數值模擬技術在初中教學中的應用分析

摘 要 本文在分析了初中教學特點的基礎上，提出了將數值模擬技術方法引入到初中自然學科的教學中來，將枯燥無味的自然學科教學與數值模擬技術緊密結合在一起，使初中教學中難以講解清楚的現象直觀地展現在學生面前，激發學生的學習興趣，提高教學效果和質量。

關鍵詞 數值模擬 初中 教學 方法 應用

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A

0 引言

數值模擬技術（Numercial Simulation）也稱為計算機模擬技術，即通過數值計算和圖像顯示方法達到對自然界各類問題研究的目的。數值模擬技術在大學和高中的教學中均已被采用，但在初中教學中尚未見有關報道，那么對于初中教學，數值模擬技術是否具有推廣價值，針對該問題本文以教學實例為基礎探討了數值模擬技術在初中教學中應用的可行性，并以初中化學的制氧氣實驗為例對數值模擬技術的應用進行了實例分析，為同行的教學提供參考。

伴隨著科技的進步，計算機技術得以快速發展，初中教學模式已經由傳統的“黑白配”轉化為信息化教學。初中學生自身具有很強的求知欲，并具備了初步地獨立思考和鉆研的能力，只是缺乏必要的引導。在初中教學中，我們應該如何將目前先進的數值模擬技術引入到我們的初中教學中，并通過這種技術讓初中生對自然科學產生濃厚的興趣，并發掘他們自身的探索能力和激發他們學習的熱情。數值模擬計算在初中教學中的應用，主要在初中物理和初中化學中的應用，筆者曾在初中教學中采用的數值模擬軟件有ANSYS，Flow-3D兩種，并結合Flash軟件進行動畫制作。物理和化學是兩門以實驗為基礎的學科，加強實驗教學，可培養學生的學習興趣而且會使教學通俗易懂。初中物理和化學的課標要求能夠讓學生保持對自然界的好奇，初步領略自然現象的美妙與和諧，具有對科學的求知欲，樂于探索自然現象和日常生活中的道理。新課標要求我們新教師必須具備更廣泛的知識，掌握先進的教學手段，不斷改變傳統的教學模式特別是傳統的教學實驗。

圖1 空泡體積的變化

1 初中課堂教學中的應用例析

對初中生而言，教學實驗是引領他們進入奇妙科學世界的啟明星，實驗現象往往使他們感到好奇，增強他們運用新知識解決問題的信心，讓他們明白知識是無價的，知識可以改變命運。從實驗現象出發，充分調動學生的積極性，大幅度提高教學質量，是當前亟需解決的問題。教學經驗告訴我們，學生并不是對所有的實驗都感興趣，我們采取某些措施改變我們傳統的教學實驗和教學模式。本節以3個例子闡述數值模擬技術在初中教學中的應用。

滬教版初三化學（上）第二章《我們身邊的物質》中第四節“自然界中的水”，為了啟發學生對水的好奇及探索心，我們可以拋開以往對水的介紹，并通過對第二章前三節的學習，我們通過數值模擬技術引入泵葉片吸力面空化的動畫，隨著葉輪進口氣壓的減少，葉片吸力面的氣泡體積不斷變大。圖1是數值模擬的結果。通過這個空化現象，我們可以分析三個問題：物態的變化；氣泡與固體的相互作用；水與氣的重要性，通過動畫，我們不僅可以將化學知識與物理知識交叉介紹，知識本身是個交集，任何的自然現象需要多門學科的知識來解決，讓我們的學生需要學好每門功課和明白知識對以后的學習及生活的幫助很大，而且還可激起學生對學習的興趣，探索自然科學的樂趣。這也滿足了初中生自身強烈的求知欲和探索精神，通過教師的引導，讓他們明白學習是個快樂的過程，是種享受而不是為了分數和父母而學習。

在初中物理第三冊中“自由落體運動”一節，教師們往往通過紙片與金屬球自由落體、紙團與棉花的自由落體，甚至有的教師為了省事，直接就用粉筆和黑板檫做自由落體實驗，這樣的試驗很難激發學生的創造力，因為這樣的實驗過程很快，很難讓學生發現實驗過程中的樂趣。對此，我們在這一節中通過數值模擬技術計算了盛水的碗自由落體的過程，通過動畫我們可以看到水如何從碗中傾瀉出來的每一個細節。圖2給出了滿水碗的自由落體過程及水從碗中傾出的部分過程畫面。這個動畫很逼真形象，擺脫了傳統自由落體物理教學的方式，且更容易激發學生學習的樂趣和思考問題的能力，動畫可以回放，停止，讓學生可以觀看自己感興趣的落體和水傾出的環節。通過這個數值模擬，我們不但可以分析自由落體的現象，還把紙片與金屬球自由落體的現象也包含了進去，還可以分析水如何從碗中傾瀉出來的有趣物理現象。

在初中物理第十二章《運動和力》時，教師們往往通過拍巴掌、吹紙片和劃船等傳統現象來引入這一章，但這些現象過于平常，如今初中生的思維方式和理念已不和七八十年代的學生相同，如今的社會讓初中生接觸了很多信息化的東西，僅通過口述性描述的現象無法激發學生的熱情，如今的初中生要求我們教師必須不斷提高自身的教學水平和知識深度，否則很難滿足學生的知識需求。對于此章的引入，我們通過社會現象，如2011年7月11日江蘇鹽城境內328省道通榆河橋坍塌，2011年7月15日杭州錢江三橋引橋橋面塌落，還有2010年的河南欒川大橋，2009年的湖南株洲高架橋，2007年的湘西鳳凰橋，1999年的重慶綦江彩虹橋等等，這些大橋垮塌的原因是什么，我們可以給學生們進行講述，更重要的是引入力的重要性，力對于人們日常生活的重要性。通過數值模擬技術，我們引入了斜拉索橋的三維數值計算，并將計算結果展示為初中生看，讓學生們直觀地看到大橋在不同荷載條件的變形，圖3給出了斜拉索橋的三維建模圖及3個方向的位移圖。讓學生們明白學好力學可以更好地解決實際工程問題，為人類造福。通過社會現象，基于數值模擬技術將力的知識點在介紹的過程中講述出來，不但可以讓學生感受知識的重要性，更便于開展課堂的互動教學，也符合了新課標的要求。

2 小結

初中生的創造性思維能力隨年齡的增長而提高，因此初中生具有強烈的求知欲和探索精神，興趣廣泛，思維活躍、敏感；喜歡進行豐富、奇特的幻想；喜歡別出心裁和標新立異，表現出強烈的創造欲望。我們可以將日常生活現象中難以通過課堂演示出來的實驗，通過數值模擬技術直觀形象地展現在學生的面前，增加學生的學習熱情和創新性思維能力，改變傳統的填鴨式教學模式，通過實際生產生活的問題告訴學生知識的重要性。筆者在以往的教學中引入了數值模擬技術起到了很好的教學效果，將這個教學經驗介紹給同行們，本文僅以3個教學例子作為出發點，希望起到拋磚引玉的作用，為同行們的教學提供參考。 （下轉第174頁）（上接第128頁）

根據初中教學的要求和初中生的心理特點，如何改進傳統教學方法和引入新的教學手段是值得探討的問題，本文首次將數值模擬技術引入到初中教學中，并經實際教學檢驗收到了較好的教學效果，希望以此為同行的教學手段提供參考。

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