【摘要】模擬仿真實(shí)驗(yàn)作為計(jì)算機(jī)在教學(xué)中應(yīng)用的一種教學(xué)模式，多年來在教學(xué)中發(fā)揮了一定積極作用，但在模擬仿真實(shí)驗(yàn)構(gòu)建時，模型創(chuàng)建和教學(xué)性能設(shè)計(jì)存在一些普遍問題。為了使模擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛟诮虒W(xué)應(yīng)用中更有效地發(fā)揮作用，文章將研究模擬仿真實(shí)驗(yàn)及其教學(xué)設(shè)計(jì)問題。

【關(guān)鍵詞】計(jì)算機(jī)教學(xué)應(yīng)用;模擬仿真實(shí)驗(yàn);教學(xué)設(shè)計(jì)

【中圖分類號】G420【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【論文編號】1009—8097(2010)06—0132—03

一 引言

模擬仿真實(shí)驗(yàn)作為計(jì)算機(jī)用于教學(xué)的一種基本模式，在教學(xué)中有著廣泛的應(yīng)用前景。它既適合于在教師指導(dǎo)下課

堂教學(xué)，也適合于學(xué)習(xí)者進(jìn)行探究式自主學(xué)習(xí)和協(xié)作學(xué)習(xí)。本課題在認(rèn)真研究已有模擬仿真實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)構(gòu)建中的模型創(chuàng)建和教學(xué)設(shè)計(jì)存在一些普遍問題，表現(xiàn)在抽象模型，交互性、針對現(xiàn)象反饋和教學(xué)性能方面。我們所開發(fā)的模擬物理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，正確地運(yùn)用了建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論，實(shí)現(xiàn)了一個全新的面向?qū)W習(xí)者的學(xué)習(xí)環(huán)境。

二 模擬仿真實(shí)驗(yàn)

模擬是指在交互控制狀態(tài)下，對某種現(xiàn)象或過程進(jìn)行表現(xiàn)和展示。按照所要表現(xiàn)的現(xiàn)象，可以把模擬分為兩大類四種情況:物理現(xiàn)象和過程變化的模擬;程序性和情形性的模擬。在計(jì)算機(jī)輔助真實(shí)現(xiàn)象的模擬教學(xué)模式中，物理現(xiàn)象的模擬是將一個真實(shí)的現(xiàn)象或過程的某種規(guī)律在屏幕上表現(xiàn)出來，以供學(xué)習(xí)者去學(xué)習(xí)和研究，如表現(xiàn)光線通過透鏡的成像規(guī)律，光線通過棱鏡的傳播等問題。過程變化的模擬，通常是為學(xué)習(xí)者說明解釋一個不會明顯表現(xiàn)出來的過程及難以理解的概念所進(jìn)行的模擬。這兩種模擬一般是不可人為隨意干預(yù)或參與的。第二類情況中，大多數(shù)程序性模擬是為了教授一個構(gòu)成過程的行為或動作順序，它的主要特點(diǎn)是有一個或更多的步驟序列，以供學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)或訓(xùn)練。情形性模擬是在不同的情形下，涉及人的態(tài)度而非技能行為，不像程序性模擬要教一系列規(guī)則，而是展示允許學(xué)習(xí)者針對某種情形探索，用不同方法或扮演不同的角色時，所產(chǎn)生的影響并實(shí)時地表現(xiàn)出來。其中物理現(xiàn)象和過程變化的模擬，最常見的一種就是模擬仿真實(shí)驗(yàn)。

三 模擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，人們可以模擬出自然界發(fā)生的各種現(xiàn)象和過程，并實(shí)時地加以顯示。在所建立的模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)情境中，不但能夠?qū)崿F(xiàn)隨時觀察到與實(shí)際實(shí)驗(yàn)相同的現(xiàn)象或結(jié)果，還可以清楚地觀察到實(shí)驗(yàn)發(fā)生和現(xiàn)象演變的過程、擴(kuò)大或縮小觀察空間、減慢或加快時間上的控制等，還可在有效的范圍內(nèi)方便地改變某些條件、參數(shù)或儀器進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，隨時觸發(fā)對當(dāng)前狀態(tài)的說明解釋。將其用于教學(xué)中將極大地引起學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣，大大提高教學(xué)和學(xué)習(xí)過程的效率，使抽象的概念、規(guī)則和原理變得簡單易學(xué)。同時可以做到及時糾正實(shí)驗(yàn)中所犯的錯誤，絕對避免了在實(shí)際實(shí)驗(yàn)環(huán)境中可能帶來的可怕后果。

