計(jì)算機(jī)仿真物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探討

[摘要]簡要闡述計(jì)算機(jī)仿真物理實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的優(yōu)勢(shì),并對(duì)計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行探索。

[關(guān)鍵詞]物理實(shí)驗(yàn) 計(jì)算機(jī)仿真 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號(hào):G43文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1671-7597(2009)0910148-01

實(shí)驗(yàn)是教學(xué)過程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié),很多學(xué)校都把實(shí)驗(yàn)教學(xué)和實(shí)驗(yàn)室建設(shè)放在首要位置上,然而,由于受到經(jīng)費(fèi)、場(chǎng)地和設(shè)備等的限制,實(shí)驗(yàn)教學(xué)并不能達(dá)到預(yù)期的效果,實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量令人擔(dān)憂。一些耗資大的實(shí)驗(yàn)許多學(xué)校不能開設(shè),學(xué)生只能通過課堂上老師的講述對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器及實(shí)驗(yàn)操作進(jìn)行想象,缺乏實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)。另外隨著現(xiàn)在學(xué)生數(shù)量的增多,許多實(shí)驗(yàn)受到教室和課時(shí)的限制,在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)學(xué)生無法真正完成實(shí)驗(yàn),造成實(shí)驗(yàn)課走過場(chǎng)的現(xiàn)象。由于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的這些弊端,實(shí)驗(yàn)教學(xué)必須改革以適應(yīng)現(xiàn)代教育的發(fā)展。當(dāng)今快速發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)為這一要求提供了途徑。

一、計(jì)算機(jī)仿真物理實(shí)驗(yàn)概述

物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要是由學(xué)生對(duì)儀器的實(shí)際操作、觀察、測(cè)量等過程完成的。因此,對(duì)物理實(shí)驗(yàn)的仿真需要達(dá)到良好的仿真性、實(shí)時(shí)交互性、可設(shè)計(jì)性等。而各種計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)正是實(shí)現(xiàn)這一要求的有效手段。

計(jì)算機(jī)仿真物理實(shí)驗(yàn)是利用計(jì)算機(jī)創(chuàng)建一個(gè)可視化的實(shí)驗(yàn)操作環(huán)境,其中的每一個(gè)可視化仿真物體代表一種實(shí)驗(yàn)儀器或設(shè)備,通過操作這些虛擬的實(shí)驗(yàn)儀器或設(shè)備,即可進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn),達(dá)到與真實(shí)實(shí)驗(yàn)相一致的教學(xué)要求和目的,它是虛擬仿真技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和專業(yè)理論知識(shí)多方面結(jié)合的結(jié)晶。各種仿真實(shí)驗(yàn)一般具有以下兩個(gè)基本特點(diǎn):

1.仿真性。實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)儀器具有高度真實(shí)感,學(xué)生在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行操作如同置身于真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境,對(duì)真實(shí)的實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行操作。

2.交互性。仿真實(shí)驗(yàn)使實(shí)驗(yàn)變成學(xué)生與計(jì)算機(jī)的雙向交流,學(xué)生利用鼠標(biāo)或鍵盤可以自由對(duì)儀器進(jìn)行操作,自由選擇實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)進(jìn)程等,可極大限度地調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

二、計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)

(一)計(jì)算機(jī)仿真物理實(shí)驗(yàn)的運(yùn)用改變了傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式,推進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)向科學(xué)化、現(xiàn)代化方向發(fā)展。在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中,學(xué)生在很大程度上是處于被動(dòng)地位。對(duì)于一些復(fù)雜的實(shí)驗(yàn),通過老師的講述和學(xué)生有限時(shí)間的操作,學(xué)生很難將實(shí)驗(yàn)儀器及實(shí)驗(yàn)過程完全弄清楚,更談不上對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行發(fā)揮、創(chuàng)造和運(yùn)用,因此傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)受時(shí)間和空間的限制比較大。另外傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式缺少對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的激勵(lì),實(shí)驗(yàn)效果大打折扣。仿真實(shí)驗(yàn)將實(shí)驗(yàn)室搬上了計(jì)算機(jī),學(xué)生通過操作鼠標(biāo)和鍵盤能夠了解實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作,觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,收集數(shù)據(jù),分析數(shù)據(jù),得出結(jié)論等,其實(shí)驗(yàn)效果等同于甚至優(yōu)于在真實(shí)環(huán)境中所取得的效果。圖文并茂的仿真實(shí)驗(yàn)界面和較好的人機(jī)交互能力又能極大地調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,提高學(xué)習(xí)效率。當(dāng)學(xué)校的網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室建好后,學(xué)生可隨時(shí)通過校園網(wǎng)進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作,這樣就使得學(xué)生上實(shí)驗(yàn)課非常方便,不再受時(shí)間和空間的限制。

