模擬軟件,讓學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)操作身臨其境

物理學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，物理學(xué)概念的建立與規(guī)律的形成大多是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的，包括人們提出的各種假說和設(shè)想都要通過實(shí)驗(yàn)來加以驗(yàn)證。學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)操作成功與否，能顯示學(xué)生動手能力的強(qiáng)弱和對物理規(guī)律的掌握程度?，F(xiàn)在流行的用計(jì)算機(jī)來模擬物理實(shí)驗(yàn)環(huán)境和仿真物理實(shí)驗(yàn)的軟件很多，但多是用于說明或演示實(shí)驗(yàn)原理抑或偏重實(shí)驗(yàn)結(jié)果的，然而，物理實(shí)驗(yàn)在重視結(jié)論的同時應(yīng)更加重視實(shí)驗(yàn)的操作過程。筆者認(rèn)為，具體針對學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)進(jìn)行操作模擬的軟件的開發(fā)，對物理課堂教學(xué)更具有必要性。其優(yōu)越性和實(shí)例分析如下。

開發(fā)實(shí)驗(yàn)操作模擬軟件的必要性

新課程改革要求在物理教學(xué)上更加突出實(shí)驗(yàn)教學(xué)，然而由于種種原因，目前中學(xué)開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果并不是很理想，特別是實(shí)驗(yàn)操作的教學(xué)環(huán)節(jié)往往被忽視。當(dāng)今學(xué)生普遍熱衷于虛擬電子游戲，是因?yàn)檫@些游戲能夠讓學(xué)生“身臨其境”，體會到失敗的挫折與成功的喜悅，游戲還具有真實(shí)的可操作性，與現(xiàn)實(shí)生活比較貼近。

有鑒于此，如果我們在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，也能創(chuàng)造一個類似虛擬電子游戲的真實(shí)實(shí)驗(yàn)?zāi)M環(huán)境，利用計(jì)算機(jī)來模擬真實(shí)物理實(shí)驗(yàn)環(huán)境，模擬課堂教學(xué)中所要呈現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，通過模擬實(shí)驗(yàn)把實(shí)驗(yàn)設(shè)備、教學(xué)內(nèi)容、教師指導(dǎo)和學(xué)生的操作有機(jī)地融合為一體，軟件中的所有素材直接從實(shí)驗(yàn)室的儀器設(shè)備中拍攝，所有動作和操作腳本都取材于實(shí)驗(yàn)手冊，這樣就能讓學(xué)生“身臨其境”地參與到模擬實(shí)驗(yàn)中，體會到實(shí)驗(yàn)的操作過程，得到與真實(shí)實(shí)驗(yàn)幾乎相同的體驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上再參與實(shí)驗(yàn)室真實(shí)實(shí)驗(yàn)的操作，勢必會增加操作過程中的成功率，學(xué)生對實(shí)驗(yàn)教學(xué)的興趣會大大增強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)效果也會得以提高?；谶@種思路開發(fā)出來的面向?qū)W生物理實(shí)驗(yàn)操作模擬的軟件，肯定會受到學(xué)生的喜愛，這種實(shí)驗(yàn)類軟件雖然不能夠代替真實(shí)的實(shí)驗(yàn)，但因其模擬的是真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，可彌補(bǔ)真實(shí)實(shí)驗(yàn)效果的不足，是真實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的得力助手，故對真實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)有很強(qiáng)的促進(jìn)作用。

適合學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作模擬的軟件的優(yōu)越性

1. 提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。因本類軟件的開發(fā)思路是面向操作，素材拍攝取材于實(shí)驗(yàn)室，所有軟件中使用的元器件都直接取材于實(shí)驗(yàn)室，操作過程與實(shí)驗(yàn)室的真實(shí)操作近乎一致，通過軟件設(shè)置的實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)要求，能一步步到達(dá)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，有點(diǎn)“游戲”的感覺，容易激發(fā)學(xué)生的動手欲望，提高學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的興趣。

