模擬軟件,讓學生物理實驗操作身臨其境

物理學是一門以實驗為基礎的學科，物理學概念的建立與規律的形成大多是以實驗為基礎的，包括人們提出的各種假說和設想都要通過實驗來加以驗證。學生物理實驗操作成功與否，能顯示學生動手能力的強弱和對物理規律的掌握程度。現在流行的用計算機來模擬物理實驗環境和仿真物理實驗的軟件很多，但多是用于說明或演示實驗原理抑或偏重實驗結果的，然而，物理實驗在重視結論的同時應更加重視實驗的操作過程。筆者認為，具體針對學生物理實驗進行操作模擬的軟件的開發，對物理課堂教學更具有必要性。其優越性和實例分析如下。

開發實驗操作模擬軟件的必要性

新課程改革要求在物理教學上更加突出實驗教學，然而由于種種原因，目前中學開展實驗教學的效果并不是很理想，特別是實驗操作的教學環節往往被忽視。當今學生普遍熱衷于虛擬電子游戲，是因為這些游戲能夠讓學生“身臨其境”，體會到失敗的挫折與成功的喜悅，游戲還具有真實的可操作性，與現實生活比較貼近。

有鑒于此，如果我們在物理實驗教學中，也能創造一個類似虛擬電子游戲的真實實驗模擬環境，利用計算機來模擬真實物理實驗環境，模擬課堂教學中所要呈現的實驗現象，通過模擬實驗把實驗設備、教學內容、教師指導和學生的操作有機地融合為一體，軟件中的所有素材直接從實驗室的儀器設備中拍攝，所有動作和操作腳本都取材于實驗手冊，這樣就能讓學生“身臨其境”地參與到模擬實驗中，體會到實驗的操作過程，得到與真實實驗幾乎相同的體驗。在此基礎上再參與實驗室真實實驗的操作，勢必會增加操作過程中的成功率，學生對實驗教學的興趣會大大增強，實驗效果也會得以提高。基于這種思路開發出來的面向學生物理實驗操作模擬的軟件，肯定會受到學生的喜愛，這種實驗類軟件雖然不能夠代替真實的實驗，但因其模擬的是真實實驗環境，可彌補真實實驗效果的不足，是真實實驗教學的得力助手，故對真實實驗教學有很強的促進作用。

適合學生實驗操作模擬的軟件的優越性

1. 提高學生的學習興趣。因本類軟件的開發思路是面向操作，素材拍攝取材于實驗室，所有軟件中使用的元器件都直接取材于實驗室，操作過程與實驗室的真實操作近乎一致，通過軟件設置的實驗目的、實驗步驟、實驗要求，能一步步到達實驗的結果，有點“游戲”的感覺，容易激發學生的動手欲望，提高學生參與實驗的興趣。

2. 增加實驗的安全性，同時減少設備的損壞。實驗中，學生因為不熟悉實驗儀器的使用和操作步驟，操作的安全性時常讓老師大傷腦筋，也造成了大量設備的損壞。例如在“多用電表的使用”的實驗中，不少學生對多用電表的使用原理不甚了解，對測量要求不明確，拿到多用電表就到處去測，也不管當時用的是什么檔位，實驗課上險象環生。一堂學生實驗課結束，很多學生還不知道如何進行歐姆調零，多用電表則報廢了不少臺，使實驗教學效果大大降低。而利用模擬實驗，先操作模擬多用電表，了解多用電表功能和讀數方法以及電表的操作要求，然后再做真實實驗便能得心應手了。

3. 模擬實驗過程具有可控性。為了便于對實驗的理解和回顧，有時我們希望在分析實驗時可以任意暫停、放大觀察或放慢鏡觀察等，而真實實驗是不可能實現這些要求的，然利用計算機模擬實驗，就能達到這樣的效果。例如做彈性碰撞實驗時，可利用慢鏡動畫，展現碰撞的全過程，使學生對實驗的感觀效果更強烈。

4. 可以突破實驗室限制進行操作模擬實驗。一些在物理學發展史上有著重大意義的物理實驗，因實驗室條件限制而無法重現。例如“卡文迪許的扭秤實驗”、“發射火箭和天體運動”實驗等，教學中只能靠講解與圖片來描述，對學生的說服力不強。如果利用計算機來模擬實驗的過程，則不僅可以生動形象地重現當時的實驗環境，還能夠讓學生感受到科學家的探索、創新精神，體會科學的本質，激發學生的學習興趣和求知欲。

