計算機模擬實驗在物理實驗課堂上的應(yīng)用

秦立山

（鹽城幼兒師范高等?？茖W(xué)校，江蘇 鹽城 224005）

1 應(yīng)用計算機模擬物理實驗的必要性和實效性

一直以來，實驗教學(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)，尤其是實驗技術(shù)，距離國際先進水平還有很大一段距離，各高校應(yīng)重點加強實驗教學(xué)。物理實驗有利于培養(yǎng)大學(xué)生的動手能力、空間想象力，是大學(xué)物理教學(xué)必不可少的環(huán)節(jié)。如果可以對學(xué)生進行系統(tǒng)、有效的實驗培訓(xùn)，那么一定可以從整體上提升我國的實驗水平，縮小與國際先進實驗水平的差距。

我國物理實驗的現(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)習興趣，學(xué)生的主觀能動性得不到有效發(fā)揮。在整個實驗過程中，為避免不必要的麻煩，教師往往不會要求學(xué)生主動參與實驗思路的設(shè)計、方案的擬定和器材的選擇，而是讓學(xué)生被動地重復(fù)著自己的實驗操作，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)生在進入高校之前，并沒有接受過系統(tǒng)的物理實驗學(xué)習，并不熟悉一些新型儀器，在實驗的過程中，很容易損壞實驗設(shè)備或者錯誤地使用設(shè)備等。第三，受高校擴招的影響，學(xué)生人數(shù)增多，加之實驗學(xué)時數(shù)有限，實驗場地較小，進而導(dǎo)致實驗效果較差。

但是，隨著計算機技術(shù)的進步與發(fā)展，物理實驗教學(xué)迎來了新的發(fā)展契機，原本需要借助硬件才能完成的實驗，現(xiàn)在可以依靠計算機“虛擬儀器設(shè)備”來完成。雖然是模擬實驗，但是整個實驗過程極其逼真，依然可以進行相應(yīng)的物理參數(shù)測定和操作練習，學(xué)生也能真正地參與其中。與常規(guī)實驗相比，計算機模擬物理實驗具備以下幾大優(yōu)勢：第一，突破空間限制。在傳統(tǒng)的實驗教學(xué)中，學(xué)生無法觀察分子、原子等微觀物質(zhì)的運動，難以想象相應(yīng)的物理過程。但是，通過計算機模擬實驗，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，建立感性認識，從而更好地學(xué)習相應(yīng)的實驗知識與技能。第二，突破時間限制。有一些物理實驗相對復(fù)雜，需要花費很長的時間，實驗教學(xué)時長相對有限，顯然無法滿足常規(guī)實驗的進行，而計算機模擬實驗很好地彌補了這一點，既可以合理地控制展示時間，又可以利用按鍵控制程序?qū)討B(tài)過程定格于某一節(jié)點，以方便學(xué)生觀看、教師講解。第三，彌補了物理實驗設(shè)備的不足。由于物理實驗課堂缺乏必備的實驗設(shè)備，物理教師一般會選擇手工繪制方框圖、電路圖、氣路圖和儀器工作原理圖，然后再對其進行講解，這會消耗大量的課堂時間。事實上，只要導(dǎo)入計算機模擬實驗，便可以建立逼真的模擬物理實驗過程，讓復(fù)雜問題簡單化，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習熱情。與此同時，模擬實驗不會損耗器材，實驗成本相對較低，且很大程度地彌補了一些儀器設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)和原理不直觀的缺憾。第四，直觀性強。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，教師與學(xué)生可以很好地進行互動，利于營造生動活潑、輕松愉快的教學(xué)氛圍。模擬物理實驗是實驗手段、視角和內(nèi)容的創(chuàng)新，符合學(xué)生的認知規(guī)律和心理特點，有利于突破教材的重難點，激發(fā)學(xué)生思維，培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和動手能力。

2 計算機模擬在物理實驗中的應(yīng)用范圍

計算機模擬在物理實驗中的應(yīng)用范圍越來越廣，主要涉及以下幾方面：第一，精準地測量時間。如在進行油滴實驗時，學(xué)生在單片機上安裝定時器接口，便可以精準地測量并記錄油滴的時間。第二，精準地計數(shù)。在完成電路配接之后，學(xué)生可以遵循一定程序，利用計算機處理脈沖，并由計算機進行智能計算。第三，測量電量。電量與非電量的轉(zhuǎn)化特別頻繁，學(xué)生可以利用計算機技術(shù)處理數(shù)字信號。第四，記錄瞬態(tài)過程。常規(guī)實驗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，并通過計算機方式詳細地分析、研究，并且記錄結(jié)果。第五，分析實驗結(jié)果。計算機技術(shù)具備較強的邏輯運算能力、數(shù)字處理能力，可以準確地分析結(jié)果的最大值、最小值，準確地記錄周期信號頻率，從而得出微積分。第六，合理地控制實驗過程。計算機技術(shù)可以按照預(yù)設(shè)的程序控制數(shù)字量輸出信號，然后通過接口電路、數(shù)模轉(zhuǎn)換器等，有效地控制實驗過程，從而最大限度地減小手動測量誤差和人為誤差。第七，計算機模擬實驗可以讓學(xué)生、教師等實驗操作人員盡可能地遠離強電磁場、放射源等對人體有害的區(qū)域。