2. 增加實(shí)驗(yàn)的安全性，同時減少設(shè)備的損壞。實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生因?yàn)椴皇煜?shí)驗(yàn)儀器的使用和操作步驟，操作的安全性時常讓老師大傷腦筋，也造成了大量設(shè)備的損壞。例如在“多用電表的使用”的實(shí)驗(yàn)中，不少學(xué)生對多用電表的使用原理不甚了解，對測量要求不明確，拿到多用電表就到處去測，也不管當(dāng)時用的是什么檔位，實(shí)驗(yàn)課上險象環(huán)生。一堂學(xué)生實(shí)驗(yàn)課結(jié)束，很多學(xué)生還不知道如何進(jìn)行歐姆調(diào)零，多用電表則報(bào)廢了不少臺，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果大大降低。而利用模擬實(shí)驗(yàn)，先操作模擬多用電表，了解多用電表功能和讀數(shù)方法以及電表的操作要求，然后再做真實(shí)實(shí)驗(yàn)便能得心應(yīng)手了。

3. 模擬實(shí)驗(yàn)過程具有可控性。為了便于對實(shí)驗(yàn)的理解和回顧，有時我們希望在分析實(shí)驗(yàn)時可以任意暫停、放大觀察或放慢鏡觀察等，而真實(shí)實(shí)驗(yàn)是不可能實(shí)現(xiàn)這些要求的，然利用計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)，就能達(dá)到這樣的效果。例如做彈性碰撞實(shí)驗(yàn)時，可利用慢鏡動畫，展現(xiàn)碰撞的全過程，使學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的感觀效果更強(qiáng)烈。

4. 可以突破實(shí)驗(yàn)室限制進(jìn)行操作模擬實(shí)驗(yàn)。一些在物理學(xué)發(fā)展史上有著重大意義的物理實(shí)驗(yàn)，因?qū)嶒?yàn)室條件限制而無法重現(xiàn)。例如“卡文迪許的扭秤實(shí)驗(yàn)”、“發(fā)射火箭和天體運(yùn)動”實(shí)驗(yàn)等，教學(xué)中只能靠講解與圖片來描述，對學(xué)生的說服力不強(qiáng)。如果利用計(jì)算機(jī)來模擬實(shí)驗(yàn)的過程，則不僅可以生動形象地重現(xiàn)當(dāng)時的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，還能夠讓學(xué)生感受到科學(xué)家的探索、創(chuàng)新精神，體會科學(xué)的本質(zhì)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和求知欲。

5. 實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的預(yù)習(xí)功能及對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行重復(fù)操作和復(fù)習(xí)。學(xué)生每一次在實(shí)驗(yàn)室操作完后，很難再現(xiàn)同樣的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場，當(dāng)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生疑問或想要復(fù)習(xí)實(shí)驗(yàn)時，重新再做的可能性很小。而通過模擬實(shí)驗(yàn)和人機(jī)對話，學(xué)生可以多次操作，既能克服因?qū)嶒?yàn)失敗造成的恐懼，又有助于學(xué)生回憶起真實(shí)實(shí)驗(yàn)的操作過程，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果更加鞏固。

6. 突破時空限制，把實(shí)驗(yàn)室?guī)Щ丶?。?jì)算機(jī)模擬物理實(shí)驗(yàn)使用靈活，受時間空間的影響很小。我們可以把模擬實(shí)驗(yàn)存放到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器上，形成開放式的資源庫，學(xué)生登陸資源庫就能方便地下載、操作、提交問題和在論壇上進(jìn)行交流討論。

實(shí)驗(yàn)操作模擬軟件的開發(fā)思路和案例

以面向?qū)嶒?yàn)操作模擬的軟件開發(fā)思路是以高中物理實(shí)驗(yàn)手冊（以下簡稱手冊）為藍(lán)本，開發(fā)環(huán)節(jié)分為：實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)過程、數(shù)據(jù)和誤差分析、討論交流。下面以《驗(yàn)證牛頓第二定律》實(shí)驗(yàn)開發(fā)（以下簡稱為本實(shí)驗(yàn)）為例，簡要說明開發(fā)的基本過程。

1． 實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡拇_定：依據(jù)本實(shí)驗(yàn)的手冊確定為驗(yàn)證牛頓第二定律。

