CAI仿真在高职院校普通物理实验中的应用

杨学清 房淑芬

[摘要]文章针对普通物理实验的特点，探讨采用CAI仿真实验教学的新思路，讲述了将计算机辅助教学CAI渗入普物实验后的良好效果：不但能完成对学生实验技能的训练，又能克服高职教育中基础学科学时减少内容全面的矛盾，也能极大地提高学生实验的兴趣。

[关键词]物理实验：CAI仿真；杨氏模量

[中图分类号]G40—057

[文献标识码]A

[论文编号]1009—8097(2009)13—0312—02

从CAI仿真技术入手，由传统的学生实际操作实验改为CAI仿真普通物理实验，不但能完成所有大纲要求的教学内容，而且课时大大缩减，符合高职高专院校“基础理论够用”、“应用为主”的教学原则。

1CAI仿真简介

CAI被广泛译为“计算机辅助教学”，目前已基本得到教育界的认可。但从目前的实践来看，“计算机辅助教学”的范围远远大于英语中CAI(Computer Assited Instruction)的本义，而随着现代教育技术的不断深化，这一领域的概念的内涵和外延还在发生着变化。CAI一般可由计算机硬件、系统软件和CAI仿真软件三部分组成。

(1)系统硬件(略)

(2)系统软件包括操作系统、语言处理系统、各种工具软件和写作系统。工具软件是指为了帮助和支持CAI仿真软件的开发，提高CAI仿真软件的质量，完成某种特定功能的专用软件，如文字处理工具、表格处理工具、图形处理工具和动画制作工具等。

(3)CAI仿真软件它是教师或程序设计人员根据实验教学要求，用计算机语言或软件写作系统编制的实验教学应用软件。软件反映了整个实验过程。在现代课堂教学改革实践过程中，CAI仿真辅助普通物理实验教学能化抽象为形象、化微观为宏观、化静态为动态、化不可操作为可操作过程。是CAI仿真又一个应用的拓展，也是普物实验教学改革的一个很好的尝试。

2CAI仿真普通物理实验教学的可行性

作为高科技的多媒体和计算机网络已经被作为一种新型的教学手段和教学方法引入教育领域。知识的高速更新和总量骤增对教育提出了新的要求，即：使学生在最短的时间内接受更多更新的知识，同时提升他们的发展潜质。多媒体CAI的出现，使教学信息更丰富，教学模式更多样。

普物理实验教学必须坚持以下几个原则：

(1)理论联系实际的原则。突出普物实验的实际应用价值，激发学生兴趣和培养学生实践动手能力。

(2)传授知识和发展潜能统一的原则。传授知识立足于发展能力，发展能力寓于传授知识之中。

(3)启发式原则。充分发挥学生的积极性和自觉性，培养学生的独立能力和自信心。

(4)直观性原则。充分利用学生感觉，使感官形成知觉，再进入意识。

(5)巩固性原则，“温故而知新”，知识的巩固有助于新知识的摄取。

(6)统一性和因材施教相结合原则。因循学生个性差异，在统一教学大纲的要求下，因材施教。CAI教学手段能最大限度的满足以上各项原则，可以应用于普物实验教学，另外由于CAI教学的系统化趋势，更有利于实验教学的持续发展。

3CAI仿真普通物理实验教学的具体方法

(1)实验题目级别化

将普通物理实验题目划分为：基础性实验、综合性实验、设计性实验、科学小实验等，形成从低到高、从基础到前沿、从传授知识到培养综合能力，逐级提高的一、二、三级基础物理实验课程体系。每一级物理实验大致用一个学期的时间完成，不同的级标志着不同实验技能和科学思维水平。使学生从较高起点上进入大学物理实验，一个台阶、一个台阶地走向科学的高峰。在课程安排上一级物理面向全校各学科专业学生开课，二、三级物理实验对理工类专业开课，第四级物理实验为物理类各专业学生选修。

(2)具体实验模拟仿真化

物理仿真CAI：是把自然的物体显示在计算机上屏幕上，给学生一个使用了解他的机会。典型的物理仿真CAI对象是学生必须会操作的某种机器，或是在实验中要用到的仪器设备。在物理仿真CAI中，可在屏幕上显示简化了的仪表、示波器、电压表、电流表等，学生可以通过操作鼠标来调节仪表，熟悉他们的使用方法。这样给学生一个操作学习仪器仪表的机会，即使是一些贵重设备也不会担心损坏。

过程仿真CAI要求学生按照一定的步骤完成某一物理实验的仿真练习，这时学生需要利用不同的仪器设备，并根据虚拟仪器上显示的工作状态做出相应的操作。这个过程属于过程仿真CAI。它的特点是完成某一任务有很多步骤，每一个步骤有许多个可选的动作。因此针对每一个步骤学生面临许多选择。过程仿真CAI的最终目的就是让学生形成一个合理的动作序列。在过程仿真CAI中，可以让学生熟悉实验的方法和步骤。适合二、三级普通物理实验。

