確的、有效的模型，采用了用戶更易理解的方式來呈現知識；模擬具有教育特征和幫助人們對真實世界理解的潛能。

Milrad認為模擬提供的環境有以下主要功能[5]：能促進學習者心智模型的發展；允許對模型進行有效檢驗，以解釋或預測系統中的事件；便于發現變量之間的關系和解決問題的多種不同的方法。

3.建模

在教育中使用模擬有兩種途徑，一是使用模型（Model-using），另一個是構建模型（Model-building）[6]。使用模型是指使用別人構建的模擬來學習，教師可以使用常用的教學方法來進行基于模擬式教學。在這種情況下，模擬作為一個交互的策略或事件，學習者只能操作嵌在模擬界面的參數和變量，不能定義新的變量和改變模擬世界物體的內部參數。構建模型是計算機模擬的高級形式。在這種方式中，學習者既可以操縱、改變模型中的變量參數，還可以對模型本身加以干預，如定義新變量和建立變量之間的關系，他們可以按照自己的理解來建構合適的模型。構建模型有時候也稱為“建模”，是構建或修改模型的動態過程。

二、計算機模擬進入物理課堂教學的必要性

1.計算機模擬是一種重要的教學補充形式

由于物理學科具有實驗性、實踐性以及抽象性等特點，對我們的教育教學方式提出了更高的要求。在對復雜的運動現象和抽象概念的教學過程中，傳統的一支粉筆加一塊黑板的模式已經不能有效地幫助學生進行概念的理解。計算機模擬能將復雜的運動過程或者宏觀和微觀的運動過程更直觀地、形象地表現出來，并配合教師的講解，能促進學生對知識的理解和建構。因此，計算機模擬是物理教學的有益補充，是幫助學生理解物理知識不可或缺的手段。

2.激發學習興趣，促進概念構建

計算機模擬提供了一個交互式的學習環境，通過用戶體驗、與該學習環境的交互，能夠激發學生學習的興趣，促進概念的構建。學習者能在計算機模擬中改變參數，觀察現象，因而也能促進他們的自主學習。

3.培養科學思維

物理教學中非常注重對現象的觀察、提出假設、驗證假設等科學思維的培養。作為一種先前知識與新知識之間的橋梁，學生在計算機模擬環境中可以提出假設、驗證假設，幫助學生在試誤中開發科學思維。此外，計算機模擬環境能激發學習者批判性思維、創造性思維和綜合性思維的培養。

三、計算機模擬在中學物理教學中應用途徑分析

1.教師課堂演示

物理課程中涉及大量的抽象概念和復雜的運動過程，教師很難用語言講授清楚，這些內容通常是學生學習中的難點。計算機模擬可以使得教學內容可視化，使得抽象的理論更形象化和直觀化，因而教師可以利用計算機模擬進行可視化教學，通過直觀形象的模擬動畫的演示來輔助知識點的講解。根據教育中模擬的使用途徑來分析，在課堂演示中使用計算機模擬的途徑主要是使用模型，只不過這類模擬可以是別人開發的，也可以是教師來開發，其主要功能是課堂演示。其主要教學過程是：講解——演示——講解。

最常見的計算機模擬運用于課堂演示的方式就是教師利用Flash軟件開發帶有計算機模擬的物理課件，如在講授平拋運動的時候，通過計算機模擬出平拋運動的運動軌跡和函數圖形，動態地再現物體運動的過程。在光學實驗教學中，由于儀器精密，在調試過程中，學生很難調試到實驗要求的理想狀態，使教學的難度增加。在教學中引入計算機模擬，對光學現象模擬并配合理論的講授，能夠很好地解決以上難題。

2.學生自主探究

（1）使用模型

計算機模擬由于能夠模仿真實事件發生的過程與情境，并且提供了學習者與模擬情境的互動，因此非常有利于學生進行自主學習。根據模擬在教育中的使用途徑來看，在自主學習中較為常見的使用途徑是使用模型，即使用別人構建的模擬來學習，學生的學習活動更多地側重于使用計算機模擬來學習科學知識。常見的教學過程有：設疑引思——自主探究——交流分享——評價總結。在自主探究環節中，學習者可以設置模擬界面的參數和變量的值，如改變一些物理參數，觀察這些參數的改變而導致的運動現象的變化，通過可測變量來探究變量之間的關系等。