(二)計(jì)算機(jī)仿真物理實(shí)驗(yàn)?zāi)芄?jié)省實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi),保證了實(shí)驗(yàn)的項(xiàng)目和數(shù)量。有些實(shí)驗(yàn),特別是近代的一些實(shí)驗(yàn),耗資大,實(shí)驗(yàn)儀器昂貴,操作復(fù)雜,很多學(xué)校沒有能力開設(shè),而往往這些實(shí)驗(yàn)與當(dāng)前先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)密切關(guān)聯(lián),是需要學(xué)生去親眼觀察,親手實(shí)踐的。由于經(jīng)費(fèi)的原因不能開設(shè),的確非常遺憾。利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)可以彌補(bǔ)這方面的不足。如今人們不僅能利用仿真技術(shù)模擬出各種各樣實(shí)驗(yàn)儀器的三維圖形,還能讓仿真實(shí)驗(yàn)的操作者對(duì)儀器的關(guān)鍵部位進(jìn)行拆除,內(nèi)部部件進(jìn)行解剖,在實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)時(shí)觀察儀器的各種指標(biāo)和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。制作出來的虛擬儀器和仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蜻_(dá)到與真實(shí)實(shí)驗(yàn)類似的效果。有了計(jì)算機(jī)和好的實(shí)驗(yàn)仿真軟件,那些耗資大的實(shí)驗(yàn)同樣可以開設(shè),從而保證了實(shí)驗(yàn)的項(xiàng)目和數(shù)量。

(三)計(jì)算機(jī)仿真物理實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合能大大提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軓浹a(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足,具有許多優(yōu)點(diǎn),但不能將實(shí)驗(yàn)教學(xué)完全建立在仿真實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,因?yàn)榉抡鎸?shí)驗(yàn)畢竟也有自己的缺陷,比如完全用仿真實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)會(huì)淡化學(xué)生對(duì)真實(shí)儀器的感受,影響他們的實(shí)驗(yàn)技能。最理想的情況是仿真實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合,可以先用仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行預(yù)習(xí),熟悉實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)原理、內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)操作,等對(duì)實(shí)驗(yàn)有一定感性認(rèn)識(shí)后再進(jìn)行實(shí)際操作,課后學(xué)生也可用仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行復(fù)習(xí),這樣不僅可以加深學(xué)生對(duì)該實(shí)驗(yàn)的理解,提高實(shí)驗(yàn)質(zhì)量,也能提高實(shí)驗(yàn)效率。

三、計(jì)算機(jī)仿真物理實(shí)驗(yàn)可以拓寬實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和進(jìn)行實(shí)驗(yàn)考核

物理實(shí)驗(yàn)受實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)條件的制約,對(duì)于某項(xiàng)實(shí)驗(yàn)只能根據(jù)實(shí)驗(yàn)儀器選定實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)方法,其它實(shí)驗(yàn)內(nèi)容則難以開出,其它實(shí)驗(yàn)方法則無法實(shí)現(xiàn)。利用計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)軟件,無須購買新設(shè)備,即可開出一些原來無法開出的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,實(shí)現(xiàn)其它實(shí)驗(yàn)方法和手段,如:《重力加速度》實(shí)驗(yàn),利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)裝置,只能開出《單擺測(cè)重力加速度》,利用仿真實(shí)驗(yàn)可開出《自由落體法測(cè)重力加速度》和《開特?cái)[測(cè)重力加速度》,彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)條件的不足,拓寬了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)的考核方式上,傳統(tǒng)的抽簽選定實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,現(xiàn)場(chǎng)操作評(píng)分方式,實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目難易程度不均,偶然性、隨機(jī)性大,教師準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)儀器、配件工作量很大,而且煩瑣,所以難以堅(jiān)持下去。利用仿真實(shí)驗(yàn)軟件,既可用實(shí)驗(yàn)習(xí)題庫、試題庫進(jìn)行實(shí)驗(yàn)原理部分的考試,也可統(tǒng)一選定一兩個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的測(cè)量,評(píng)定學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的掌握程度,可減輕教師的煩瑣勞動(dòng),搞好實(shí)驗(yàn)課的考核工作。

四、計(jì)算機(jī)仿真物理實(shí)驗(yàn)可以實(shí)現(xiàn)可視化實(shí)時(shí)交互

物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)強(qiáng)調(diào)學(xué)生實(shí)際動(dòng)手操作,物理實(shí)驗(yàn)的計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)必須實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器操作的模擬,讓學(xué)生能實(shí)際動(dòng)手操作逼真的虛擬儀器。物理仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)即實(shí)現(xiàn)了良好的可視化實(shí)時(shí)交互功能,將虛擬場(chǎng)景與各虛擬儀器有機(jī)的結(jié)合起來。虛擬場(chǎng)景控制各虛擬儀器,它們緊密結(jié)合,協(xié)調(diào)工作,實(shí)時(shí)響應(yīng)學(xué)生的操作。學(xué)生看到的虛擬場(chǎng)景與儀器均有逼真的外觀;各儀器部件能被任意操作,且結(jié)果在虛擬儀器上被實(shí)時(shí)反映出來,整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程具有強(qiáng)烈的真實(shí)感。

總之,通過計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué),把計(jì)算機(jī)技術(shù)引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,改革了傳統(tǒng)的教學(xué)手段,擴(kuò)大學(xué)生的知識(shí)面,開闊視野,受到學(xué)生的普遍歡迎。通過仿真實(shí)驗(yàn)軟件的二次開發(fā),為進(jìn)行開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)造較好的條件。隨著仿真實(shí)驗(yàn)軟件的不斷豐富完善,應(yīng)用推廣,有力促進(jìn)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展和改革。

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作者簡介:

王勁松,濰坊學(xué)院物理與電子科學(xué)系,講師。