浅议动画仿真实验软件在物理实验教学中的应用

☆姚俊

（象山县西周中学，浙江象山 315700）

随着现代教育技术的应用和发展，计算机模拟教学越来越多地进入到学科教学中，尤其是在实验教学领域，计算机模拟技术与学科教学的整合日趋紧密，且成为一个重要的发展趋势。在这种大的教育背景下产生的动画仿真实验软件以其能直观、形象、逼真的模拟真实实验场景而得到众多物理教师的认可，但同时也遭到了很多批评，甚至有人呼吁抵制课堂教学中出现动画模拟实验。笔者认为一种新教学手段的出现并得之推广肯定有它的优越性，如何科学合理应用使之效果最优化才是解决争议的根本所在，下面是笔者就动画仿真软件在物理实验教学中应用的一些看法：

一、动画仿真实验软件的优缺点分析

任何一种教学手段都不可能是完美无缺的，动画仿真教学也不例外，只有分析和把握了动画仿真教学的优缺点，才能充分做到扬长避短与其它教学方法融合。

1.动画仿真教学的优点

其一，直观、形象、逼真，演示效果好。传统物理教学中，涉及到新的物理现象或物理理论的讲解时，教师大多采用课堂演示实验的方式让学生观察实验现象和变化，但是教师在讲台上的操作只有靠近讲桌的很少一部分学生能看到，大多数学生根本看不清楚，尤其是在做一些现象本身变化细微或受外界条件影响比较大的演示实验（如：质谱仪演示带电粒子的偏转）时，课堂演示实验就更暴露出其在视觉观察上的弊端。而采用动画仿真软件按照真实的实验场景和实验现象模拟，通过投影展现到每位学生的面前，一方面使学生观察实验现象更加直观、清晰；另一方面由于每个学生都能参与，使得课堂气氛更加活跃，学生的学习兴趣更加浓厚，掌握知识的欲望更加强烈，从而达到调动学生思维，活跃课堂气氛，提高学生学习主动性的目的。同时动画模拟软件在讲解微观、抽象物理理论时，更有直观、形象、帮助理解的独特作用，比如：微观粒子的碰撞、微观粒子在电磁场中的运动等。

其二，提供实验探究场景，使学生获得成功与失败的体验。皮亚杰的建构主义学习理论认为：只有在学习者仔细思考时才会导致有意义的学习，决定学习的因素主要在与个体和环境的交互作用。在他看来，知识的学习应来源于学生个体的主动构建，教师是学生学习过程中的组织者、指导者而不是灌输者，教师的作用主要是借助教学手段和方法为学生创造一个自主学习的情景，以帮助学生主动学习、协作、探索和完成知识意义建构，这和新课程的理念相一致。新课程理念倡导探究式教学，即学生通过实验探究自主学习，获得成功与失败的体验。但是探究环境如果仅依赖于仪器实验则势必增加课堂教学难度（包括仪器的准备、课堂探究的管理与引导）和不确定性（处理实验过程中出现的突发事件），影响教学安排和进度。利用动画仿真软件则可以很好地解决这个问题。

通过与仿真软件之间的交互性操作，学生能够在不断的尝试中获得正确的知识，体验到成功的喜悦，而这种在摸索中进步的体验在真实实验中却是不可能感受到的，因为物理实验的很多仪器都比较精密，一旦操作错误轻则毁坏仪器，重则危害人生安全，不可能给学生提供一个不断尝试、反复操作的实验环境。

动画仿真软件还有一个优越之处：可以在不接触任何危险的情况下从事危险的实验操作，哪怕这种操作在现实操作中会带来灾难性的后果。这类实验在真实环境中是不敢让学生去体验的，但是通过仿真软件交互性的操作，可以把操作错误时可能出现的情景通过动画和声音再现出来，给学生以震撼，从而让学生获得失败的体验，这种挫折的体验能激发学生的潜能和探究精神，从而进行研究性学习，切实掌握知识。

其三，成本低廉，适用范围广。在农村学校，由于实验设备落后、仪器的缺乏等众多原因，有些实验根本没条件做，比如新课程中提到的用传感器研究力、速度、加速度等一些实验。但是绝大多数学校都有计算机室，只需一台计算机借助动画仿真实验软件学生就可以进行所有实验操作，给学生提供实验探究的物理情境。无须维护、便于操作，使得动画仿真实验软件能够在所有学校得到推广。

2.动画仿真教学的缺点

固然动画仿真软件有很多优点，但是它的缺点也是显而易见的，这些缺点也是它惹来众多争议的主要原因。

其一，场景单一、过于理想化。动画仿真软件具有交互性，即学生进行正确或错误的操作都会触发相对应的事件，以此模拟真实的实验场景。但是软件上出现的场景和现象是人为规定好的，过于单一、理想化，真实实验中同样一个操作可能引起的后果不尽相同，同样一个实验出现的结果也可能会不相同，甚至出现不了预想的实验结果，学生在处理的同时能够锻炼自身的分析、应变能力，这一点动画仿真实验是无法达到的。

其二，结果是人为规定的，难以让人信服。动画仿真软件里面的实验结果是软件设计者一开始就设计好的，只要学生按照规定操作最后都能得到理想的实验结果，然而这个结果并不是在真实情景下得到的，因此，难以让人信服。

