計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)在物理實(shí)驗(yàn)課堂上的應(yīng)用

秦立山

（鹽城幼兒師范高等專科學(xué)校，江蘇 鹽城 224005）

1 應(yīng)用計(jì)算機(jī)模擬物理實(shí)驗(yàn)的必要性和實(shí)效性

一直以來，實(shí)驗(yàn)教學(xué)都是高校教學(xué)的薄弱環(huán)節(jié)。國家教委曾指出，我國的科學(xué)技術(shù)，尤其是實(shí)驗(yàn)技術(shù)，距離國際先進(jìn)水平還有很大一段距離，各高校應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。物理實(shí)驗(yàn)有利于培養(yǎng)大學(xué)生的動(dòng)手能力、空間想象力，是大學(xué)物理教學(xué)必不可少的環(huán)節(jié)。如果可以對(duì)學(xué)生進(jìn)行系統(tǒng)、有效的實(shí)驗(yàn)培訓(xùn)，那么一定可以從整體上提升我國的實(shí)驗(yàn)水平，縮小與國際先進(jìn)實(shí)驗(yàn)水平的差距。

我國物理實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)狀不容樂觀，主要有以下幾方面原因：第一，教師的講授方式缺乏新意，無法激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生的主觀能動(dòng)性得不到有效發(fā)揮。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，為避免不必要的麻煩，教師往往不會(huì)要求學(xué)生主動(dòng)參與實(shí)驗(yàn)思路的設(shè)計(jì)、方案的擬定和器材的選擇，而是讓學(xué)生被動(dòng)地重復(fù)著自己的實(shí)驗(yàn)操作，直到熟練為止。無疑，這是在扼殺學(xué)生的空間想象力，學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力得不到有效培養(yǎng)。第二，大多數(shù)學(xué)生在進(jìn)入高校之前，并沒有接受過系統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)，并不熟悉一些新型儀器，在實(shí)驗(yàn)的過程中，很容易損壞實(shí)驗(yàn)設(shè)備或者錯(cuò)誤地使用設(shè)備等。第三，受高校擴(kuò)招的影響，學(xué)生人數(shù)增多，加之實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)數(shù)有限，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地較小，進(jìn)而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)效果較差。

但是，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)迎來了新的發(fā)展契機(jī)，原本需要借助硬件才能完成的實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)在可以依靠計(jì)算機(jī)“虛擬儀器設(shè)備”來完成。雖然是模擬實(shí)驗(yàn)，但是整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程極其逼真，依然可以進(jìn)行相應(yīng)的物理參數(shù)測(cè)定和操作練習(xí)，學(xué)生也能真正地參與其中。與常規(guī)實(shí)驗(yàn)相比，計(jì)算機(jī)模擬物理實(shí)驗(yàn)具備以下幾大優(yōu)勢(shì)：第一，突破空間限制。在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生無法觀察分子、原子等微觀物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)，難以想象相應(yīng)的物理過程。但是，通過計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以清晰地觀察到微觀物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)的全過程，建立感性認(rèn)識(shí)，從而更好地學(xué)習(xí)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)知識(shí)與技能。第二，突破時(shí)間限制。有一些物理實(shí)驗(yàn)相對(duì)復(fù)雜，需要花費(fèi)很長(zhǎng)的時(shí)間，實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)長(zhǎng)相對(duì)有限，顯然無法滿足常規(guī)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，而計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)很好地彌補(bǔ)了這一點(diǎn)，既可以合理地控制展示時(shí)間，又可以利用按鍵控制程序?qū)?dòng)態(tài)過程定格于某一節(jié)點(diǎn)，以方便學(xué)生觀看、教師講解。第三，彌補(bǔ)了物理實(shí)驗(yàn)設(shè)備的不足。由于物理實(shí)驗(yàn)課堂缺乏必備的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，物理教師一般會(huì)選擇手工繪制方框圖、電路圖、氣路圖和儀器工作原理圖，然后再對(duì)其進(jìn)行講解，這會(huì)消耗大量的課堂時(shí)間。事實(shí)上，只要導(dǎo)入計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)，便可以建立逼真的模擬物理實(shí)驗(yàn)過程，讓復(fù)雜問題簡(jiǎn)單化，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。與此同時(shí)，模擬實(shí)驗(yàn)不會(huì)損耗器材，實(shí)驗(yàn)成本相對(duì)較低，且很大程度地彌補(bǔ)了一些儀器設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)和原理不直觀的缺憾。第四，直觀性強(qiáng)。在傳統(tǒng)教學(xué)中導(dǎo)入現(xiàn)代化教育手段，直觀性和代入感強(qiáng)，教師與學(xué)生可以很好地進(jìn)行互動(dòng)，利于營(yíng)造生動(dòng)活潑、輕松愉快的教學(xué)氛圍。模擬物理實(shí)驗(yàn)是實(shí)驗(yàn)手段、視角和內(nèi)容的創(chuàng)新，符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律和心理特點(diǎn)，有利于突破教材的重難點(diǎn)，激發(fā)學(xué)生思維，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和動(dòng)手能力。