那么，在設(shè)計(jì)模擬仿真實(shí)驗(yàn)時，要充分考慮其教學(xué)設(shè)計(jì)，以建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論作為指導(dǎo)，結(jié)合物理現(xiàn)象的特點(diǎn)，建立以計(jì)算機(jī)模擬物理實(shí)驗(yàn)和對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析的學(xué)習(xí)情境。模擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)，能夠在交互控制下實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)象、過程、內(nèi)部機(jī)制和原理等內(nèi)容的展示，易于學(xué)習(xí)者對系統(tǒng)的運(yùn)動狀態(tài)、變化過程、受外部條件的影響、概率特性和響應(yīng)特性等進(jìn)行觀察思考和分析研究。

1 設(shè)計(jì)要求

為了方便教師或?qū)W習(xí)者自身在所創(chuàng)設(shè)的情境中，啟發(fā)、誘導(dǎo)或?qū)W習(xí)者之間通過協(xié)作學(xué)習(xí)的過程，進(jìn)行討論和探究來完成意義建構(gòu)，在探索的環(huán)境和氣氛中實(shí)現(xiàn)有目的學(xué)習(xí)[2]。設(shè)計(jì)要能夠完全反映真實(shí)現(xiàn)象的整個過程，包括儀器設(shè)備、裝置及所呈現(xiàn)的現(xiàn)象顯示逼真，模擬過程科學(xué)、結(jié)果真實(shí)、數(shù)據(jù)可靠等。能夠?qū)?shí)驗(yàn)現(xiàn)象的展示進(jìn)行多次重復(fù)，以利于對現(xiàn)象的規(guī)律、規(guī)則、理論進(jìn)行詳細(xì)深入的探索和研究。能夠?qū)崿F(xiàn)智能化的模擬仿真，讓學(xué)習(xí)者觀察到實(shí)際實(shí)驗(yàn)中難以或根本觀察不到的實(shí)驗(yàn)發(fā)生過程和微觀內(nèi)部機(jī)制，并通過形象的表現(xiàn)揭示其中內(nèi)涵、規(guī)律;實(shí)現(xiàn)對某些實(shí)驗(yàn)的人為控制，能夠瞬間觀察感興趣的現(xiàn)象或量值;可以把隱藏在現(xiàn)象背后的實(shí)質(zhì)問題突出地展示出來;通過改變實(shí)驗(yàn)條件、參數(shù)或儀器進(jìn)行對照類比等。這對于學(xué)習(xí)者理解抽象的概念、掌握或探索有關(guān)的規(guī)則、定理或定律會起到非常關(guān)鍵的作用。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)模擬實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)和教學(xué)性能設(shè)計(jì)目標(biāo)，可以將實(shí)驗(yàn)的結(jié)構(gòu)和流程設(shè)計(jì)成介紹部分、呈現(xiàn)現(xiàn)象、交互活動、系統(tǒng)修改、系統(tǒng)反饋和結(jié)束。為了便于說明和設(shè)計(jì)，這里主要從以下幾個方面討論實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中所涉及的問題。

(1)實(shí)驗(yàn)說明與幫助

說明包括本專題的教學(xué)意圖、演示項(xiàng)目和教學(xué)建議的總的扼要文字說明、使用與操作指導(dǎo)，其作用在于避免學(xué)習(xí)者盲目進(jìn)行操作或?qū)W(xué)習(xí)過程不知所措;幫助應(yīng)實(shí)現(xiàn)在線幫助，即在實(shí)驗(yàn)過程中可以隨時激活、瀏覽一個幫助窗口，提醒學(xué)習(xí)者對現(xiàn)象進(jìn)行特別提示和探究引導(dǎo)。例如，在單擺實(shí)驗(yàn)中使用指導(dǎo)提示和教學(xué)建議提示。

