[摘要]簡要闡述計算機仿真物理實驗在實驗教學(xué)中的優(yōu)勢,并對計算機仿真實驗在教學(xué)中的應(yīng)用進行探索。

[關(guān)鍵詞]物理實驗 計算機仿真 實驗教學(xué)

中圖分類號:G43文獻標識碼:A文章編號:1671-7597(2009)0910148-01

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

一、計算機仿真物理實驗概述

物理實驗教學(xué)主要是由學(xué)生對儀器的實際操作、觀察、測量等過程完成的。因此,對物理實驗的仿真需要達到良好的仿真性、實時交互性、可設(shè)計性等。而各種計算機虛擬技術(shù)正是實現(xiàn)這一要求的有效手段。

計算機仿真物理實驗是利用計算機創(chuàng)建一個可視化的實驗操作環(huán)境,其中的每一個可視化仿真物體代表一種實驗儀器或設(shè)備,通過操作這些虛擬的實驗儀器或設(shè)備,即可進行各種實驗,達到與真實實驗相一致的教學(xué)要求和目的,它是虛擬仿真技術(shù)、計算機技術(shù)和專業(yè)理論知識多方面結(jié)合的結(jié)晶。各種仿真實驗一般具有以下兩個基本特點:

1.仿真性。實驗環(huán)境和實驗儀器具有高度真實感,學(xué)生在計算機上進行操作如同置身于真實的實驗環(huán)境,對真實的實驗儀器進行操作。

2.交互性。仿真實驗使實驗變成學(xué)生與計算機的雙向交流,學(xué)生利用鼠標或鍵盤可以自由對儀器進行操作,自由選擇實驗內(nèi)容和實驗進程等,可極大限度地調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

二、計算機仿真實驗在物理實驗教學(xué)中的優(yōu)勢

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

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

(三)計算機仿真物理實驗與傳統(tǒng)實驗教學(xué)相結(jié)合能大大提高實驗教學(xué)質(zhì)量。仿真實驗?zāi)軓浹a傳統(tǒng)實驗教學(xué)的不足,具有許多優(yōu)點,但不能將實驗教學(xué)完全建立在仿真實驗的基礎(chǔ)上,因為仿真實驗畢竟也有自己的缺陷,比如完全用仿真實驗來進行實驗教學(xué)會淡化學(xué)生對真實儀器的感受,影響他們的實驗技能。最理想的情況是仿真實驗與傳統(tǒng)實驗相結(jié)合,可以先用仿真實驗進行預(yù)習(xí),熟悉實驗儀器、實驗原理、內(nèi)容和實驗操作,等對實驗有一定感性認識后再進行實際操作,課后學(xué)生也可用仿真實驗系統(tǒng)對該實驗進行復(fù)習(xí),這樣不僅可以加深學(xué)生對該實驗的理解,提高實驗質(zhì)量,也能提高實驗效率。

三、計算機仿真物理實驗可以拓寬實驗內(nèi)容和進行實驗考核

物理實驗受實驗環(huán)境和實驗條件的制約,對于某項實驗只能根據(jù)實驗儀器選定實驗內(nèi)容和實驗方法,其它實驗內(nèi)容則難以開出,其它實驗方法則無法實現(xiàn)。利用計算機仿真實驗軟件,無須購買新設(shè)備,即可開出一些原來無法開出的實驗內(nèi)容,實現(xiàn)其它實驗方法和手段,如:《重力加速度》實驗,利用實驗室現(xiàn)有的實驗裝置,只能開出《單擺測重力加速度》,利用仿真實驗可開出《自由落體法測重力加速度》和《開特擺測重力加速度》,彌補了實驗條件的不足,拓寬了實驗內(nèi)容。

在實驗教學(xué)的考核方式上,傳統(tǒng)的抽簽選定實驗項目,現(xiàn)場操作評分方式,實驗項目難易程度不均,偶然性、隨機性大,教師準備實驗儀器、配件工作量很大,而且煩瑣,所以難以堅持下去。利用仿真實驗軟件,既可用實驗習(xí)題庫、試題庫進行實驗原理部分的考試,也可統(tǒng)一選定一兩個仿真實驗項目進行實驗數(shù)據(jù)的測量,評定學(xué)生對實驗的掌握程度,可減輕教師的煩瑣勞動,搞好實驗課的考核工作。

四、計算機仿真物理實驗可以實現(xiàn)可視化實時交互

物理實驗教學(xué)強調(diào)學(xué)生實際動手操作,物理實驗的計算機輔助教學(xué)必須實現(xiàn)對儀器操作的模擬,讓學(xué)生能實際動手操作逼真的虛擬儀器。物理仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)即實現(xiàn)了良好的可視化實時交互功能,將虛擬場景與各虛擬儀器有機的結(jié)合起來。虛擬場景控制各虛擬儀器,它們緊密結(jié)合,協(xié)調(diào)工作,實時響應(yīng)學(xué)生的操作。學(xué)生看到的虛擬場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時反映出來,整個實驗過程具有強烈的真實感。

總之,通過計算機仿真實驗教學(xué),把計算機技術(shù)引入實驗教學(xué)中,改革了傳統(tǒng)的教學(xué)手段,擴大學(xué)生的知識面,開闊視野,受到學(xué)生的普遍歡迎。通過仿真實驗軟件的二次開發(fā),為進行開放式實驗教學(xué)創(chuàng)造較好的條件。隨著仿真實驗軟件的不斷豐富完善,應(yīng)用推廣,有力促進物理實驗教學(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。