3 計算機模擬實驗在物理實驗課堂上的應(yīng)用

3.1 利用計算機仿真模擬物理實驗培養(yǎng)學(xué)生觀察、思維和記憶能力

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

第二，模擬實驗原理，向?qū)W生傳遞物理實驗本質(zhì)。一方面，大學(xué)物理的大多數(shù)實驗原理都較為抽象，傳統(tǒng)的實驗教學(xué)很難幫助學(xué)生對其進行理解。如果教師可以在課堂中導(dǎo)入計算機模擬實驗，將實驗原理全面地呈現(xiàn)在學(xué)生面前，可以很大程度地減少學(xué)生的困惑。如在進行分光計測玻璃棱鏡的折射率這一實驗時，最為棘手的地方就在于如何找到最小偏向的位置。盡管教師會反復(fù)地強調(diào)正確的尋找方法，但是很多學(xué)生依然會找錯位置。因此，教師可以利用計算機模擬功能將光通過三棱鏡折射的整個過程呈現(xiàn)出來，并將狹縫的像隨著載物臺的轉(zhuǎn)動而運動的狀態(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、形象性的模擬實驗有利于幫助學(xué)生預(yù)習新的知識、溫習舊的知識，建立感性認識，對實驗過程進行細致的觀察和記錄。另一方面，現(xiàn)在市面上的實驗儀器多為現(xiàn)成的商品儀，如霍爾效應(yīng)測試儀、霍爾效應(yīng)實驗儀等，大多不符合教學(xué)要求下的敞開式儀器，學(xué)生對實驗儀器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、實驗線路一無所知。因此，教師可以利用計算機模擬功能對實驗儀器進行拆裝、解剖等，以幫助學(xué)生深入了解實驗儀器的內(nèi)部構(gòu)造。

3.2 利用計算機輔助教學(xué)進行實驗提高實驗教學(xué)質(zhì)量

大學(xué)物理實驗教學(xué)的目標是培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力、思維能力，但是，傳統(tǒng)的物理實驗教學(xué)始終無法實現(xiàn)這一教學(xué)目標，究其原因，最為關(guān)鍵的地方在于學(xué)生沒有用嚴肅、認真的態(tài)度對待實驗。他們只是在不斷地模仿著教師的實驗步驟，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)生為了達到實驗結(jié)果拼湊數(shù)據(jù)，無疑，這樣的實驗態(tài)度和實驗方法是不可取的，學(xué)生很難實現(xiàn)真正的進步。因此，教師應(yīng)對自身的實驗教學(xué)方法做出適當?shù)恼{(diào)整，積極地導(dǎo)入計算機模擬實驗，利用計算機的模擬功能和交互功能實施分組教學(xué)，讓學(xué)生分組進行實驗，并對他們進行分組考察，彌補傳統(tǒng)實驗教學(xué)的一些弊端。如在測電源電動勢時，教師可以通過計算機的模擬功能提前為學(xué)生呈現(xiàn)短路電流造成的嚴重后果，以避免學(xué)生出錯。當然，教師還可以利用計算機的模擬功能向?qū)W生呈現(xiàn)器材的組裝、接線、測量儀器的讀數(shù)等重要步驟，然后讓學(xué)生模擬操作，并通過計算機的交互功能檢查學(xué)生對實驗原理的實際理解程度。此外，計算機具有強大的數(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 利用計算機輔助教學(xué)演示物理實驗激發(fā)學(xué)生的實驗興趣

大學(xué)物理實驗是以實驗為核心的自然科學(xué)，實驗是幫助學(xué)生收獲感性認識和理性認識的基本途徑之一。但是，并不是每一個實驗演示都是成功的，整個實驗過程具有很多不確定性。實驗現(xiàn)象發(fā)生時間過于短暫、實驗危險性太大、實驗儀器太昂貴，這些都會造成常規(guī)的實驗教學(xué)無法正常開展。因此，充分發(fā)揮計算機模擬實驗的輔助教學(xué)作用顯得格外重要。教師可以利用計算機輔助教學(xué)軟件的強大模擬功能、動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)一個輕松、有趣的學(xué)習情景，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)、危險性大或可見度低的實驗，以增加學(xué)生的學(xué)習趣味，提升實驗教學(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)星的運行、同步衛(wèi)星的定點等；還可以采用“慢鏡頭”來模擬平拋運動、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驗的整體構(gòu)架，又可以突出本次實驗的重難點，還可以激發(fā)學(xué)生的實驗興趣。

4 結(jié)論與評價

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