淺議動(dòng)畫仿真實(shí)驗(yàn)軟件在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

☆姚俊

（象山縣西周中學(xué)，浙江象山 315700）

隨著現(xiàn)代教育技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，計(jì)算機(jī)模擬教學(xué)越來越多地進(jìn)入到學(xué)科教學(xué)中，尤其是在實(shí)驗(yàn)教學(xué)領(lǐng)域，計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)與學(xué)科教學(xué)的整合日趨緊密，且成為一個(gè)重要的發(fā)展趨勢(shì)。在這種大的教育背景下產(chǎn)生的動(dòng)畫仿真實(shí)驗(yàn)軟件以其能直觀、形象、逼真的模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景而得到眾多物理教師的認(rèn)可，但同時(shí)也遭到了很多批評(píng)，甚至有人呼吁抵制課堂教學(xué)中出現(xiàn)動(dòng)畫模擬實(shí)驗(yàn)。筆者認(rèn)為一種新教學(xué)手段的出現(xiàn)并得之推廣肯定有它的優(yōu)越性，如何科學(xué)合理應(yīng)用使之效果最優(yōu)化才是解決爭(zhēng)議的根本所在，下面是筆者就動(dòng)畫仿真軟件在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用的一些看法：

一、動(dòng)畫仿真實(shí)驗(yàn)軟件的優(yōu)缺點(diǎn)分析

任何一種教學(xué)手段都不可能是完美無缺的，動(dòng)畫仿真教學(xué)也不例外，只有分析和把握了動(dòng)畫仿真教學(xué)的優(yōu)缺點(diǎn)，才能充分做到揚(yáng)長(zhǎng)避短與其它教學(xué)方法融合。

1.動(dòng)畫仿真教學(xué)的優(yōu)點(diǎn)

其一，直觀、形象、逼真，演示效果好。傳統(tǒng)物理教學(xué)中，涉及到新的物理現(xiàn)象或物理理論的講解時(shí)，教師大多采用課堂演示實(shí)驗(yàn)的方式讓學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和變化，但是教師在講臺(tái)上的操作只有靠近講桌的很少一部分學(xué)生能看到，大多數(shù)學(xué)生根本看不清楚，尤其是在做一些現(xiàn)象本身變化細(xì)微或受外界條件影響比較大的演示實(shí)驗(yàn)（如：質(zhì)譜儀演示帶電粒子的偏轉(zhuǎn)）時(shí)，課堂演示實(shí)驗(yàn)就更暴露出其在視覺觀察上的弊端。而采用動(dòng)畫仿真軟件按照真實(shí)的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象模擬，通過投影展現(xiàn)到每位學(xué)生的面前，一方面使學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加直觀、清晰；另一方面由于每個(gè)學(xué)生都能參與，使得課堂氣氛更加活躍，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣更加濃厚，掌握知識(shí)的欲望更加強(qiáng)烈，從而達(dá)到調(diào)動(dòng)學(xué)生思維，活躍課堂氣氛，提高學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性的目的。同時(shí)動(dòng)畫模擬軟件在講解微觀、抽象物理理論時(shí)，更有直觀、形象、幫助理解的獨(dú)特作用，比如：微觀粒子的碰撞、微觀粒子在電磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)等。

其二，提供實(shí)驗(yàn)探究場(chǎng)景，使學(xué)生獲得成功與失敗的體驗(yàn)。皮亞杰的建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論認(rèn)為：只有在學(xué)習(xí)者仔細(xì)思考時(shí)才會(huì)導(dǎo)致有意義的學(xué)習(xí)，決定學(xué)習(xí)的因素主要在與個(gè)體和環(huán)境的交互作用。在他看來，知識(shí)的學(xué)習(xí)應(yīng)來源于學(xué)生個(gè)體的主動(dòng)構(gòu)建，教師是學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的組織者、指導(dǎo)者而不是灌輸者，教師的作用主要是借助教學(xué)手段和方法為學(xué)生創(chuàng)造一個(gè)自主學(xué)習(xí)的情景，以幫助學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)、協(xié)作、探索和完成知識(shí)意義建構(gòu)，這和新課程的理念相一致。新課程理念倡導(dǎo)探究式教學(xué)，即學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)探究自主學(xué)習(xí)，獲得成功與失敗的體驗(yàn)。但是探究環(huán)境如果僅依賴于儀器實(shí)驗(yàn)則勢(shì)必增加課堂教學(xué)難度（包括儀器的準(zhǔn)備、課堂探究的管理與引導(dǎo)）和不確定性（處理實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的突發(fā)事件），影響教學(xué)安排和進(jìn)度。利用動(dòng)畫仿真軟件則可以很好地解決這個(gè)問題。

