計算機模擬仿真技術(shù)在中學物理實驗中的應用

劉國軍

摘 要 該文針對中學物理實驗教學的現(xiàn)狀,通過模擬仿真技術(shù)在實驗教學中的應用,提出了思考。

關(guān)鍵詞 模擬仿真 中學物理實驗 應用

中圖分類號:G633.7文獻標識碼:A

1 中學物理實驗教學的現(xiàn)狀

物理是以實驗為基礎(chǔ)的一門學科,許多物理概念和規(guī)律都是建立在實驗的基礎(chǔ)上。傳統(tǒng)的物理實驗教學基本上是以教師為中心:演示實驗教師做、學生看;分組實驗則是學生在教師設計好的方案下進行,學生沒有獨立思考的余地和實施創(chuàng)造性活動的空間。另外,受器材、場地、實驗條件及時間的限制,并不是每一個學生都真正地參與到實驗中去了。這種以教師的主觀意識為主,學生完全處于被動地位的學習方式,顯然不符合學習過程中學生應是主體,教師是主導的這一教學理念。在這個教學理念下,演示實驗應重視學生參與,分組實驗則盡量采用探究的形式,充分發(fā)揮學生的主觀能動性,讓學生真正進入科學學習的狀態(tài),扮演主體的角色。這必然要求實驗不能只是教材規(guī)定的那幾個。而根據(jù)探究學習的需要,學生可以嘗試自己選擇課題、設計實驗、選擇器材、收集數(shù)據(jù)、歸納并總結(jié)規(guī)律。顯然,傳統(tǒng)的實驗室已不能滿足這樣的要求。計算機模擬仿真技術(shù)正好為我們提供了一個廣闊的平臺。

2 計算機模擬仿真技術(shù)在實驗教學中的應用

(1)將物理概念和規(guī)律的形成形象化,演示不能做的物理實驗。在中學物理實驗教學中,受條件的限制,有很多實驗無法在實驗室里完成。對于學生來說,很多常識性知識沒有切身體會便難以理解和接收,而使真實的情境進入課堂有時是相當困難甚至是不可能的,這種情形下,可通過計算機模擬仿真實驗過程,讓學生通過觀察模擬仿真的實驗現(xiàn)象,分析得出結(jié)論和規(guī)律。如 粒子散射實驗,可用仿真物理實驗展現(xiàn)出實驗過程,動態(tài)模擬極少數(shù) 粒子發(fā)生的大角度的偏轉(zhuǎn),這樣的效果肯定比教師在黑板上講解a粒子散射實驗好得多。學生很容易記下a粒子散射實驗裝置、過程、現(xiàn)象,深刻理解盧瑟福的原子核式結(jié)構(gòu)理論,進而探索原子結(jié)構(gòu)。

(2)有些物理情景難以被學生想象,而這對學生理解、掌握物理概念和規(guī)律又有重要作用,用計算機制作仿真的物理情景便可起到雪中送炭的作用。例如,將編制的金屬發(fā)生光電效應的模擬程序,在顯示中配以相應的文字及圖象,學生在分組“模擬實驗”的操作過程中,就能清楚地看到光電效應的各種現(xiàn)象,達到良好的教學效果。

(3)實驗所包含的物理本質(zhì)不夠清晰,需要用仿真模擬進行補充,彌補視覺上的不足,使物理過程的本質(zhì)得以揭示,做到錦上添花。如描繪簡諧振動圖象的實驗,可把彈簧振子振動的實物圖,相應的振動過程及圖象形成有機地聯(lián)系起來。計算機演示這種有聯(lián)系的動態(tài)過程,能在實驗中起到化解難點、突破重點的作用。又如楞次定律一向是難點,原因在于磁通量是看不見摸不著的,這讓學生想象磁通量的增加、減少以及感應電流的磁場反抗這種變化變得比較困難。利用計算機模擬仿真的優(yōu)勢,把實驗動畫有機結(jié)合起來,既教知識,又能培養(yǎng)能力。

(4)利用計算機模擬仿真技術(shù),可以使抽象的問題形象化。如布朗運動、分子電流假說等,利用動態(tài)模擬可以達到非常理想的教學效果。還可以使瞬間的物理現(xiàn)象永久化。如波的傳播過程、碰撞過程、擴散過程等等。相比傳統(tǒng)的實驗教學方式,計算機模擬仿真實驗還有很多優(yōu)勢。如可以無限次重復實驗而不必考慮耗材的問題?？梢噪S時暫停在某一環(huán)節(jié)仔細觀察。對于一些有危險的實驗,用計算機模擬仿真之后,安全問題也就不存在了。計算機還可以充當教師的角色,對于學生所犯的錯誤,系統(tǒng)可給予及時的提醒。

3 使用模擬仿真技術(shù)優(yōu)化物理實驗教學的思考

學生對物理概念的認識、理解和物理規(guī)律的形成、掌握常常是建立在對物理現(xiàn)象的真實感知的基礎(chǔ)之上的,這一過程只有借助真實的物理實驗過程才能實現(xiàn),因此有條件完成的實驗應先進行該實驗的演示,或讓學生自己動手做實驗,讓學生獲得一個感性認識的基礎(chǔ),然后,對實驗進行模擬仿真,使連續(xù)或瞬間的物理過程變得有序和可控制,再引導學生對實驗現(xiàn)象進行抽象和分析。對于一些抽象的理想實驗,難以觀察的實驗,有危險而不能做的實驗,則可以充分發(fā)揮計算機模擬仿真實驗的優(yōu)勢。需要特別指出的是,模擬得再好,仿真度再高的實驗都不可能替代實驗室內(nèi)的傳統(tǒng)實驗,它只能起到輔助教學的作用。因為,任何物理概念和規(guī)律都只能來自于生活實際和科學實驗。實驗教學中原創(chuàng)性實驗的基礎(chǔ)地位不可動搖,模擬仿真實驗只能是一種輔助工具。一句話總結(jié)就是,模擬仿真實驗不可不用,不可濫用。

總之,在實驗教學中引入計算機模擬仿真技術(shù),將不僅是教學手段的變革,還必將促進教學思想與教育理論的改革,將全面提高教育教學質(zhì)量。我們每一位物理教師應積極參與進來,努力提高自身素質(zhì),轉(zhuǎn)變教學觀念,改進教學方法,只有這樣,才能在時代的發(fā)展變化中,做一名合格的教師。

參考文獻

[1]何蓁,王沛清.試論信息技術(shù)與物理實驗教學的整合.中國教育技術(shù)裝備,2003(8).

[2] 許國梁.中學物理教學法.高等教育出版社,1993.

[3] 邵澤義,秦曉文.利用“仿真物理實驗室”探究電路短路問題.教學儀器與實驗,2003(4).

[4] 人教版教育學.心理學.信息技術(shù).