其三，难以获得真实的感受与体验。利用动画仿真软件进行物理实验学生只要拖动鼠标就可以轻易完成，一切都是在虚拟中完成，这和真实操作实验仪器给学生带来的真实感受是无法比拟的。学生进行一场实验操作可能掌握了基本知识，但是却难以获得真实操作的感受和体验，这对学生的成长和发展也是不利的。

二、科学安排、合理应用，把动画仿真软件的作用发挥到极限

清楚了动画仿真软件在物理实验中应用的优缺点后，我们就能有的放矢，有针对性的进行应用，把动画仿真软件效能性发挥到最大。

1.应用于抽象物理概念的教学

在高中物理教学中，学生最感困难的就是抽象物理概念的教学，尤其当其中还涉及到一些动态变化过程，这就更需要学生具有很强的想象力，一旦想象不出则立即出现思维障碍，影响后面的物理学习，而这些抽象的物理规律往往又很难用实验仪器来演示。比如：新人教版高中物理选修3－5中关于概率波和不确定性关系的教学，学生最头疼的就是光在衍射时粒子不确定关系式的理解，而借助动画仿真实验软件可以把改变狭缝宽度前后粒子从光源飞出到打在屏上过程的不确定性展现出来，给学生一个直观的感受，帮助其克服思维障碍。

2.辅助仪器实验，弥补仪器实验的不足

在研究物理问题时，我们大多通过实际的物理实验来探究，但是由于实验总是会受到各种环境因素的影响和干扰，使得实验难以达到预想的效果，这时可借助动画仿真实验软件辅助真实实验，达到最佳的教学效果。比如：用质谱仪演示带电粒子的偏转实验，质谱仪发出的淡绿色光本身就不明显，碰到晴天光线较好时基本上看不出，给教学带来很大困扰，如果和动画仿真软件结合起来则可以很好解决这个问题，先用质谱仪演示，留短暂时间让学生靠近观察，然后用软件仿真实验，并通过软件里的磁场改变（或电性改变）观察粒子运动情况，既而探究带电粒子在磁场中的运动规律。

3.替代危险性较高的物理实验

有些物理实验需要在专业部门借助专业仪器才能完成，这些实验对于知识贮备缺乏、经验欠缺的高中生来说无疑具有很大的危险性，而要完成这些方面的知识学习借助动画仿真软件探究是最安全也是最理想的学习方式。例如：核反应（轻核聚变、重核裂变）、导弹运行轨迹分析等，借助计算机软件对这类实验进行仿真模拟，可以为学生提供探究情境，有助于学生重难点的突破，更重要的是可以让学生初步学会计算机仿真这种现代科学研究中的重要研究方法。

4.自主探究能力的培养

动画仿真软件还有利于学生自主探究能力的培养，相对于物理实验室，动画仿真软件实验系统能虚拟物理实验环境，提供一个实验仪器比较完备的综合性实验环境，可以设定各种研究对象和实验环境。学生通过这个虚拟物理实验环境可以模拟物理实验过程并自主进行探究。教学中，可以让学生自己先创设出一个合适的物理模型，然后按照这个模型的要求设定实验环境及有关参数，创建出所需的实验。例如：在研究加速度与力、质量的关系时，我们通过“仿真物理实验室”软件设置了平直轨道（长木板）、小车（研究对象M）、滑轮、砝码（m）等物体，设定了重力场环境，让学生自行模仿实验过程，改变和控制m或M的质量，测定物体的加速度。并根据模拟测量得到的数据进行数据分析，从而总结出质量M与加速度a的关系、外力F与加速度的关系。

相对于实物实验，仿真实验系统还有另一个好处，可以控制实验过程，对过程进行慢放、暂停，方便定量分析。比如：研究平抛运动规律时，常用装置一、装置二（如图1）验证平抛运动在水平方向做匀速直线运动、竖直方向做自由落体运动，但由于小球运动速度过快，只能观察到两球相撞或同时落地瞬间，凭此猜测中间的运动过程。借助动画仿真软件提供的虚拟实验场景可以对两球抛出后的任一瞬间进行暂停或慢放，通过比较它们在水平或者竖直方向的位置关系来探究其水平、竖直方向的运动情况。

图1

5.应用于侧重实验知识的教学

对于实验室有条件进行的物理实验应当尽可能地让学生到实验室自己去做，这样可以使学生对物理知识和实验过程有一个具体的、明确的认识，对研究物理问题的过程与方法有着更深的理解和体会，但这样的实验教学需要耗费大量的时间，对于复习性质的实验教学就不再适用了，并且此时学生已经掌握了基本的实验操作知识，教师要做的主要是使学生回忆起以前的实验操作，这种教学侧重于对实验知识的记忆而非对实验结果的探究，借助动画仿真软件可以在较短的时间内让学生重温实验，达到复习巩固的目的。

科学合理地应用动画仿真实验系统可以弥补传统实验教学的不足，给学生提供一个完善的实验探究环境，为教师提供一种多元化的教学方式。科学的把动画仿真实验系统引入课堂实验教学，合理把虚拟与真实两种实验教学方式加以融合，能够使课堂教学实效得到最大限度的发挥与提高。