(2)基本模型確定

模擬實(shí)驗(yàn)基本模型，是從真實(shí)實(shí)驗(yàn)抽象出關(guān)鍵的要素，能夠用計(jì)算機(jī)編程實(shí)現(xiàn)模擬的首要一步。建立模型要有足夠的精度。在設(shè)計(jì)時重點(diǎn)應(yīng)抓住實(shí)驗(yàn)中最本質(zhì)的東西，而把非本質(zhì)的東西盡可能去掉，又不影響反映實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象本質(zhì)的真實(shí)程度。例如模擬物理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中在確定單擺實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜁r，只考慮擺長和重力加速度對單擺周期的影響，而忽略空氣阻力的作用;只考慮擺線長度，擺球質(zhì)量及實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)的變化，而忽略具體變化擺線長度的調(diào)節(jié)過程，擺球質(zhì)量的稱量過程和實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)的轉(zhuǎn)移過程。擺動過程中的數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)范圍足以表現(xiàn)其運(yùn)動規(guī)律，擺線長度的變化范圍在35cm-106cm之間(地面上擺的擺長約99.4cm)，利用滑塊變化技術(shù)即時調(diào)節(jié)擺長;擺球質(zhì)量有20g、30g、40g、50g幾種。地點(diǎn)有柏林、北京、新加坡、月球等可供選擇。每次變化擺長、質(zhì)量、地點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)，完全按照單擺周期公式反映了對周期的影響。真實(shí)單擺實(shí)驗(yàn)的擺球運(yùn)動軌跡是弧形的，其擺動過程是連續(xù)的，而模擬擺動實(shí)驗(yàn)卻是跳躍的、間斷的，但在計(jì)算機(jī)程序代碼運(yùn)行時利用了人的視覺反應(yīng)時間，完全可以較逼真地模擬出連續(xù)的效果[1]。

模型要盡量簡單。模型的構(gòu)造是為了計(jì)算機(jī)編程實(shí)現(xiàn)上的考慮，對所要模擬的現(xiàn)象應(yīng)從持續(xù)性、分立性和邏輯性方面進(jìn)行數(shù)學(xué)抽象。持續(xù)性是指在視覺反應(yīng)期間能對模擬現(xiàn)象的連續(xù)變化的描述;分立性是指通過一些分立的量來表現(xiàn)現(xiàn)象的某種規(guī)律或規(guī)則;邏輯性是指對模擬現(xiàn)象表現(xiàn)過程的邏輯方面的考慮。這里的持續(xù)性、分立性和邏輯性，在整個模式構(gòu)造中要既分開獨(dú)立找到特有影響因素或相關(guān)量，又要統(tǒng)籌考慮對現(xiàn)象整體效果的影響。在模型中既要考慮模擬現(xiàn)象自身的特性，又要考慮與學(xué)習(xí)者進(jìn)行實(shí)驗(yàn)控制操作有關(guān)的交互性，涉及到的因素有:模擬中的每個對象、每一個物理量;所遵從的規(guī)律規(guī)則;現(xiàn)象的精確性;實(shí)現(xiàn)的順序;幾種解決方案;時間幀;學(xué)習(xí)者的角色扮演等。在模型確立過程中，要嚴(yán)格地按照科學(xué)規(guī)律進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時要注意模擬現(xiàn)象對條件的要求，在何條件下成立，何條件下不成立要明確。如模擬物理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，物距與像距是相對透鏡光心而言的，只要物距和像距的調(diào)整范圍能夠表現(xiàn)出成像位置及大小的變化規(guī)律即可，無需由于變化透鏡位置給實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及測量帶來麻煩和不便?；谶@樣的考慮，要求透鏡固定放在60厘米處，對于焦距是10、15、20厘米來講，物的放置范圍在0#61566;60厘米之間，物可放在此區(qū)間的任何位置，屏在0#61566;110厘米的區(qū)間內(nèi)通過任意移動，來找到清晰成像的位置及觀察像的大小變化，從而表現(xiàn)出物距u、像距v和焦距f間的位置對應(yīng)關(guān)系及物像大小的變化規(guī)律等。設(shè)計(jì)時的數(shù)學(xué)抽象既簡單又有效，在現(xiàn)象的表現(xiàn)中既涉及到持續(xù)性、分立性，又涉及到邏輯性。

(3)模型建立步驟

在明確實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)基礎(chǔ)上，對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行認(rèn)真研究，確定主要變量;找出實(shí)驗(yàn)中的各種內(nèi)部聯(lián)系和關(guān)系;確定實(shí)驗(yàn)約束條件;根據(jù)有關(guān)學(xué)科規(guī)定使用符號或代號;簡化和檢查實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，看它是否可以表現(xiàn)出真實(shí)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