2． 實(shí)驗(yàn)儀器的認(rèn)識和元件的采集：從實(shí)驗(yàn)室拍攝與本實(shí)驗(yàn)相關(guān)的儀器設(shè)備的現(xiàn)場照片，在實(shí)驗(yàn)中如果該儀器是需要操作或者是要讀數(shù)的，則必須把儀器拆散，拍攝每一個能活動的組件以備后期制作軟件所需（如上頁圖1示例）。在軟件制作時，用鼠標(biāo)移動熱點(diǎn)的形式標(biāo)明每件儀器設(shè)備的名稱、功能用途、使用條件等，方便學(xué)生了解。

3． 實(shí)驗(yàn)原理的掌握：依據(jù)本實(shí)驗(yàn)的手冊，在軟件開發(fā)時用文本解析本實(shí)驗(yàn)的原理，并繪制實(shí)驗(yàn)原理示意圖。

4． 實(shí)驗(yàn)步驟的了解：參照本實(shí)驗(yàn)手冊的實(shí)驗(yàn)步驟，先以文本的形式展現(xiàn)給學(xué)生，讓學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的進(jìn)程作完整的了解。

5． 實(shí)驗(yàn)操作的模擬：軟件的開發(fā)以本實(shí)驗(yàn)手冊的實(shí)驗(yàn)步驟為腳本，軟件在操作進(jìn)程上的設(shè)計(jì)則按照實(shí)驗(yàn)的步驟順序進(jìn)行，要求能順利組裝好所有設(shè)備。實(shí)驗(yàn)中最關(guān)鍵的步驟要在軟件中作提示，并作為實(shí)驗(yàn)通過的必要條件，否則實(shí)驗(yàn)不能進(jìn)入下一步。（例如本實(shí)驗(yàn)在平衡摩擦力步驟，就會要求學(xué)生能反復(fù)試驗(yàn)墊好木塊，以使小車勻速運(yùn)動才能進(jìn)行下一步。）這樣可以在模擬實(shí)驗(yàn)階段強(qiáng)化并消除學(xué)生在真實(shí)實(shí)驗(yàn)操作時常常忽略的操作和常犯的一些步驟性錯誤。在模擬實(shí)驗(yàn)過程中需要測量的數(shù)據(jù)提供，如模擬直尺、模擬放大鏡等的工具，對于設(shè)備需要讀取的數(shù)據(jù)，也要能直觀地進(jìn)行讀取，同時在軟件中要把得到的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行變量儲存，以備在數(shù)據(jù)分析階段使用。（例如本實(shí)驗(yàn)所用紙帶的打點(diǎn)結(jié)果圖象，要保留至數(shù)據(jù)分析時能夠調(diào)用，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞。紙帶上計(jì)數(shù)點(diǎn)間的間距，用模擬直尺來測量，測得的數(shù)據(jù)填入表格并儲存進(jìn)變量中，以備在數(shù)據(jù)分析過程中求加速度時調(diào)用等。）

6． 數(shù)據(jù)和誤差分析：按照本實(shí)驗(yàn)手冊的數(shù)據(jù)處理要求，調(diào)用在模擬實(shí)驗(yàn)中得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，求出對應(yīng)的加速度，用F=ma驗(yàn)證結(jié)果。同時分析數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果與理論結(jié)果的差距，找出誤差原因，并依據(jù)實(shí)驗(yàn)原理在誤差范圍內(nèi)對比得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

7． 討論交流：同學(xué)們可以把做實(shí)驗(yàn)的心情、實(shí)驗(yàn)過程的成敗等發(fā)布到論壇上，隨時回顧，互相交流。

做好物理實(shí)驗(yàn)是學(xué)習(xí)物理之本，我們開發(fā)組在面向?qū)W生物理實(shí)驗(yàn)操作模擬的軟件開發(fā)上的嘗試有了些成果，在軟件使用中給學(xué)生帶來的是更多實(shí)驗(yàn)成功的感受和對實(shí)驗(yàn)的自信，達(dá)到了開發(fā)這類模擬實(shí)驗(yàn)軟件的初衷。

（作者單位：廣東增城市新塘中學(xué)）

責(zé)任編輯 鄒韻文