通過與仿真軟件之間的交互性操作，學(xué)生能夠在不斷的嘗試中獲得正確的知識(shí)，體驗(yàn)到成功的喜悅，而這種在摸索中進(jìn)步的體驗(yàn)在真實(shí)實(shí)驗(yàn)中卻是不可能感受到的，因?yàn)槲锢韺?shí)驗(yàn)的很多儀器都比較精密，一旦操作錯(cuò)誤輕則毀壞儀器，重則危害人生安全，不可能給學(xué)生提供一個(gè)不斷嘗試、反復(fù)操作的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

動(dòng)畫仿真軟件還有一個(gè)優(yōu)越之處：可以在不接觸任何危險(xiǎn)的情況下從事危險(xiǎn)的實(shí)驗(yàn)操作，哪怕這種操作在現(xiàn)實(shí)操作中會(huì)帶來災(zāi)難性的后果。這類實(shí)驗(yàn)在真實(shí)環(huán)境中是不敢讓學(xué)生去體驗(yàn)的，但是通過仿真軟件交互性的操作，可以把操作錯(cuò)誤時(shí)可能出現(xiàn)的情景通過動(dòng)畫和聲音再現(xiàn)出來，給學(xué)生以震撼，從而讓學(xué)生獲得失敗的體驗(yàn)，這種挫折的體驗(yàn)?zāi)芗ぐl(fā)學(xué)生的潛能和探究精神，從而進(jìn)行研究性學(xué)習(xí)，切實(shí)掌握知識(shí)。

其三，成本低廉，適用范圍廣。在農(nóng)村學(xué)校，由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備落后、儀器的缺乏等眾多原因，有些實(shí)驗(yàn)根本沒條件做，比如新課程中提到的用傳感器研究力、速度、加速度等一些實(shí)驗(yàn)。但是絕大多數(shù)學(xué)校都有計(jì)算機(jī)室，只需一臺(tái)計(jì)算機(jī)借助動(dòng)畫仿真實(shí)驗(yàn)軟件學(xué)生就可以進(jìn)行所有實(shí)驗(yàn)操作，給學(xué)生提供實(shí)驗(yàn)探究的物理情境。無須維護(hù)、便于操作，使得動(dòng)畫仿真實(shí)驗(yàn)軟件能夠在所有學(xué)校得到推廣。

2.動(dòng)畫仿真教學(xué)的缺點(diǎn)

固然動(dòng)畫仿真軟件有很多優(yōu)點(diǎn)，但是它的缺點(diǎn)也是顯而易見的，這些缺點(diǎn)也是它惹來眾多爭(zhēng)議的主要原因。

其一，場(chǎng)景單一、過于理想化。動(dòng)畫仿真軟件具有交互性，即學(xué)生進(jìn)行正確或錯(cuò)誤的操作都會(huì)觸發(fā)相對(duì)應(yīng)的事件，以此模擬真實(shí)的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景。但是軟件上出現(xiàn)的場(chǎng)景和現(xiàn)象是人為規(guī)定好的，過于單一、理想化，真實(shí)實(shí)驗(yàn)中同樣一個(gè)操作可能引起的后果不盡相同，同樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)的結(jié)果也可能會(huì)不相同，甚至出現(xiàn)不了預(yù)想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，學(xué)生在處理的同時(shí)能夠鍛煉自身的分析、應(yīng)變能力，這一點(diǎn)動(dòng)畫仿真實(shí)驗(yàn)是無法達(dá)到的。

其二，結(jié)果是人為規(guī)定的，難以讓人信服。動(dòng)畫仿真軟件里面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是軟件設(shè)計(jì)者一開始就設(shè)計(jì)好的，只要學(xué)生按照規(guī)定操作最后都能得到理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，然而這個(gè)結(jié)果并不是在真實(shí)情景下得到的，因此，難以讓人信服。