3 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象顯示

把模擬現(xiàn)象真實(shí)表現(xiàn)出來，既要考慮讓學(xué)習(xí)者看見的，又要考慮聽見的，同時注意所表現(xiàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)的可靠性。在這一階段，首先應(yīng)明確要表現(xiàn)的主題是為了觀察現(xiàn)象，還是為了說明某個概念。一般情況下，物理模擬主題，通常是觀察現(xiàn)象或通過現(xiàn)象總結(jié)出某種規(guī)律。情形性模擬主題，通常要說明某種概念;而程序性和過程模擬通常兩者都包括。其次考慮模擬中項(xiàng)目或儀器的選擇，操作對象，對事件作出的反應(yīng)，對現(xiàn)象某種規(guī)律的有效觀察等等。另外應(yīng)考慮模擬表現(xiàn)上的真實(shí)性，這就需要充分利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，做到生動、直觀、形象真實(shí)。如真實(shí)摩擦力實(shí)驗(yàn)中，摩擦力不是直接看到的，而在模擬實(shí)驗(yàn)中卻可顯示任一瞬間摩擦力的大小和方向;在彈簧振子的簡諧振動實(shí)驗(yàn)中，學(xué)習(xí)者可觀察到位移、回復(fù)力、速度、加速度矢量隨振動而周期性變化的情況，并可顯示任一位置的位移、回復(fù)力、速度、加速度的數(shù)值;在自由落體運(yùn)動實(shí)驗(yàn)中，類似于閃光照相技術(shù)，提供了每隔1/30秒在落體瞬時位置打點(diǎn)的方法，直觀展示出在相同時間間隔內(nèi)，落體的位移變化情況，同時將數(shù)據(jù)記錄在表格中，以利進(jìn)一步研究和計(jì)算;在楞次定律的真實(shí)實(shí)驗(yàn)中，磁感線是不能直接觀察到的，但在模擬物理實(shí)驗(yàn)中則根據(jù)需要讓學(xué)習(xí)者生動、形象地觀察到磁感線的疏密、方向的變化。為了達(dá)到實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，在動畫設(shè)計(jì)上應(yīng)采用定時處理，既做到模擬的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與實(shí)際的現(xiàn)象相一致，又做到模擬的過程與實(shí)際的過程相一致。同時注意動畫的演示不要因機(jī)器速度的不同而發(fā)生畸變。有些現(xiàn)象專門為其具有教學(xué)性能而展示。

4 交互性設(shè)計(jì)

模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中的交互控制，主要體現(xiàn)在學(xué)習(xí)者與模擬事件的交互性作用上，模擬的交互性越強(qiáng)，越真實(shí)有效，越具吸引力。模擬實(shí)驗(yàn)有別于一般演示實(shí)驗(yàn)，體現(xiàn)在它具有較強(qiáng)的交互性，主要反映在用戶對各種參數(shù)的選擇、設(shè)定和調(diào)節(jié)上或儀器的選用上，實(shí)現(xiàn)在有效合理范圍內(nèi)方便地改變參數(shù)或儀器等進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)。可表現(xiàn)在系統(tǒng)中的角度、位置、速度、溫度等幾何和物理參量變化上，也包括選擇物理模型、樣式或樣品、條件等，還應(yīng)包括觀察角度、畫面顯示狀態(tài)、計(jì)算步長等等。如模擬物理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，在交互性方面體現(xiàn)在:可將物、透鏡和屏拖動至光具座的相應(yīng)位置上，且可對相互位置關(guān)系正確與否作出判斷與提示。物和屏可分別放在各自區(qū)間內(nèi)任意移動，使學(xué)習(xí)者清楚地觀察到物距與像距、物與像大小的對應(yīng)關(guān)系與規(guī)律。同時允許學(xué)習(xí)者隨時更換或調(diào)節(jié)透鏡焦距和物的大小，這些教學(xué)性能給教師的講解和學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)提供了更多的可變參數(shù)，便于對問題的深入研究探討。

控制功能要靈活方便，設(shè)計(jì)時注意參數(shù)的調(diào)節(jié)過程和參數(shù)的顯示，要比較直觀、方便、快捷。交互形式最常用的是鍵盤、鼠標(biāo)、觸摸屏、光筆和語音等。因?yàn)閷W(xué)習(xí)者的參與主要靠靈活方便的控制來實(shí)現(xiàn)，通過提供一定的實(shí)驗(yàn)控制或選擇條件，將有利于學(xué)習(xí)者的進(jìn)一步鉆研和知識的拓寬[3]。

