工科計算機仿真實驗教學探討

趙懷紅　王　靖

摘 要：在開放式實驗教學模式的基礎上，研究了仿真實驗教學獲得的良好教學效果，探討其存在的一此不足之處。

關鍵詞：仿真實驗；實驗教學

工科實驗教學工作越來越受到各個高校的重視。早前，教育部在全國高校中開展了建設新型實驗教學示范中心的工作，從已建成的實驗教學示范中心來看，以開放式實驗為主的教學模式正逐步成為主流。

所謂開放式實驗，主要是指實驗時間上的開放、實驗空間上的開放和實驗內容上的開放。實驗時間上的開放就是實驗中心打破按課程表時間授課的模式，轉變為類似圖書館那樣規定開放時間，學生隨到隨做的模式。實驗空間上的開放是指學生不再按實驗中心排定的實驗順序、實驗項目完成實驗，而是由實驗中心開出所有可選的實驗項目清單，學生按照自己的興趣愛好來選擇實驗項目。最后，實驗內容上的開放是指實驗內容被分為不同的層次，如驗證性實驗、設計性實驗、創新實驗。學生可以根據自己的水平選擇同一個實驗的不同層次，實現不同的實驗目的。這種開放式實驗教學模式，以因材施教為出發點，符合教學規律，是對傳統實驗教學模式的改革。

仿真實驗是開放式實驗教學的重要資源組成。所謂“仿真實驗”，是相對于實物實驗而言的，兩者的主要差別在于：實驗過程中所觸及的對象與事物是否真實。在實物實驗中所采用的實驗工具、實驗對象都是以實物形態出現的；而在仿真實驗中，不存在實物形態的實驗工具與實驗對象，實驗過程主要是對虛擬的實驗儀器及設備進行操作。仿真實驗雖然難以達到與實物實驗完全一樣的程度，但其良好的教學效果仍顯而易見。

1 營造多樣化教學環境，提高學習興趣。

對大多數學生來說，在預習實驗的時候，會感到書上一些概念性的介紹很抽象。雖然有些儀器附有圖片，但是仍然顯得很單調。學生預習起來容易缺乏興趣，對實驗原理并不能真正理解。如果學生以前沒有接觸過該實驗的儀器，實驗中就有可能因使用方法不當而進行誤操作，造成實驗中斷、儀器損壞。仿真實驗可以提供形象直觀、內容豐富的學習環境，圖文并茂、動靜結合、節奏有序的實驗內容，并以聲音、圖像等豐富的表現力幫助學生進行多感官的學習，這樣無疑會增加學生的興趣，調動他們學習的積極性，促進學生對實驗儀器的熟悉和對實驗原理的理解。特別是一些對學生來說陌生而復雜的儀器，經過仿真實驗的練習，操作起來既輕松又胸有成竹，從而提高教學效率。同時，降低了大大了損壞率。

2 打破時間和空間的局限，確保開放式實驗教學的實施。

將仿真實驗與網絡相結合，以網絡為平臺開展仿真實驗教學。學生可以利用校園網或Internet對實驗教學內容進行課前預習和課后復習，使教學內容在時間和空間上得到延伸，學生能夠充分的學習和掌握實驗教學內容。作為一個“開放的實驗室”，學生可以根據自己的時間，在任何地點自主學習，利于學生根據興趣選擇，并能滿足不同層次學生的學習需求。同時，給學生提供了自學實驗的環境，培養了學生對實驗的自學能力。

3 節省實驗經費，提供無懼環境，保證實驗的項目和數量。

自然科學前沿領域的高新技術設備價格昂貴，目伴隨著高校辦學規模的不斷擴大，受教育資金的限制，高校儀器設備的數量和種類相對匱乏，傳統單一的實驗教學模式已遠遠不能滿足實驗教學的需求。多媒體仿真實驗以較少的投入，更大的靈活性緩解了上述的矛盾。同時學生可以按自己的設想在多種實驗環境中搭建自己的實驗。

另一方面，部分實驗還具有一定的危險性，因此許多學校在開設實驗項目時常有所保留，學生也不敢大膽嘗試實驗。這在很大程度上扼殺了學生創造能力的發展。仿真實驗系統認錯性很強，在模擬的過程中學生操作一旦出錯，系統立即指出調節錯誤，如果前一步調整不好就不允許進行下一步，迫使學生反復演練直至成功，學生的創造性思維會得到良好的發展。從而保證了實驗的項目和數量。

4 真正實現理論教學與實驗教學的結合。

仿真實驗可以經過設置或再開發，作為理論教學的輔助工具。一些在學科發展中做出了歷史性貢獻的典型實驗都可以利用仿真實驗展現于課堂教學中，通過實驗的方法引入新的概念和規律，把理論教學與實驗教學有機的融為一體，按照科學探索和研究的過程進行教學，這樣可以開闊學生的視野，提高學生實驗的學習興趣。

仿真實驗以仿真的儀器為主要器材，它所仿真的元器件、儀器儀表和系統功能與真實的硬件存在著必然的差異。仿真實驗雖然新穎有趣，但與真實實驗仍有距離感。并且，將仿真實驗應用于教學，它的整個教學過程都是在計算機上操作完成的，在教學應用中不可避免地具有一定的局限性。

4.1減弱對儀器的真實感受和基本技能的訓練，與實際操作過程存在差距。

著名的英國卡文迪許實驗室原則是:“用最簡單的儀器做出最好的結果”。這也是在實驗教學中應使學生樹立的信念。因此，必須使學生養成良好的動手能力和利用簡單設備及代用品籌劃實驗的習慣。在使用仿真實驗的過程中，學生將注意力集中在計算機操作上，從而淡化對基本技能訓練，甚至可能由于缺少實際動手機會，妨礙學生利用現成的簡單設備進行探索和實驗。

實驗教學大綱要求學生能掌握各種常見儀器的操作技術，對常見儀器的零位調節，水平、鉛直調整，電路連接，光路共軸調整以及各種儀器的正確讀數姿勢等動作技能達到“自動化”程度，這就必須保證學生對真實儀器有足夠的操作次數，而一味使用計算機則會減弱學生對儀器的真實感受和基本技能的訓練程度。另外，在實驗儀器間的配接時一般要考慮接觸是否良好。例如，電學實驗中導線間接觸不良也會影響實驗現象。在實驗操作過程中時，一些不必要的牽動、不正確的操作習慣和思維盲點都會直接影響到實驗結果，而仿真實驗在這方面的影響卻很小。這必然造成學生基本技能的缺乏。

4.2缺乏師生互動，減少學生應對突發事件的機會。

在實驗中遇到儀器故障、突發事件，會使學生遭遇問題，增加克服困難的訓練機會，提高學生解決問題的能力。而仿真實驗的條件相對理想，減少了學生應對突發事件、排除故障以及對實驗儀器的常規檢修的機會。另一方面，在實驗教學中，不管教學課件制作的多么完美或詳細，計算機只能起輔助教學的作用，無法取代教師的地位。因為教師可以隨時指導學生解決在實驗過程中遇到的各種突發的情況和問題，也能夠根據學生的表情、語言、動作等及時調整自己的教學內容與教學方法以做到有效的互動，而計算機根本無法做到這些。另外，學生和教師交流過程中濃厚的人文精神正是現代教育思想所要強調的東西。學生在實驗過程中，如果只和一堆沒有人性的機器打交道，對于學生的個性成長絕對不是件好事。