其三，難以獲得真實(shí)的感受與體驗(yàn)。利用動(dòng)畫仿真軟件進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)學(xué)生只要拖動(dòng)鼠標(biāo)就可以輕易完成，一切都是在虛擬中完成，這和真實(shí)操作實(shí)驗(yàn)儀器給學(xué)生帶來的真實(shí)感受是無法比擬的。學(xué)生進(jìn)行一場(chǎng)實(shí)驗(yàn)操作可能掌握了基本知識(shí)，但是卻難以獲得真實(shí)操作的感受和體驗(yàn)，這對(duì)學(xué)生的成長(zhǎng)和發(fā)展也是不利的。

二、科學(xué)安排、合理應(yīng)用，把動(dòng)畫仿真軟件的作用發(fā)揮到極限

清楚了動(dòng)畫仿真軟件在物理實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用的優(yōu)缺點(diǎn)后，我們就能有的放矢，有針對(duì)性的進(jìn)行應(yīng)用，把動(dòng)畫仿真軟件效能性發(fā)揮到最大。

1.應(yīng)用于抽象物理概念的教學(xué)

在高中物理教學(xué)中，學(xué)生最感困難的就是抽象物理概念的教學(xué)，尤其當(dāng)其中還涉及到一些動(dòng)態(tài)變化過程，這就更需要學(xué)生具有很強(qiáng)的想象力，一旦想象不出則立即出現(xiàn)思維障礙，影響后面的物理學(xué)習(xí)，而這些抽象的物理規(guī)律往往又很難用實(shí)驗(yàn)儀器來演示。比如：新人教版高中物理選修3－5中關(guān)于概率波和不確定性關(guān)系的教學(xué)，學(xué)生最頭疼的就是光在衍射時(shí)粒子不確定關(guān)系式的理解，而借助動(dòng)畫仿真實(shí)驗(yàn)軟件可以把改變狹縫寬度前后粒子從光源飛出到打在屏上過程的不確定性展現(xiàn)出來，給學(xué)生一個(gè)直觀的感受，幫助其克服思維障礙。

2.輔助儀器實(shí)驗(yàn)，彌補(bǔ)儀器實(shí)驗(yàn)的不足

在研究物理問題時(shí)，我們大多通過實(shí)際的物理實(shí)驗(yàn)來探究，但是由于實(shí)驗(yàn)總是會(huì)受到各種環(huán)境因素的影響和干擾，使得實(shí)驗(yàn)難以達(dá)到預(yù)想的效果，這時(shí)可借助動(dòng)畫仿真實(shí)驗(yàn)軟件輔助真實(shí)實(shí)驗(yàn)，達(dá)到最佳的教學(xué)效果。比如：用質(zhì)譜儀演示帶電粒子的偏轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)，質(zhì)譜儀發(fā)出的淡綠色光本身就不明顯，碰到晴天光線較好時(shí)基本上看不出，給教學(xué)帶來很大困擾，如果和動(dòng)畫仿真軟件結(jié)合起來則可以很好解決這個(gè)問題，先用質(zhì)譜儀演示，留短暫時(shí)間讓學(xué)生靠近觀察，然后用軟件仿真實(shí)驗(yàn)，并通過軟件里的磁場(chǎng)改變（或電性改變）觀察粒子運(yùn)動(dòng)情況，既而探究帶電粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

3.替代危險(xiǎn)性較高的物理實(shí)驗(yàn)

有些物理實(shí)驗(yàn)需要在專業(yè)部門借助專業(yè)儀器才能完成，這些實(shí)驗(yàn)對(duì)于知識(shí)貯備缺乏、經(jīng)驗(yàn)欠缺的高中生來說無疑具有很大的危險(xiǎn)性，而要完成這些方面的知識(shí)學(xué)習(xí)借助動(dòng)畫仿真軟件探究是最安全也是最理想的學(xué)習(xí)方式。例如：核反應(yīng)（輕核聚變、重核裂變）、導(dǎo)彈運(yùn)行軌跡分析等，借助計(jì)算機(jī)軟件對(duì)這類實(shí)驗(yàn)進(jìn)行仿真模擬，可以為學(xué)生提供探究情境，有助于學(xué)生重難點(diǎn)的突破，更重要的是可以讓學(xué)生初步學(xué)會(huì)計(jì)算機(jī)仿真這種現(xiàn)代科學(xué)研究中的重要研究方法。