5 顯示與反饋

當(dāng)對模擬系統(tǒng)進(jìn)行某種操作后，系統(tǒng)應(yīng)給出相應(yīng)的反饋，這種反饋可以是自然的，也可以是人為的。所謂自然反饋是類似于可能發(fā)生的事，人為反饋是類似于個別指導(dǎo)或練習(xí)模式中給出的相應(yīng)提示或結(jié)論性信息，如對當(dāng)前狀態(tài)的說明解釋。對于前一類情況，應(yīng)能隨時顯示改變參數(shù)后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，即可以實(shí)時繪制與顯示。如當(dāng)物距、物大小、透鏡焦距及屏位置中，只要有一個量發(fā)生變化，屏上所接到的光斑或像就隨之變化。另外考慮提供多種顯示方式，如截面、二維或三維表現(xiàn)等;可調(diào)顯示參數(shù)，如投影角度、比例、顯示范圍等，體現(xiàn)出顯示的多樣性、可調(diào)性。如模擬物理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中除了在屏上觀察像外，可隨時激活圖標(biāo)顯示正面畫面，滿足學(xué)習(xí)者從不同角度進(jìn)行觀察。這將有利于學(xué)習(xí)者對同一現(xiàn)象的觀察與思考，能從不同的側(cè)面、角度進(jìn)行全面的觀察與分析比較，經(jīng)過探究而得出結(jié)論。

四 模擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用

對于模擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，它既適用于教師課堂進(jìn)行教學(xué)，也適用于學(xué)習(xí)者自己進(jìn)行探究式學(xué)習(xí)。教師利用這種特定實(shí)驗(yàn)情境，啟發(fā)學(xué)習(xí)者主動探討研究，完全像做實(shí)驗(yàn)一樣歸納和總結(jié)出相關(guān)的規(guī)律。利用情境或在情境中進(jìn)行教學(xué)，能夠讓學(xué)習(xí)者參與進(jìn)來，做到教師只是引導(dǎo)者而非講演者，更利于學(xué)習(xí)者主動進(jìn)行學(xué)習(xí)。教師再也不會感到物理難教，一些原來單純利用黑板和演示不容易講得清楚的東西，現(xiàn)在在模擬實(shí)驗(yàn)中實(shí)實(shí)在在地動態(tài)顯示出來，便于講解。從學(xué)習(xí)者角度也不會再感到物理難學(xué)，原來僅僅靠想象的抽象東西，現(xiàn)在活靈活現(xiàn)地出現(xiàn)在面前，你可以仔細(xì)觀察，反復(fù)實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過思考后得出結(jié)論。對學(xué)習(xí)者而言，完全可以獨(dú)立或與學(xué)習(xí)伙伴一起進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，利用系統(tǒng)關(guān)鍵提示和解釋，實(shí)現(xiàn)探究學(xué)習(xí)。因此，利用這樣的模擬實(shí)驗(yàn)開展教學(xué)，能夠大大激發(fā)學(xué)習(xí)者的求知欲，滿足學(xué)習(xí)者的探索欲，最大限度地發(fā)揮學(xué)習(xí)者的認(rèn)知主體作用，讓學(xué)習(xí)回歸本體，就是實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)者自主學(xué)習(xí)，不再是“被教會”。

五 結(jié)論

通過結(jié)合作者開發(fā)的模擬物理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)項(xiàng)目設(shè)計(jì)與實(shí)踐，文章探討了模擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及其教學(xué)設(shè)計(jì)的方法，由于不同學(xué)科有其自身的特點(diǎn)，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行具體處理，但總體目標(biāo)都是要求實(shí)現(xiàn)隨時觀察到與實(shí)際實(shí)驗(yàn)相同的現(xiàn)象或結(jié)果。歸納為以下幾點(diǎn):(1)模型構(gòu)建時要簡潔，抓住最基本要素，排除非本質(zhì)的東西。(2)實(shí)驗(yàn)要有很強(qiáng)交互性。(3)模擬過程要清晰、可重復(fù)。(4)模擬的結(jié)果要真實(shí)可信。(5)現(xiàn)象呈現(xiàn)時關(guān)鍵幀有說明解釋。(6)有學(xué)習(xí)指導(dǎo)和使用說明。這樣設(shè)計(jì)出來的模擬仿真實(shí)驗(yàn)，在教學(xué)上有利于學(xué)習(xí)者的啟發(fā)式、探究式學(xué)習(xí)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷進(jìn)步，計(jì)算機(jī)用于教育教學(xué)，特別是模擬實(shí)驗(yàn)這種教學(xué)模式，必將在教學(xué)和學(xué)習(xí)中發(fā)揮愈來愈大的作用。

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