计算机模拟实验在物理实验课堂上的应用

秦立山

（盐城幼儿师范高等专科学校，江苏 盐城 224005）

1 应用计算机模拟物理实验的必要性和实效性

一直以来，实验教学都是高校教学的薄弱环节。国家教委曾指出，我国的科学技术，尤其是实验技术，距离国际先进水平还有很大一段距离，各高校应重点加强实验教学。物理实验有利于培养大学生的动手能力、空间想象力，是大学物理教学必不可少的环节。如果可以对学生进行系统、有效的实验培训，那么一定可以从整体上提升我国的实验水平，缩小与国际先进实验水平的差距。

我国物理实验的现状不容乐观，主要有以下几方面原因：第一，教师的讲授方式缺乏新意，无法激发学生的学习兴趣，学生的主观能动性得不到有效发挥。在整个实验过程中，为避免不必要的麻烦，教师往往不会要求学生主动参与实验思路的设计、方案的拟定和器材的选择，而是让学生被动地重复着自己的实验操作，直到熟练为止。无疑，这是在扼杀学生的空间想象力，学生的实践能力和创新能力得不到有效培养。第二，大多数学生在进入高校之前，并没有接受过系统的物理实验学习，并不熟悉一些新型仪器，在实验的过程中，很容易损坏实验设备或者错误地使用设备等。第三，受高校扩招的影响，学生人数增多，加之实验学时数有限，实验场地较小，进而导致实验效果较差。

但是，随着计算机技术的进步与发展，物理实验教学迎来了新的发展契机，原本需要借助硬件才能完成的实验，现在可以依靠计算机“虚拟仪器设备”来完成。虽然是模拟实验，但是整个实验过程极其逼真，依然可以进行相应的物理参数测定和操作练习，学生也能真正地参与其中。与常规实验相比，计算机模拟物理实验具备以下几大优势：第一，突破空间限制。在传统的实验教学中，学生无法观察分子、原子等微观物质的运动，难以想象相应的物理过程。但是，通过计算机模拟实验，学生可以清晰地观察到微观物质发生反应的全过程，建立感性认识，从而更好地学习相应的实验知识与技能。第二，突破时间限制。有一些物理实验相对复杂，需要花费很长的时间，实验教学时长相对有限，显然无法满足常规实验的进行，而计算机模拟实验很好地弥补了这一点，既可以合理地控制展示时间，又可以利用按键控制程序将动态过程定格于某一节点，以方便学生观看、教师讲解。第三，弥补了物理实验设备的不足。由于物理实验课堂缺乏必备的实验设备，物理教师一般会选择手工绘制方框图、电路图、气路图和仪器工作原理图，然后再对其进行讲解，这会消耗大量的课堂时间。事实上，只要导入计算机模拟实验，便可以建立逼真的模拟物理实验过程，让复杂问题简单化，从而激发学生的学习热情。与此同时，模拟实验不会损耗器材，实验成本相对较低，且很大程度地弥补了一些仪器设备内部结构和原理不直观的缺憾。第四，直观性强。在传统教学中导入现代化教育手段，直观性和代入感强，教师与学生可以很好地进行互动，利于营造生动活泼、轻松愉快的教学氛围。模拟物理实验是实验手段、视角和内容的创新，符合学生的认知规律和心理特点，有利于突破教材的重难点，激发学生思维，培养学生的实践能力和动手能力。

2 计算机模拟在物理实验中的应用范围

计算机模拟在物理实验中的应用范围越来越广，主要涉及以下几方面：第一，精准地测量时间。如在进行油滴实验时，学生在单片机上安装定时器接口，便可以精准地测量并记录油滴的时间。第二，精准地计数。在完成电路配接之后，学生可以遵循一定程序，利用计算机处理脉冲，并由计算机进行智能计算。第三，测量电量。电量与非电量的转化特别频繁，学生可以利用计算机技术处理数字信号。第四，记录瞬态过程。常规实验难以研究一些非周期过程，学生可以通过记录、采样高速瞬态等方式研究非周期过程，并通过计算机方式详细地分析、研究，并且记录结果。第五，分析实验结果。计算机技术具备较强的逻辑运算能力、数字处理能力，可以准确地分析结果的最大值、最小值，准确地记录周期信号频率，从而得出微积分。第六，合理地控制实验过程。计算机技术可以按照预设的程序控制数字量输出信号，然后通过接口电路、数模转换器等，有效地控制实验过程，从而最大限度地减小手动测量误差和人为误差。第七，计算机模拟实验可以让学生、教师等实验操作人员尽可能地远离强电磁场、放射源等对人体有害的区域。

