计算机仿真物理实验教学的探讨

[摘要]简要阐述计算机仿真物理实验在实验教学中的优势,并对计算机仿真实验在教学中的应用进行探索。

[关键词]物理实验 计算机仿真 实验教学

中图分类号:G43文献标识码:A文章编号:1671-7597(2009)0910148-01

实验是教学过程中的一个重要环节,很多学校都把实验教学和实验室建设放在首要位置上,然而,由于受到经费、场地和设备等的限制,实验教学并不能达到预期的效果,实验教学的质量令人担忧。一些耗资大的实验许多学校不能开设,学生只能通过课堂上老师的讲述对实验仪器及实验操作进行想象,缺乏实际操作经验。另外随着现在学生数量的增多,许多实验受到教室和课时的限制,在规定的时间内学生无法真正完成实验,造成实验课走过场的现象。由于传统实验教学存在的这些弊端,实验教学必须改革以适应现代教育的发展。当今快速发展的计算机技术为这一要求提供了途径。

一、计算机仿真物理实验概述

物理实验教学主要是由学生对仪器的实际操作、观察、测量等过程完成的。因此,对物理实验的仿真需要达到良好的仿真性、实时交互性、可设计性等。而各种计算机虚拟技术正是实现这一要求的有效手段。

计算机仿真物理实验是利用计算机创建一个可视化的实验操作环境,其中的每一个可视化仿真物体代表一种实验仪器或设备,通过操作这些虚拟的实验仪器或设备,即可进行各种实验,达到与真实实验相一致的教学要求和目的,它是虚拟仿真技术、计算机技术和专业理论知识多方面结合的结晶。各种仿真实验一般具有以下两个基本特点:

1.仿真性。实验环境和实验仪器具有高度真实感,学生在计算机上进行操作如同置身于真实的实验环境,对真实的实验仪器进行操作。

2.交互性。仿真实验使实验变成学生与计算机的双向交流,学生利用鼠标或键盘可以自由对仪器进行操作,自由选择实验内容和实验进程等,可极大限度地调动学生的学习积极性。

二、计算机仿真实验在物理实验教学中的优势

(一)计算机仿真物理实验的运用改变了传统的实验教学模式,推进实验教学向科学化、现代化方向发展。在传统实验教学过程中,学生在很大程度上是处于被动地位。对于一些复杂的实验,通过老师的讲述和学生有限时间的操作,学生很难将实验仪器及实验过程完全弄清楚,更谈不上对实验进行发挥、创造和运用,因此传统的实验教学受时间和空间的限制比较大。另外传统的实验教学模式缺少对学生学习兴趣的激励,实验效果大打折扣。仿真实验将实验室搬上了计算机,学生通过操作鼠标和键盘能够了解实验仪器、实验原理、实验内容,进行实验操作,观察实验现象,收集数据,分析数据,得出结论等,其实验效果等同于甚至优于在真实环境中所取得的效果。图文并茂的仿真实验界面和较好的人机交互能力又能极大地调动学生的学习兴趣,提高学习效率。当学校的网络虚拟实验室建好后,学生可随时通过校园网进入虚拟实验室进行实验操作,这样就使得学生上实验课非常方便,不再受时间和空间的限制。

(二)计算机仿真物理实验能节省实验经费,保证了实验的项目和数量。有些实验,特别是近代的一些实验,耗资大,实验仪器昂贵,操作复杂,很多学校没有能力开设,而往往这些实验与当前先进的科学技术密切关联,是需要学生去亲眼观察,亲手实践的。由于经费的原因不能开设,的确非常遗憾。利用先进的计算机仿真技术可以弥补这方面的不足。如今人们不仅能利用仿真技术模拟出各种各样实验仪器的三维图形,还能让仿真实验的操作者对仪器的关键部位进行拆除,内部部件进行解剖,在实验过程中实时观察仪器的各种指标和实验现象。制作出来的虚拟仪器和仿真实验能够达到与真实实验类似的效果。有了计算机和好的实验仿真软件,那些耗资大的实验同样可以开设,从而保证了实验的项目和数量。

(三)计算机仿真物理实验与传统实验教学相结合能大大提高实验教学质量。仿真实验能弥补传统实验教学的不足,具有许多优点,但不能将实验教学完全建立在仿真实验的基础上,因为仿真实验毕竟也有自己的缺陷,比如完全用仿真实验来进行实验教学会淡化学生对真实仪器的感受,影响他们的实验技能。最理想的情况是仿真实验与传统实验相结合,可以先用仿真实验进行预习,熟悉实验仪器、实验原理、内容和实验操作,等对实验有一定感性认识后再进行实际操作,课后学生也可用仿真实验系统对该实验进行复习,这样不仅可以加深学生对该实验的理解,提高实验质量,也能提高实验效率。

三、计算机仿真物理实验可以拓宽实验内容和进行实验考核

物理实验受实验环境和实验条件的制约,对于某项实验只能根据实验仪器选定实验内容和实验方法,其它实验内容则难以开出,其它实验方法则无法实现。利用计算机仿真实验软件,无须购买新设备,即可开出一些原来无法开出的实验内容,实现其它实验方法和手段,如:《重力加速度》实验,利用实验室现有的实验装置,只能开出《单摆测重力加速度》,利用仿真实验可开出《自由落体法测重力加速度》和《开特摆测重力加速度》,弥补了实验条件的不足,拓宽了实验内容。

在实验教学的考核方式上,传统的抽签选定实验项目,现场操作评分方式,实验项目难易程度不均,偶然性、随机性大,教师准备实验仪器、配件工作量很大,而且烦琐,所以难以坚持下去。利用仿真实验软件,既可用实验习题库、试题库进行实验原理部分的考试,也可统一选定一两个仿真实验项目进行实验数据的测量,评定学生对实验的掌握程度,可减轻教师的烦琐劳动,搞好实验课的考核工作。

四、计算机仿真物理实验可以实现可视化实时交互

物理实验教学强调学生实际动手操作,物理实验的计算机辅助教学必须实现对仪器操作的模拟,让学生能实际动手操作逼真的虚拟仪器。物理仿真实验教学系统即实现了良好的可视化实时交互功能,将虚拟场景与各虚拟仪器有机的结合起来。虚拟场景控制各虚拟仪器,它们紧密结合,协调工作,实时响应学生的操作。学生看到的虚拟场景与仪器均有逼真的外观;各仪器部件能被任意操作,且结果在虚拟仪器上被实时反映出来,整个实验过程具有强烈的真实感。

总之,通过计算机仿真实验教学,把计算机技术引入实验教学中,改革了传统的教学手段,扩大学生的知识面,开阔视野,受到学生的普遍欢迎。通过仿真实验软件的二次开发,为进行开放式实验教学创造较好的条件。随着仿真实验软件的不断丰富完善,应用推广,有力促进物理实验教学的发展和改革。

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作者简介:

王劲松,潍坊学院物理与电子科学系,讲师。