計算機仿真物理實驗教學的探討

[摘要]簡要闡述計算機仿真物理實驗在實驗教學中的優勢,并對計算機仿真實驗在教學中的應用進行探索。

[關鍵詞]物理實驗 計算機仿真 實驗教學

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

實驗是教學過程中的一個重要環節,很多學校都把實驗教學和實驗室建設放在首要位置上,然而,由于受到經費、場地和設備等的限制,實驗教學并不能達到預期的效果,實驗教學的質量令人擔憂。一些耗資大的實驗許多學校不能開設,學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,缺乏實際操作經驗。另外隨著現在學生數量的增多,許多實驗受到教室和課時的限制,在規定的時間內學生無法真正完成實驗,造成實驗課走過場的現象。由于傳統實驗教學存在的這些弊端,實驗教學必須改革以適應現代教育的發展。當今快速發展的計算機技術為這一要求提供了途徑。

一、計算機仿真物理實驗概述

物理實驗教學主要是由學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、可設計性等。而各種計算機虛擬技術正是實現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建一個可視化的實驗操作環境,其中的每一個可視化仿真物體代表一種實驗儀器或設備,通過操作這些虛擬的實驗儀器或設備,即可進行各種實驗,達到與真實實驗相一致的教學要求和目的,它是虛擬仿真技術、計算機技術和專業理論知識多方面結合的結晶。各種仿真實驗一般具有以下兩個基本特點:

1.仿真性。實驗環境和實驗儀器具有高度真實感,學生在計算機上進行操作如同置身于真實的實驗環境,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生與計算機的雙向交流,學生利用鼠標或鍵盤可以自由對儀器進行操作,自由選擇實驗內容和實驗進程等,可極大限度地調動學生的學習積極性。

二、計算機仿真實驗在物理實驗教學中的優勢

(一)計算機仿真物理實驗的運用改變了傳統的實驗教學模式,推進實驗教學向科學化、現代化方向發展。在傳統實驗教學過程中,學生在很大程度上是處于被動地位。對于一些復雜的實驗,通過老師的講述和學生有限時間的操作,學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揮、創造和運用,因此傳統的實驗教學受時間和空間的限制比較大。另外傳統的實驗教學模式缺少對學生學習興趣的激勵,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、實驗內容,進行實驗操作,觀察實驗現象,收集數據,分析數據,得出結論等,其實驗效果等同于甚至優于在真實環境中所取得的效果。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動學生的學習興趣,提高學習效率。當學校的網絡虛擬實驗室建好后,學生可隨時通過校園網進入虛擬實驗室進行實驗操作,這樣就使得學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能節省實驗經費,保證了實驗的項目和數量。有些實驗,特別是近代的一些實驗,耗資大,實驗儀器昂貴,操作復雜,很多學校沒有能力開設,而往往這些實驗與當前先進的科學技術密切關聯,是需要學生去親眼觀察,親手實踐的。由于經費的原因不能開設,的確非常遺憾。利用先進的計算機仿真技術可以彌補這方面的不足。如今人們不僅能利用仿真技術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鍵部位進行拆除,內部部件進行解剖,在實驗過程中實時觀察儀器的各種指標和實驗現象。制作出來的虛擬儀器和仿真實驗能夠達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,從而保證了實驗的項目和數量。

(三)計算機仿真物理實驗與傳統實驗教學相結合能大大提高實驗教學質量。仿真實驗能彌補傳統實驗教學的不足,具有許多優點,但不能將實驗教學完全建立在仿真實驗的基礎上,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會淡化學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實驗相結合,可以先用仿真實驗進行預習,熟悉實驗儀器、實驗原理、內容和實驗操作,等對實驗有一定感性認識后再進行實際操作,課后學生也可用仿真實驗系統對該實驗進行復習,這樣不僅可以加深學生對該實驗的理解,提高實驗質量,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容和進行實驗考核

物理實驗受實驗環境和實驗條件的制約,對于某項實驗只能根據實驗儀器選定實驗內容和實驗方法,其它實驗內容則難以開出,其它實驗方法則無法實現。利用計算機仿真實驗軟件,無須購買新設備,即可開出一些原來無法開出的實驗內容,實現其它實驗方法和手段,如:《重力加速度》實驗,利用實驗室現有的實驗裝置,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,拓寬了實驗內容。

在實驗教學的考核方式上,傳統的抽簽選定實驗項目,現場操作評分方式,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,既可用實驗習題庫、試題庫進行實驗原理部分的考試,也可統一選定一兩個仿真實驗項目進行實驗數據的測量,評定學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可視化實時交互

物理實驗教學強調學生實際動手操作,物理實驗的計算機輔助教學必須實現對儀器操作的模擬,讓學生能實際動手操作逼真的虛擬儀器。物理仿真實驗教學系統即實現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合起來。虛擬場景控制各虛擬儀器,它們緊密結合,協調工作,實時響應學生的操作。學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,把計算機技術引入實驗教學中,改革了傳統的教學手段,擴大學生的知識面,開闊視野,受到學生的普遍歡迎。通過仿真實驗軟件的二次開發,為進行開放式實驗教學創造較好的條件。隨著仿真實驗軟件的不斷豐富完善,應用推廣,有力促進物理實驗教學的發展和改革。

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作者簡介:

王勁松,濰坊學院物理與電子科學系,講師。