3 计算机模拟实验在物理实验课堂上的应用

3.1 利用计算机仿真模拟物理实验培养学生观察、思维和记忆能力

第一，开放远程教学，改善预习质量。在整个物理实验的学习过程中，预习是必不可少的环节。通常，学生会通过阅览教材的方式来提前熟悉实验原理、实验仪器和实验内容，但是，这种方式的预习效果和效率相对偏低，学生很难通过生涩难懂的专业术语了解实验内容，也无法对实验流程进行合理预设。如果可以采用CAI课件，开展计算机模拟物理实验的远程教学，让学生通过教师录制的网络视频进行有针对性的预习，那么学生便可以在正式实验之前对实验内容有大概的了解，以便于更好地进行实验操作。

第二，模拟实验原理，向学生传递物理实验本质。一方面，大学物理的大多数实验原理都较为抽象，传统的实验教学很难帮助学生对其进行理解。如果教师可以在课堂中导入计算机模拟实验，将实验原理全面地呈现在学生面前，可以很大程度地减少学生的困惑。如在进行分光计测玻璃棱镜的折射率这一实验时，最为棘手的地方就在于如何找到最小偏向的位置。尽管教师会反复地强调正确的寻找方法，但是很多学生依然会找错位置。因此，教师可以利用计算机模拟功能将光通过三棱镜折射的整个过程呈现出来，并将狭缝的像随着载物台的转动而运动的状态呈现出来，以帮助学生正确地寻找最小偏向角的位置。这种具有直观性、形象性的模拟实验有利于帮助学生预习新的知识、温习旧的知识，建立感性认识，对实验过程进行细致的观察和记录。另一方面，现在市面上的实验仪器多为现成的商品仪，如霍尔效应测试仪、霍尔效应实验仪等，大多不符合教学要求下的敞开式仪器，学生对实验仪器的内部结构、实验线路一无所知。因此，教师可以利用计算机模拟功能对实验仪器进行拆装、解剖等，以帮助学生深入了解实验仪器的内部构造。

3.2 利用计算机辅助教学进行实验提高实验教学质量

大学物理实验教学的目标是培养学生的实践能力、思维能力，但是，传统的物理实验教学始终无法实现这一教学目标，究其原因，最为关键的地方在于学生没有用严肃、认真的态度对待实验。他们只是在不断地模仿着教师的实验步骤，如果遇到不懂的地方，就直接跳过，很少有学生愿意主动地发现问题、提出问题、解决问题，甚至有一些学生为了达到实验结果拼凑数据，无疑，这样的实验态度和实验方法是不可取的，学生很难实现真正的进步。因此，教师应对自身的实验教学方法做出适当的调整，积极地导入计算机模拟实验，利用计算机的模拟功能和交互功能实施分组教学，让学生分组进行实验，并对他们进行分组考察，弥补传统实验教学的一些弊端。如在测电源电动势时，教师可以通过计算机的模拟功能提前为学生呈现短路电流造成的严重后果，以避免学生出错。当然，教师还可以利用计算机的模拟功能向学生呈现器材的组装、接线、测量仪器的读数等重要步骤，然后让学生模拟操作，并通过计算机的交互功能检查学生对实验原理的实际理解程度。此外，计算机具有强大的数据处理和绘图功能，学生仅需要掌握必要的绘图技巧，便可以快速地绘制图线。

3.3 利用计算机辅助教学演示物理实验激发学生的实验兴趣

大学物理实验是以实验为核心的自然科学，实验是帮助学生收获感性认识和理性认识的基本途径之一。但是，并不是每一个实验演示都是成功的，整个实验过程具有很多不确定性。实验现象发生时间过于短暂、实验危险性太大、实验仪器太昂贵，这些都会造成常规的实验教学无法正常开展。因此，充分发挥计算机模拟实验的辅助教学作用显得格外重要。教师可以利用计算机辅助教学软件的强大模拟功能、动画功能以及大屏幕显示器、液晶投影仪等外部设备，为学生创设一个轻松、有趣的学习情景，采用多样化的方式向学生呈现难以表现、难以再现、危险性大或可见度低的实验，以增加学生的学习趣味，提升实验教学的整体效果。譬如，教师可以采用微观放大的手段来模拟物体的微小形变、波的传播、原子弹爆炸现象等；用宏观缩小的手段来模拟日食和月食的形成、人造卫星的运行、同步卫星的定点等；还可以采用“慢镜头”来模拟平抛运动、碰撞过程中的形变和恢复等。这些模拟过程画面清晰，且可以进行多次回放、暂停和倍速播放，既可以帮助学生快速地建立某一实验的整体构架，又可以突出本次实验的重难点，还可以激发学生的实验兴趣。

4 结论与评价

大学物理模拟实验教学具有传统实验教学所不具备的诸多优势，但是，这并不意味着计算机模拟实验教学可以取代传统实验教学的地位，计算机模拟实验教学仅是实验教学的重要组成部分，发挥着辅助教学的作用。同时，随着教学实践的深入，计算机模拟实验教学也暴露出了一些问题，需要广大的大学物理教育工作者对此做出积极的改进与创新。