情景仿真CAI是为了处理学生在不同情景中所作所为产生的影响。在情景仿真CAI中，学生可以对虚拟实物施加影响。以观察他们的变化。甚至学生可参与到情景中，成为仿真整体的一部分。这样学生可获得直接的感觉经验从而在概念上形成正确的认识。在此仿真情景中的物体按照特定的物理定律而动作。学生可对虚拟情景中的物体施加影响，观察他们的变化。例如在“杨氏模量的测定”计算机模拟出虚拟的实验情景。学生可以向钢丝下的托盘里增加或减少砝码，钢丝做相应拉长和缩短的变化因此情景仿真CAI可使学生直观的观察到物理现象所体现的物理规律。进而能预测出各种因素对物理现象的影响物理现象是怎样影响物理规律的，并用这些规律解释物理现象。

进程仿真CAI在仿真开始前有学生选定一些参数的值，然后不加干预的观察进程的变化，这里所说的进程指事物的变化过程。例如“斜抛运动”的仿真CAI中，学生可以选择物体的速率、抛射角、质量等参数。然后计算机自动模拟出整个斜抛运动的过程。学生可以观察物体运动的过程和轨迹。以及各参数对斜抛运动的影响。

4CAI仿真普通物理实验教学的特点

(1)课时减少

所有CAI仿真普通物理实验教学，整个过程是实际学生实验学时的一半时间不到，大大节省学时，同时又完成了教学大纲的所有内容，非常适合高职院校此类基础课程的课时要求。

(2)检测学生掌握知识的情况

因为CAI仿真软件采用人机对话的方式，对学生的每次操作都要计分。比如我们将电磁学实验做一个软件，检测一下学习结果，教师查阅一下软件记录即可知道每个学生的学习情况。这种检测比单纯的考试要有助于学生学习，因为在检测时若签不出还可请求帮助(这时要扣分)，学生又得到一次复习的机会，寓教学于考查之中，因此这种考查是积极的，有助于调动学生的学习积极性。

(3)规范学生的学习行为

CAI仿真软件对学生学习的“强制”性。使用软件，学生必须按软件的程序回答问题，不能跳越，不能“偷懒”，因此可以说具有一定的强制性。不少学生对实验课不重视，

以前我们也采取了不少办法使学生重视实验，例如讲物理学发展史，讲物理实验在物理学建立与发展过程中的重要性，安排考试等等。对那些不努力学习的学生最后只能体现在分数的“制裁”上，以此作为一种督促的手段。尽管如此，对于掌握知识上的缺欠已无法弥补。使用CAI仿真软件教学就不是上述的“马后炮”式的方法了，而是学生必须通过软件的每一步进行学习、检测、记分，不合格者则必须重复直到分数合格为止，这种强制性的信息输入和反馈就不受学习态度的影响，而以掌握知识为最终目标。必须指出，学生对于这种强制并不反感，其原因是人机对话这种方式对学生的学习产生一种挑战的效应。激发学生接受这一挑战并想方设法回答提问。此时，他已不知不觉地走上该软件(实际上是教师)为他规定好了(不得不走)的学习途径。

5CAI仿真普通物理实验教学方法有诸多优点

在普通物理实验教学中运用CAI仿真教学，会产生良好的课堂教学效果。即：

(1)具体问题直观化

有些物理实验过程需要变更速度的快慢，便以详细的观察。采用计算机控制快放或慢放手段，可以通过屏幕清晰地看出每一时间段的物理过程发生、发展、变化的详细过程。

(2)复杂问题简单化

这种教学模式适用一些难度大或者复杂的实验，因为这样的实验在规定的时间内学生很难完成全部的实验内容。不但对实验中使用的方法和应用的原理不易理解，而且对实验中所遇到的问题解决不够恰当，因此这样的实验题目可以采用模拟实验的教学模式，不但避免反复设置参数调试，而且减少了实验周期，同时也防止了学生对难度大复杂性高实验的恐惧心理，提高了实验教学的深度。

(3)实验时间弹性化

学生可以利用业余时间对实验教学内容进行课前预习和课后复习，使教学内容在时间得到延伸，学生能够充分的了解和掌握实验教学内容。

(4)实验空间远程化

开设网上虚拟物理实验，学生可以根据自己的实际情况，在任何地点独立的进行学习。一方面开拓学生的视野，另一方面也为不同程度学生的学习物理实验提供一种学习的环境，同时也培养了学生物理实验的自学能力。提高了实验教学的广度。

实验教学是物理教学的一个重要环节，这里将CAI仿真应用到普通物理实验教学中作了详细描述，但还需要在以后的应用中不断丰富和改进，仅供同行参考。

参考文献

[1]北京化工大学.大学物理实验CAI仿真软件[M].北京：化学工业出版社，2008：30—56

[2]王慧芳.多媒体教学软件的设计和制作[M].北京：电子工业出版社，1997：90—101.

[3]戴忠玲.庸福深.王玮.研制开发大学物理实验CAI仿真软件提高实验教学质量[J].人学物理实验，1997，(I)：2—56.