童有彩

摘要：實(shí)驗(yàn)是物理研究的基石，而僅以教學(xué)為目的的中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)對于實(shí)驗(yàn)技術(shù)和實(shí)驗(yàn)方法的選擇則較為自由，除傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)外，數(shù)字技術(shù)當(dāng)前已越來越多的融入物理實(shí)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：數(shù)字實(shí)驗(yàn)室；數(shù)字仿真技術(shù)

傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)是在中學(xué)物理教學(xué)要求的基礎(chǔ)上，結(jié)合簡易的物理模型，借助簡單的實(shí)驗(yàn)器材，依照為教學(xué)目的而設(shè)計(jì)的既定方案，但傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)在實(shí)際教學(xué)中的應(yīng)用已逐步顯示出幾點(diǎn)明顯的不足。

第一，實(shí)驗(yàn)方案和器材的針對性。傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)方案和器材多數(shù)都是針對某部分教學(xué)內(nèi)容而專門設(shè)計(jì)，常常是就事論事、就題論題，既定的實(shí)驗(yàn)步驟和嚴(yán)明操作要求，往往令學(xué)生無暇顧及實(shí)驗(yàn)原理、方案的科學(xué)性和方法的可推廣性。

第二，實(shí)驗(yàn)操作的不可預(yù)知性。限于中學(xué)生對復(fù)雜物理環(huán)境認(rèn)知的不足，以及各類實(shí)驗(yàn)器材的使用和組合的不夠熟練，實(shí)際操作中常因?yàn)闃O小的設(shè)計(jì)失誤或操作的不當(dāng)導(dǎo)致無法獲得正確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從而挫傷實(shí)驗(yàn)和思考的積極性，更談不上自行設(shè)計(jì)并獨(dú)立探究物理世界的奇妙。

第三，實(shí)驗(yàn)操作的安全性。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)牽涉了大量的實(shí)驗(yàn)器材和復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，不當(dāng)?shù)脑囼?yàn)設(shè)計(jì)或?qū)嶒?yàn)操作不但容易損壞器材，甚至對人體也能產(chǎn)生傷害，因而完全由學(xué)生自行設(shè)計(jì)并獨(dú)立探究便顯得不夠現(xiàn)實(shí)。

第四，實(shí)驗(yàn)器材的不易獲取性。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)器材種類繁多，多由學(xué)校統(tǒng)一管理，專人維護(hù)、調(diào)試和安裝，鑒于器材和使用者的安全，學(xué)生將難以自由獲取各類器材來完成自己的試驗(yàn)設(shè)計(jì)和探究。

鑒于以上各類因素，傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)雖能極好的解釋和驗(yàn)證學(xué)習(xí)中針對性的物理知識，但在素質(zhì)教育的今天卻難以擔(dān)起科學(xué)探究的重任，因而數(shù)字技術(shù)便應(yīng)運(yùn)而生。

隨著數(shù)字技術(shù)、電子傳感器技術(shù)及系統(tǒng)集成技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)字實(shí)驗(yàn)室近年來在中學(xué)課堂中大量涌現(xiàn)。數(shù)字實(shí)驗(yàn)室是在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，借助電腦和數(shù)字傳感器，將物理實(shí)驗(yàn)中各類數(shù)據(jù)或信息通過傳感器采集至電腦，通過專用軟件的運(yùn)算后，以數(shù)據(jù)、圖像、動(dòng)畫、視頻等方式將實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)時(shí)呈現(xiàn)，真實(shí)的反映了物理過程和現(xiàn)象，直觀的揭示物理原理。相對于傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)，數(shù)字實(shí)驗(yàn)室技術(shù)繼承了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的幾點(diǎn)不足外，更體現(xiàn)了幾點(diǎn)明顯的優(yōu)勢。

第一，相對于傳統(tǒng)測量器材，數(shù)字傳感器測量精度高，獲取數(shù)據(jù)多，測量結(jié)果可通過終端以圖表或圖像的形式實(shí)時(shí)呈現(xiàn)。摒棄了傳統(tǒng)測量中的讀數(shù)、估讀、測量數(shù)據(jù)處理等各項(xiàng)環(huán)節(jié)，降低數(shù)據(jù)處理難度，便于學(xué)生將更多的精力用于物理原理的分析和探究過程的思考。

第二，相對于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，數(shù)字實(shí)驗(yàn)室技術(shù)不僅可直接呈現(xiàn)各類測量數(shù)據(jù)，還可以通過軟件控制端使用預(yù)定或自行編寫的運(yùn)算方程，實(shí)時(shí)計(jì)算實(shí)驗(yàn)結(jié)果，同時(shí)還可以通過引入復(fù)雜物理環(huán)境參數(shù)的修正，更好的達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

第三，借助了大量科學(xué)有效的實(shí)驗(yàn)器材和運(yùn)算方法，數(shù)字實(shí)驗(yàn)室大大降低了學(xué)生實(shí)驗(yàn)失誤的幾率，提高了實(shí)驗(yàn)效率，并且更易于分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果和誤差。

但正是繼承了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的大量特點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上加入了數(shù)字傳感器以及電腦技術(shù)，除物理知識外，數(shù)字實(shí)驗(yàn)室還額外的增加了電子、計(jì)算機(jī)、軟件等知識和操作的難度，從而難以大規(guī)模推廣，更難以讓學(xué)生短時(shí)間學(xué)習(xí)并使用。

