中学实验教学方式的应用及对比

童有彩

摘要：实验是物理研究的基石，而仅以教学为目的的中学物理实验对于实验技术和实验方法的选择则较为自由，除传统物理实验外，数字技术当前已越来越多的融入物理实验。

关键词：数字实验室；数字仿真技术

传统物理实验是在中学物理教学要求的基础上，结合简易的物理模型，借助简单的实验器材，依照为教学目的而设计的既定方案，但传统实验在实际教学中的应用已逐步显示出几点明显的不足。

第一，实验方案和器材的针对性。传统物理实验方案和器材多数都是针对某部分教学内容而专门设计，常常是就事论事、就题论题，既定的实验步骤和严明操作要求，往往令学生无暇顾及实验原理、方案的科学性和方法的可推广性。

第二，实验操作的不可预知性。限于中学生对复杂物理环境认知的不足，以及各类实验器材的使用和组合的不够熟练，实际操作中常因为极小的设计失误或操作的不当导致无法获得正确的实验结果，从而挫伤实验和思考的积极性，更谈不上自行设计并独立探究物理世界的奇妙。

第三，实验操作的安全性。传统实验牵涉了大量的实验器材和复杂的实验环境，不当的试验设计或实验操作不但容易损坏器材，甚至对人体也能产生伤害，因而完全由学生自行设计并独立探究便显得不够现实。

第四，实验器材的不易获取性。传统实验器材种类繁多，多由学校统一管理，专人维护、调试和安装，鉴于器材和使用者的安全，学生将难以自由获取各类器材来完成自己的试验设计和探究。

鉴于以上各类因素，传统物理实验虽能极好的解释和验证学习中针对性的物理知识，但在素质教育的今天却难以担起科学探究的重任，因而数字技术便应运而生。

随着数字技术、电子传感器技术及系统集成技术的迅速发展，数字实验室近年来在中学课堂中大量涌现。数字实验室是在传统实验的基础上，借助电脑和数字传感器，将物理实验中各类数据或信息通过传感器采集至电脑，通过专用软件的运算后，以数据、图像、动画、视频等方式将实验结果实时呈现，真实的反映了物理过程和现象，直观的揭示物理原理。相对于传统物理实验，数字实验室技术继承了传统实验的几点不足外，更体现了几点明显的优势。

第一，相对于传统测量器材，数字传感器测量精度高，获取数据多，测量结果可通过终端以图表或图像的形式实时呈现。摒弃了传统测量中的读数、估读、测量数据处理等各项环节，降低数据处理难度，便于学生将更多的精力用于物理原理的分析和探究过程的思考。

第二，相对于传统实验结果，数字实验室技术不仅可直接呈现各类测量数据，还可以通过软件控制端使用预定或自行编写的运算方程，实时计算实验结果，同时还可以通过引入复杂物理环境参数的修正，更好的达到实验目的。

第三，借助了大量科学有效的实验器材和运算方法，数字实验室大大降低了学生实验失误的几率，提高了实验效率，并且更易于分析实验结果和误差。

但正是继承了传统实验的大量特点，并在此基础上加入了数字传感器以及电脑技术，除物理知识外，数字实验室还额外的增加了电子、计算机、软件等知识和操作的难度，从而难以大规模推广，更难以让学生短时间学习并使用。

鉴于此，近年来国内外开始逐步出现了一种全新的物理实验技术——数字仿真。数字仿真最初源于欧美航空、航天、汽车、电子等高科技高机密行业。通过机械类仿真软件模拟出飞机的飞行、状态、参数，也可以模拟汽车的撞击实验，还可以通过电子类仿真软件模拟出完整的电路设计并虚拟运行，等等各类仿真系统已成为各类高科技发展的催化剂。而近年来数字仿真技术已开始逐步的进入自然科学类课堂教学。

数字仿真技术是一项复杂的软件工程，借助计算机的高速运算能力，将复杂的各类物理环境和参数集成于软件系统，使用时仅需根据要求设置真实或理想化的物理环境参数，让计算机真实的还原出已知或未知的物理过程和结果。与其他各类物理实验方式相比，数字仿真实验具有了几条突出的优势。

第一，数字仿真实验室除电脑和软件外无需任何其他物理器材，只需一台电脑和配套的仿真系统，便可以随时随地的对各类物理现象加以仿真，极大的方便了学生自行的学习和探究。

第二，软件中能够提供所需的各类虚拟器材和環境，实验时仅需将所需器材和条件逐个拖动和输入以组合出物理实验，可以通过运行仿真过程，可以通过暂停研究状态，还可以软件及时采集数据研究真实环境下的物理过程。

第三，数字仿真实验具有极大的自由度，可自由的个性化设计各类物理情形，不受各类安全因素的影响，即使在违反物理规律或原理的情况下，软件也仅通过报错以指示其不当之处。

诚然，数字仿真系统也有其不足之处。

其一，专业的仿真系统，仿真效果完美，但由于其系统的庞大和复杂，行业的针对性，操作的复杂性，因而不适于正常教学。今年来国内外已开始逐步出现了几种适用于教学的仿真系统，但相对来说种类单一，部分仿真效果差强人意。

其二，数字仿真系统是专为仿真物理环境而开发的物理研究平台，而并非是我们程式化教学所对应的物理实验。虽然可以通过系统逐个的仿真出课本上的每个实验，但部分设计和器材和课本要求大相径庭，如传统实验中的游标卡尺、螺旋测微器、秒表、打点计时器等在仿真系统中仅需使用软件中的测量功能即可。

通过前面的比较，当前有哪几款实验仿真系统适合中学的教学呢？

动力学仿真系统首推来自美国MSC. Software公司的Interactive Physics。该公司是全球领先的虚拟产品开发解决方案供应商，其产品覆盖了工程仿真分析的各个方面，广泛应用与航空航天、国防、机械制造、汽车、船舶、电子、科研机构、大专院校等各个领域，波音、麦道、福特等公司皆为其定向服务厂商，公司具有丰富的仿真平台设计经验及雄厚的技术实力。Interactive Physics 是其专为当前中小学教育定制的物理仿真系统，平台内置了复杂的物理环境，但界面操作简单，易于上手，仿真效果明显，功能强大。

其次是来自英国Crocodile Clips软件公司的Crocodile Physics。该公司专业致力于中学教育仿真类软件的开发，产品涵盖中学数学、物理、化学、工程，其教学仿真系统行销全球35个国家和地区。其主打产品之一的Crocodile Physics是一套综合动力学、电学、光学等综合物理教学平台，该系统操作简单易懂，效果简洁明了，是一款不可多得的物理仿真平台。

鉴于物理实验和演示对物理教学的重要性，在此期望通过本文抛砖引玉以获取更适用于教学的实验和演示的方式，从而便于师生更好的学习探究已知甚至未知的各类物理过程！