5. 實現實驗的預習功能及對實驗進行重復操作和復習。學生每一次在實驗室操作完后，很難再現同樣的實驗現場，當學生對實驗產生疑問或想要復習實驗時，重新再做的可能性很小。而通過模擬實驗和人機對話，學生可以多次操作，既能克服因實驗失敗造成的恐懼，又有助于學生回憶起真實實驗的操作過程，使實驗教學效果更加鞏固。

6. 突破時空限制，把實驗室帶回家。計算機模擬物理實驗使用靈活，受時間空間的影響很小。我們可以把模擬實驗存放到網絡服務器上，形成開放式的資源庫，學生登陸資源庫就能方便地下載、操作、提交問題和在論壇上進行交流討論。

實驗操作模擬軟件的開發思路和案例

以面向實驗操作模擬的軟件開發思路是以高中物理實驗手冊（以下簡稱手冊）為藍本，開發環節分為：實驗目的、實驗儀器、實驗原理、實驗步驟、實驗過程、數據和誤差分析、討論交流。下面以《驗證牛頓第二定律》實驗開發（以下簡稱為本實驗）為例，簡要說明開發的基本過程。

1． 實驗目的的確定：依據本實驗的手冊確定為驗證牛頓第二定律。

2． 實驗儀器的認識和元件的采集：從實驗室拍攝與本實驗相關的儀器設備的現場照片，在實驗中如果該儀器是需要操作或者是要讀數的，則必須把儀器拆散，拍攝每一個能活動的組件以備后期制作軟件所需（如上頁圖1示例）。在軟件制作時，用鼠標移動熱點的形式標明每件儀器設備的名稱、功能用途、使用條件等，方便學生了解。

3． 實驗原理的掌握：依據本實驗的手冊，在軟件開發時用文本解析本實驗的原理，并繪制實驗原理示意圖。

4． 實驗步驟的了解：參照本實驗手冊的實驗步驟，先以文本的形式展現給學生，讓學生對實驗的進程作完整的了解。

5． 實驗操作的模擬：軟件的開發以本實驗手冊的實驗步驟為腳本，軟件在操作進程上的設計則按照實驗的步驟順序進行，要求能順利組裝好所有設備。實驗中最關鍵的步驟要在軟件中作提示，并作為實驗通過的必要條件，否則實驗不能進入下一步。（例如本實驗在平衡摩擦力步驟，就會要求學生能反復試驗墊好木塊，以使小車勻速運動才能進行下一步。）這樣可以在模擬實驗階段強化并消除學生在真實實驗操作時常常忽略的操作和常犯的一些步驟性錯誤。在模擬實驗過程中需要測量的數據提供，如模擬直尺、模擬放大鏡等的工具，對于設備需要讀取的數據，也要能直觀地進行讀取，同時在軟件中要把得到的所有數據進行變量儲存，以備在數據分析階段使用。（例如本實驗所用紙帶的打點結果圖象，要保留至數據分析時能夠調用，實現數據的傳遞。紙帶上計數點間的間距，用模擬直尺來測量，測得的數據填入表格并儲存進變量中，以備在數據分析過程中求加速度時調用等。）

6． 數據和誤差分析：按照本實驗手冊的數據處理要求，調用在模擬實驗中得到的數據進行計算處理，求出對應的加速度，用F=ma驗證結果。同時分析數據計算結果與理論結果的差距，找出誤差原因，并依據實驗原理在誤差范圍內對比得出實驗結論。

7． 討論交流：同學們可以把做實驗的心情、實驗過程的成敗等發布到論壇上，隨時回顧，互相交流。

做好物理實驗是學習物理之本，我們開發組在面向學生物理實驗操作模擬的軟件開發上的嘗試有了些成果，在軟件使用中給學生帶來的是更多實驗成功的感受和對實驗的自信，達到了開發這類模擬實驗軟件的初衷。

（作者單位：廣東增城市新塘中學）

責任編輯 鄒韻文