鑒于此，近年來國內(nèi)外開始逐步出現(xiàn)了一種全新的物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)——數(shù)字仿真。數(shù)字仿真最初源于歐美航空、航天、汽車、電子等高科技高機(jī)密行業(yè)。通過機(jī)械類仿真軟件模擬出飛機(jī)的飛行、狀態(tài)、參數(shù)，也可以模擬汽車的撞擊實(shí)驗(yàn)，還可以通過電子類仿真軟件模擬出完整的電路設(shè)計(jì)并虛擬運(yùn)行，等等各類仿真系統(tǒng)已成為各類高科技發(fā)展的催化劑。而近年來數(shù)字仿真技術(shù)已開始逐步的進(jìn)入自然科學(xué)類課堂教學(xué)。

數(shù)字仿真技術(shù)是一項(xiàng)復(fù)雜的軟件工程，借助計(jì)算機(jī)的高速運(yùn)算能力，將復(fù)雜的各類物理環(huán)境和參數(shù)集成于軟件系統(tǒng)，使用時(shí)僅需根據(jù)要求設(shè)置真實(shí)或理想化的物理環(huán)境參數(shù)，讓計(jì)算機(jī)真實(shí)的還原出已知或未知的物理過程和結(jié)果。與其他各類物理實(shí)驗(yàn)方式相比，數(shù)字仿真實(shí)驗(yàn)具有了幾條突出的優(yōu)勢。

第一，數(shù)字仿真實(shí)驗(yàn)室除電腦和軟件外無需任何其他物理器材，只需一臺(tái)電腦和配套的仿真系統(tǒng)，便可以隨時(shí)隨地的對各類物理現(xiàn)象加以仿真，極大的方便了學(xué)生自行的學(xué)習(xí)和探究。

第二，軟件中能夠提供所需的各類虛擬器材和環(huán)境，實(shí)驗(yàn)時(shí)僅需將所需器材和條件逐個(gè)拖動(dòng)和輸入以組合出物理實(shí)驗(yàn)，可以通過運(yùn)行仿真過程，可以通過暫停研究狀態(tài)，還可以軟件及時(shí)采集數(shù)據(jù)研究真實(shí)環(huán)境下的物理過程。

第三，數(shù)字仿真實(shí)驗(yàn)具有極大的自由度，可自由的個(gè)性化設(shè)計(jì)各類物理情形，不受各類安全因素的影響，即使在違反物理規(guī)律或原理的情況下，軟件也僅通過報(bào)錯(cuò)以指示其不當(dāng)之處。

誠然，數(shù)字仿真系統(tǒng)也有其不足之處。

其一，專業(yè)的仿真系統(tǒng)，仿真效果完美，但由于其系統(tǒng)的龐大和復(fù)雜，行業(yè)的針對性，操作的復(fù)雜性，因而不適于正常教學(xué)。今年來國內(nèi)外已開始逐步出現(xiàn)了幾種適用于教學(xué)的仿真系統(tǒng)，但相對來說種類單一，部分仿真效果差強(qiáng)人意。

其二，數(shù)字仿真系統(tǒng)是專為仿真物理環(huán)境而開發(fā)的物理研究平臺(tái)，而并非是我們程式化教學(xué)所對應(yīng)的物理實(shí)驗(yàn)。雖然可以通過系統(tǒng)逐個(gè)的仿真出課本上的每個(gè)實(shí)驗(yàn)，但部分設(shè)計(jì)和器材和課本要求大相徑庭，如傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中的游標(biāo)卡尺、螺旋測微器、秒表、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器等在仿真系統(tǒng)中僅需使用軟件中的測量功能即可。

通過前面的比較，當(dāng)前有哪幾款實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)適合中學(xué)的教學(xué)呢？

動(dòng)力學(xué)仿真系統(tǒng)首推來自美國MSC. Software公司的Interactive Physics。該公司是全球領(lǐng)先的虛擬產(chǎn)品開發(fā)解決方案供應(yīng)商，其產(chǎn)品覆蓋了工程仿真分析的各個(gè)方面，廣泛應(yīng)用與航空航天、國防、機(jī)械制造、汽車、船舶、電子、科研機(jī)構(gòu)、大專院校等各個(gè)領(lǐng)域，波音、麥道、福特等公司皆為其定向服務(wù)廠商，公司具有豐富的仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及雄厚的技術(shù)實(shí)力。Interactive Physics 是其專為當(dāng)前中小學(xué)教育定制的物理仿真系統(tǒng)，平臺(tái)內(nèi)置了復(fù)雜的物理環(huán)境，但界面操作簡單，易于上手，仿真效果明顯，功能強(qiáng)大。

其次是來自英國Crocodile Clips軟件公司的Crocodile Physics。該公司專業(yè)致力于中學(xué)教育仿真類軟件的開發(fā)，產(chǎn)品涵蓋中學(xué)數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、工程，其教學(xué)仿真系統(tǒng)行銷全球35個(gè)國家和地區(qū)。其主打產(chǎn)品之一的Crocodile Physics是一套綜合動(dòng)力學(xué)、電學(xué)、光學(xué)等綜合物理教學(xué)平臺(tái)，該系統(tǒng)操作簡單易懂，效果簡潔明了，是一款不可多得的物理仿真平臺(tái)。

鑒于物理實(shí)驗(yàn)和演示對物理教學(xué)的重要性，在此期望通過本文拋磚引玉以獲取更適用于教學(xué)的實(shí)驗(yàn)和演示的方式，從而便于師生更好的學(xué)習(xí)探究已知甚至未知的各類物理過程！