2 計(jì)算機(jī)模擬在物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用范圍

計(jì)算機(jī)模擬在物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用范圍越來越廣，主要涉及以下幾方面：第一，精準(zhǔn)地測(cè)量時(shí)間。如在進(jìn)行油滴實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生在單片機(jī)上安裝定時(shí)器接口，便可以精準(zhǔn)地測(cè)量并記錄油滴的時(shí)間。第二，精準(zhǔn)地計(jì)數(shù)。在完成電路配接之后，學(xué)生可以遵循一定程序，利用計(jì)算機(jī)處理脈沖，并由計(jì)算機(jī)進(jìn)行智能計(jì)算。第三，測(cè)量電量。電量與非電量的轉(zhuǎn)化特別頻繁，學(xué)生可以利用計(jì)算機(jī)技術(shù)處理數(shù)字信號(hào)。第四，記錄瞬態(tài)過程。常規(guī)實(shí)驗(yàn)難以研究一些非周期過程，學(xué)生可以通過記錄、采樣高速瞬態(tài)等方式研究非周期過程，并通過計(jì)算機(jī)方式詳細(xì)地分析、研究，并且記錄結(jié)果。第五，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。計(jì)算機(jī)技術(shù)具備較強(qiáng)的邏輯運(yùn)算能力、數(shù)字處理能力，可以準(zhǔn)確地分析結(jié)果的最大值、最小值，準(zhǔn)確地記錄周期信號(hào)頻率，從而得出微積分。第六，合理地控制實(shí)驗(yàn)過程。計(jì)算機(jī)技術(shù)可以按照預(yù)設(shè)的程序控制數(shù)字量輸出信號(hào)，然后通過接口電路、數(shù)模轉(zhuǎn)換器等，有效地控制實(shí)驗(yàn)過程，從而最大限度地減小手動(dòng)測(cè)量誤差和人為誤差。第七，計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)可以讓學(xué)生、教師等實(shí)驗(yàn)操作人員盡可能地遠(yuǎn)離強(qiáng)電磁場(chǎng)、放射源等對(duì)人體有害的區(qū)域。

3 計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)在物理實(shí)驗(yàn)課堂上的應(yīng)用

3.1 利用計(jì)算機(jī)仿真模擬物理實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生觀察、思維和記憶能力

第一，開放遠(yuǎn)程教學(xué)，改善預(yù)習(xí)質(zhì)量。在整個(gè)物理實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)過程中，預(yù)習(xí)是必不可少的環(huán)節(jié)。通常，學(xué)生會(huì)通過閱覽教材的方式來提前熟悉實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)儀器和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，但是，這種方式的預(yù)習(xí)效果和效率相對(duì)偏低，學(xué)生很難通過生澀難懂的專業(yè)術(shù)語了解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，也無法對(duì)實(shí)驗(yàn)流程進(jìn)行合理預(yù)設(shè)。如果可以采用CAI課件，開展計(jì)算機(jī)模擬物理實(shí)驗(yàn)的遠(yuǎn)程教學(xué)，讓學(xué)生通過教師錄制的網(wǎng)絡(luò)視頻進(jìn)行有針對(duì)性的預(yù)習(xí)，那么學(xué)生便可以在正式實(shí)驗(yàn)之前對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有大概的了解，以便于更好地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。

第二，模擬實(shí)驗(yàn)原理，向?qū)W生傳遞物理實(shí)驗(yàn)本質(zhì)。一方面，大學(xué)物理的大多數(shù)實(shí)驗(yàn)原理都較為抽象，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)很難幫助學(xué)生對(duì)其進(jìn)行理解。如果教師可以在課堂中導(dǎo)入計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)，將實(shí)驗(yàn)原理全面地呈現(xiàn)在學(xué)生面前，可以很大程度地減少學(xué)生的困惑。如在進(jìn)行分光計(jì)測(cè)玻璃棱鏡的折射率這一實(shí)驗(yàn)時(shí)，最為棘手的地方就在于如何找到最小偏向的位置。盡管教師會(huì)反復(fù)地強(qiáng)調(diào)正確的尋找方法，但是很多學(xué)生依然會(huì)找錯(cuò)位置。因此，教師可以利用計(jì)算機(jī)模擬功能將光通過三棱鏡折射的整個(gè)過程呈現(xiàn)出來，并將狹縫的像隨著載物臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)呈現(xiàn)出來，以幫助學(xué)生正確地尋找最小偏向角的位置。這種具有直觀性、形象性的模擬實(shí)驗(yàn)有利于幫助學(xué)生預(yù)習(xí)新的知識(shí)、溫習(xí)舊的知識(shí)，建立感性認(rèn)識(shí)，對(duì)實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行細(xì)致的觀察和記錄。另一方面，現(xiàn)在市面上的實(shí)驗(yàn)儀器多為現(xiàn)成的商品儀，如霍爾效應(yīng)測(cè)試儀、霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀等，大多不符合教學(xué)要求下的敞開式儀器，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、實(shí)驗(yàn)線路一無所知。因此，教師可以利用計(jì)算機(jī)模擬功能對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行拆裝、解剖等，以幫助學(xué)生深入了解實(shí)驗(yàn)儀器的內(nèi)部構(gòu)造。

