仿真實驗

仿真與大學物理實驗

作者：杜軍

來源：《科技創新導報》2011年第10期

杜軍

(天津職業技術師范大學天津300222)

摘要:本文分析目前實驗教學現狀、闡述了發展教育技術,營造多元化教學模式的必要性,

并且具體闡述了大學物理仿真實驗教學的作用及效果,說明仿真實驗與實物實驗的辨證關系。

關鍵詞:仿真實驗實物實驗作用與關系

中圖分類號:G712文獻標識碼:A文章編號:1674-

098X(2011)04(a)-0233-01

引言

計算機技術和網絡通信的高速發展,使當今社會進入了知識經濟的信息時代,教育將作為這

個時代發展的重要支柱,受到社會各領域及各國政府的普遍關注和重視。20世紀80年代出現了

CAI,90年代又出現了網絡教育,二者結合已成為當前教學手段的主要內容。它將形成一個嶄新

的教學環境,使教育打破各種限制,發生深刻的變化,但這種教學的更新是依靠具體的教學媒體創

新來實現的。大學物理仿真實驗就是一個具有代表性的創新媒體,它利用軟件虛擬儀器,建立虛

擬實驗環境。學習者可以在這種環境中操作儀器模擬真實的實驗過程,達到學生動手能力、學習

實驗技能、深化理解物理知識的目的。針對實驗教學中的一些問題,利用計算機進行仿真,能較

好預習實驗,完成實驗,復習實驗。是一種非常有效的教學手段。因此,仿真在實驗教學中起者非

常重要的作用。

1物理實驗教學的現狀

大學物理實驗的總體現狀,從宏觀來看,缺乏創新教育的底蘊,無法滿足知識經濟的需求,缺

乏信息時代與學習化社會的特征。從自身微觀結構來看:現行實驗課程體系仍然缺乏靈活性、綜

合性、與超前性,缺乏研究性設計性內容,沒有人性化教與學的時間與空間。具體而言,大學物理

實驗教學中仍然存在著以下問題;重單純的知識傳授而忽視獲取新知識能力的培養;教學內容納

陳守舊而缺乏積極的推陳出新;灌輸知識為主要傾向而不是營造積極學習的個性環境,主觀與客

觀上都缺乏運用現代媒體的習慣。大學物理實驗要跟上信息時代的步伐,必須進行實驗的現代化

改革,必須將現代化信息教育技術的理念與手段運用到大學物理實驗中來,其必要性與迫切性是

顯而易見的。

2仿真實驗在教學中的作用

物理實驗教學,在學生科學素質、創新能力培養方面,起著非常重要的作用,是理論教學所不

能替代的。但是實驗教學質量的提高,長期受到各種物質經濟條件的困擾,很多實驗因為耗資過

大,儀器昂貴無法開設。而仿真實驗系統能營造一個虛擬的實驗環境使無法開設的實驗得以開設,

使未做過實驗的學生通過仿真實驗對整體環境、所用儀器的整體結構建立起直觀的認識。儀器

的關鍵部位可拆卸,可解剖進行調整并實時觀察儀器的各種指標和內部結構的動作,增強了熟悉

儀器功能和使用方法的訓練。

在實驗中儀器實現了模塊化,學生可對提供的儀器進行選擇和組合,用不同的方法完成同一

實驗目標,培養學生的設計思考能力和對不同實驗方法的好壞、誤差大小的比較、判斷能力。

仿真實驗通過實驗解剖教學過程,體現教學思想的指導,使學生必須在理解的基礎上認真思

考才能正確操作,克服了實際實驗中出現的盲目操作和實驗走過場的現象,使學生切實受益,大大

提高了物理實驗教學的質量和水平。

對實驗的相關理論進行了演示和講解,使仿真實驗成為連接理論教學和實驗教學,培養學生

理論與實踐相結合思維的一種嶄新教學模式。實驗中待測的物理量可以隨機產生,以適應同時實

驗的不同學生和同一學生的不同次操作。對實驗誤差也進行了模擬,以評價實驗質量的優良。仿

真實驗系統所提供的信息比實際系統豐富得多。對仿真實驗,由于是在仿真環境下進行,不怕誤

操作而引起的設備損壞,對實驗者的壓力減小,因此學生們就更敢于動手。由于軟件的靈活性和

資源的豐富性,更有利于實驗者自主開發實驗,因而更有利于培養學生的創新思維和創造能力。

此外,仿真實驗的更新換代容易,能夠保證實驗的先進性,能給學生們一個清晰、形象的感性認識,

也能彌補一些昂貴實驗儀器的不足。隨著網絡技術的不斷發展,仿真實驗應用于網絡教學,便于

學生業余學習與資源共享。

對于一些大型儀器或實驗難度高的實驗,先利用仿真實驗進行預習,對實驗的原理、儀器的

功能和調節方法掌握后再進行實物實驗,這樣大大縮短了做實驗的時間學生通過仿真實驗后,有

了一個整體的認識,做實物實驗時會感到胸有成竹,進行起來很輕松。這樣大大提高了實驗教學

的質量和效率。減輕了學生學習的負擔,激發了學生創新熱情,增強了他們將來自覺應用高科技

去解決科學研究和生產中的各種實際問題的意識。

做為一個開放的實驗室,仿真實驗打破了時間和空間的局限。學生可在課外繼續實驗亦可以

通過網絡在任何地點自學。這也利于學生根據自己的興趣選擇實驗,可滿足不同層次學生的需求。

此外,還可以進行人機對話,極大的調動了學生學習的積極性。

3仿真實驗與實物實驗的辯證關系

雖然仿真實驗既有利于教師的教,也有助于學生的學,但它仍是有一定的局限性。仿真實驗

新穎有趣,但與實物實驗仍有距離感,因此不能用計算機仿真實驗完全代替實物實驗。仿真實驗

應定位于實驗教學方法的一種補充,仿真實驗減少了學生應對突發事件的機會。在實物實驗中遇

到儀器方面故障等突發問題,使學生遇到困難,這樣可增加他們克服困難的訓練機會,提高學生解

決困難的能力。而仿真實驗條件相對比較理想,減少了學生應對突發事件、排除故障的機會。又

由于仿真實驗中的儀器相對比較精確,也使學生無法通過實驗數據處理、誤差分析這一環節訓練

來體驗、分析來源于儀器和操作者等產生誤差的主要原因,減少了學生對整個實驗過程的反思及

尋找可用的經驗和過失的機會。

雖然仿真實驗不可能完全取代實物實驗,但它在我國的教育、科研等許多領域發揮著極其重

要的作用。仿真教學的崛起和發展是信息時代在教育領域的反映,它引起了教育界的廣泛關注。

隨著網絡的發展,仿真實驗將具有廣泛的發展前途。

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