如在單擺的學習中，教師通過創設情境，引入單擺這個教學內容。拋出問題：單擺是一種理想化的系統，單擺振動的周期跟哪些因素有關呢？學生可以通過計算機模擬，用“控制變量”的方法來研究物理問題。學生在（如圖1所示）模擬參數界面中輸入相應的參數，如小球的質量、單擺的長度、重力加速度、單擺初始角度等，然后點擊“單擺運動模擬”按鈕，就可以觀察到在給定的參數下，單擺的運動過程。運動結束以后，在參數界面上顯示出了單擺在該參數下的運動周期以及理想單擺的運動周期。學生通過不斷改變參數，來探究單擺的運動周期與這些參數之間的關系。此外，學生還可以點擊“時間序列圖”按鈕，觀察到單擺整個運動過程中的一些動力學特性（如圖2所示），如角度與角速度隨著時間的變化關系（a），單擺的空間運動軌跡（e），角度與角速度相圖（d）等。學生通過計算機模擬探究了影響單擺振動周期的因素之后，教師還可以設疑讓學生進一步基于計算機模擬探究，如在大擺角下，擺不能看成是做簡諧振動的原因，大擺角時擺的振動到底有什么特性，與小擺角時擺的振動有什么不同等。通過與計算機模擬的互動和自主探究，學生會更好地理解單擺的初始角度要小于5度的原因。探究完成之后，進行交流分享，最后教師進行評價總結。

（2）構建模型

構建模型是模擬運用的高級形式。在這類應用中，學習者可以自己設置參數、確定變量之間的關系，根據自己的理解構建模型。常見的教學過程有：創設情境、設疑引思——模型建構、自主探究——模型評價、小組交流——案例點評、全班分享——模型修改、反思升華——再次應用、鞏固強化。

如在“物體的浮與沉”的教學中，教師通過拋出真實問題情境，引發學生學習的興趣和積極的思考。復雜問題的解決通常需要學生對新概念和已有知識進行綜合運用，因此教師可以通過提供腳手架來幫助學生更好地進行問題解決。在模型構建環節，學生通過定義變量、確定變量之間的關系、構建模擬界面、調節變量、觀察結果等一系列步驟，對自己的設想進行分析論證。如學生通過計算機建模軟件EJS，定義變量以及變量之間的關系，構建模型界面（見圖3），通過圖4的模擬界面，觀察不同的參數條件下物體的沉浮狀態。模型建構完成之后，組織學生進行小組內的模型評價。教師通過篩選出典型模型案例，進行全班點評。學生根據評價交流的結果進行模型修改，并且通過另一個相關問題的求解進行模型的再次應用，對科學概念進行鞏固強化。此外，教師通過評價學生構建的模型，能更好地了解學生在科學概念理解上的細節，以便進行教學補救。

從上面分析可知，此應用途徑側重于“做科學”，通過構建模型減少了“學習科學”和“做科學”之間的差別。此外，模型建構——模型評價——模型修改——模型應用四個環節從個人知識構建和社會化交互兩個層面促進了學生對概念的理解。

由上面的分析可以看出，計算機模擬在物理教學中應用途徑多樣化，采用哪種途徑取決于教學內容和教學目標以及學生已有的知識。此外，物理教師如何看待和理解計算機模擬、如何將計算機模擬有效地整合于課程教學也是影響計算機模擬在中學物理課程應用效果的關鍵。

x參考文獻

[1]Hestenes D.Toward a modeling theory of physics instruction[J].Am.J.Phys.，1987.

[2]Etkina E，Warren A，GentileM.The Role of Modelsin Physics Instruction[J].The Physics Teacher，2006.

[3] 張建偉.基于模擬式教學及其效果研究回顧[J].電化教育研究，2001（7）.

[4] Sauvé L，Renaud L，Kaufman D，Marquis J.S.Distinguishing between games and simulations：A systematic review.Educational Technology & Society，2007（3）.

[5] Milrad，M..Using Construction Kits，Modeling Tools and System Dynamics Simulations to Support Collaborative Discovery Learning[J].Educational Technology and Society，2002（4）.

[6] Rieber，L.P.（2006）.Supporting Discovery-Based Learning with in Simulations[EB/OL].Availableonline：http：//www.iwm-kmrc.de/

workshops/visualization/rieber.pdf[retrievedon12/20/2006]

[作者：李凌云（1979-），女，江蘇如皋人，南京曉莊學院教師教育學院副教授，碩士。]

【責任編輯 孫曉雯】