4.自主探究能力的培養(yǎng)

動(dòng)畫仿真軟件還有利于學(xué)生自主探究能力的培養(yǎng)，相對(duì)于物理實(shí)驗(yàn)室，動(dòng)畫仿真軟件實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能虛擬物理實(shí)驗(yàn)環(huán)境，提供一個(gè)實(shí)驗(yàn)儀器比較完備的綜合性實(shí)驗(yàn)環(huán)境，可以設(shè)定各種研究對(duì)象和實(shí)驗(yàn)環(huán)境。學(xué)生通過這個(gè)虛擬物理實(shí)驗(yàn)環(huán)境可以模擬物理實(shí)驗(yàn)過程并自主進(jìn)行探究。教學(xué)中，可以讓學(xué)生自己先創(chuàng)設(shè)出一個(gè)合適的物理模型，然后按照這個(gè)模型的要求設(shè)定實(shí)驗(yàn)環(huán)境及有關(guān)參數(shù)，創(chuàng)建出所需的實(shí)驗(yàn)。例如：在研究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系時(shí)，我們通過“仿真物理實(shí)驗(yàn)室”軟件設(shè)置了平直軌道（長(zhǎng)木板）、小車（研究對(duì)象M）、滑輪、砝碼（m）等物體，設(shè)定了重力場(chǎng)環(huán)境，讓學(xué)生自行模仿實(shí)驗(yàn)過程，改變和控制m或M的質(zhì)量，測(cè)定物體的加速度。并根據(jù)模擬測(cè)量得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，從而總結(jié)出質(zhì)量M與加速度a的關(guān)系、外力F與加速度的關(guān)系。

相對(duì)于實(shí)物實(shí)驗(yàn)，仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)還有另一個(gè)好處，可以控制實(shí)驗(yàn)過程，對(duì)過程進(jìn)行慢放、暫停，方便定量分析。比如：研究平拋運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)，常用裝置一、裝置二（如圖1）驗(yàn)證平拋運(yùn)動(dòng)在水平方向做勻速直線運(yùn)動(dòng)、豎直方向做自由落體運(yùn)動(dòng)，但由于小球運(yùn)動(dòng)速度過快，只能觀察到兩球相撞或同時(shí)落地瞬間，憑此猜測(cè)中間的運(yùn)動(dòng)過程。借助動(dòng)畫仿真軟件提供的虛擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景可以對(duì)兩球拋出后的任一瞬間進(jìn)行暫停或慢放，通過比較它們?cè)谒交蛘哓Q直方向的位置關(guān)系來探究其水平、豎直方向的運(yùn)動(dòng)情況。

圖1

5.應(yīng)用于側(cè)重實(shí)驗(yàn)知識(shí)的教學(xué)

對(duì)于實(shí)驗(yàn)室有條件進(jìn)行的物理實(shí)驗(yàn)應(yīng)當(dāng)盡可能地讓學(xué)生到實(shí)驗(yàn)室自己去做，這樣可以使學(xué)生對(duì)物理知識(shí)和實(shí)驗(yàn)過程有一個(gè)具體的、明確的認(rèn)識(shí)，對(duì)研究物理問題的過程與方法有著更深的理解和體會(huì)，但這樣的實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要耗費(fèi)大量的時(shí)間，對(duì)于復(fù)習(xí)性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)就不再適用了，并且此時(shí)學(xué)生已經(jīng)掌握了基本的實(shí)驗(yàn)操作知識(shí)，教師要做的主要是使學(xué)生回憶起以前的實(shí)驗(yàn)操作，這種教學(xué)側(cè)重于對(duì)實(shí)驗(yàn)知識(shí)的記憶而非對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的探究，借助動(dòng)畫仿真軟件可以在較短的時(shí)間內(nèi)讓學(xué)生重溫實(shí)驗(yàn)，達(dá)到復(fù)習(xí)鞏固的目的。

科學(xué)合理地應(yīng)用動(dòng)畫仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足，給學(xué)生提供一個(gè)完善的實(shí)驗(yàn)探究環(huán)境，為教師提供一種多元化的教學(xué)方式。科學(xué)的把動(dòng)畫仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)引入課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)，合理把虛擬與真實(shí)兩種實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式加以融合，能夠使課堂教學(xué)實(shí)效得到最大限度的發(fā)揮與提高。