3.2 利用計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力、思維能力，但是，傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)始終無法實(shí)現(xiàn)這一教學(xué)目標(biāo)，究其原因，最為關(guān)鍵的地方在于學(xué)生沒有用嚴(yán)肅、認(rèn)真的態(tài)度對(duì)待實(shí)驗(yàn)。他們只是在不斷地模仿著教師的實(shí)驗(yàn)步驟，如果遇到不懂的地方，就直接跳過，很少有學(xué)生愿意主動(dòng)地發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、解決問題，甚至有一些學(xué)生為了達(dá)到實(shí)驗(yàn)結(jié)果拼湊數(shù)據(jù)，無疑，這樣的實(shí)驗(yàn)態(tài)度和實(shí)驗(yàn)方法是不可取的，學(xué)生很難實(shí)現(xiàn)真正的進(jìn)步。因此，教師應(yīng)對(duì)自身的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，積極地導(dǎo)入計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)，利用計(jì)算機(jī)的模擬功能和交互功能實(shí)施分組教學(xué)，讓學(xué)生分組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并對(duì)他們進(jìn)行分組考察，彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一些弊端。如在測(cè)電源電動(dòng)勢(shì)時(shí)，教師可以通過計(jì)算機(jī)的模擬功能提前為學(xué)生呈現(xiàn)短路電流造成的嚴(yán)重后果，以避免學(xué)生出錯(cuò)。當(dāng)然，教師還可以利用計(jì)算機(jī)的模擬功能向?qū)W生呈現(xiàn)器材的組裝、接線、測(cè)量?jī)x器的讀數(shù)等重要步驟，然后讓學(xué)生模擬操作，并通過計(jì)算機(jī)的交互功能檢查學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的實(shí)際理解程度。此外，計(jì)算機(jī)具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和繪圖功能，學(xué)生僅需要掌握必要的繪圖技巧，便可以快速地繪制圖線。

3.3 利用計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)演示物理實(shí)驗(yàn)激發(fā)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是以實(shí)驗(yàn)為核心的自然科學(xué)，實(shí)驗(yàn)是幫助學(xué)生收獲感性認(rèn)識(shí)和理性認(rèn)識(shí)的基本途徑之一。但是，并不是每一個(gè)實(shí)驗(yàn)演示都是成功的，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程具有很多不確定性。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象發(fā)生時(shí)間過于短暫、實(shí)驗(yàn)危險(xiǎn)性太大、實(shí)驗(yàn)儀器太昂貴，這些都會(huì)造成常規(guī)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)無法正常開展。因此，充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)的輔助教學(xué)作用顯得格外重要。教師可以利用計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)軟件的強(qiáng)大模擬功能、動(dòng)畫功能以及大屏幕顯示器、液晶投影儀等外部設(shè)備，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)一個(gè)輕松、有趣的學(xué)習(xí)情景，采用多樣化的方式向?qū)W生呈現(xiàn)難以表現(xiàn)、難以再現(xiàn)、危險(xiǎn)性大或可見度低的實(shí)驗(yàn)，以增加學(xué)生的學(xué)習(xí)趣味，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)的整體效果。譬如，教師可以采用微觀放大的手段來模擬物體的微小形變、波的傳播、原子彈爆炸現(xiàn)象等；用宏觀縮小的手段來模擬日食和月食的形成、人造衛(wèi)星的運(yùn)行、同步衛(wèi)星的定點(diǎn)等；還可以采用“慢鏡頭”來模擬平拋運(yùn)動(dòng)、碰撞過程中的形變和恢復(fù)等。這些模擬過程畫面清晰，且可以進(jìn)行多次回放、暫停和倍速播放，既可以幫助學(xué)生快速地建立某一實(shí)驗(yàn)的整體構(gòu)架，又可以突出本次實(shí)驗(yàn)的重難點(diǎn)，還可以激發(fā)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣。

4 結(jié)論與評(píng)價(jià)

大學(xué)物理模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)所不具備的諸多優(yōu)勢(shì)，但是，這并不意味著計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以取代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的地位，計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)僅是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要組成部分，發(fā)揮著輔助教學(xué)的作用。同時(shí)，隨著教學(xué)實(shí)踐的深入，計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)也暴露出了一些問題，需要廣大的大學(xué)物理教育工作者對(duì)此做出積極的改進(jìn)與創(chuàng)新。