楊學(xué)清 房淑芬

[摘要]文章針對普通物理實驗的特點，探討采用CAI仿真實驗教學(xué)的新思路，講述了將計算機輔助教學(xué)CAI滲入普物實驗后的良好效果：不但能完成對學(xué)生實驗技能的訓(xùn)練，又能克服高職教育中基礎(chǔ)學(xué)科學(xué)時減少內(nèi)容全面的矛盾，也能極大地提高學(xué)生實驗的興趣。

[關(guān)鍵詞]物理實驗：CAI仿真；楊氏模量

[中圖分類號]G40—057

[文獻標識碼]A

[論文編號]1009—8097(2009)13—0312—02

從CAI仿真技術(shù)入手，由傳統(tǒng)的學(xué)生實際操作實驗改為CAI仿真普通物理實驗，不但能完成所有大綱要求的教學(xué)內(nèi)容，而且課時大大縮減，符合高職高專院?！盎A(chǔ)理論夠用”、“應(yīng)用為主”的教學(xué)原則。

1CAI仿真簡介

CAI被廣泛譯為“計算機輔助教學(xué)”，目前已基本得到教育界的認可。但從目前的實踐來看，“計算機輔助教學(xué)”的范圍遠遠大于英語中CAI(Computer Assited Instruction)的本義，而隨著現(xiàn)代教育技術(shù)的不斷深化，這一領(lǐng)域的概念的內(nèi)涵和外延還在發(fā)生著變化。CAI一般可由計算機硬件、系統(tǒng)軟件和CAI仿真軟件三部分組成。

(1)系統(tǒng)硬件(略)

(2)系統(tǒng)軟件包括操作系統(tǒng)、語言處理系統(tǒng)、各種工具軟件和寫作系統(tǒng)。工具軟件是指為了幫助和支持CAI仿真軟件的開發(fā)，提高CAI仿真軟件的質(zhì)量，完成某種特定功能的專用軟件，如文字處理工具、表格處理工具、圖形處理工具和動畫制作工具等。

(3)CAI仿真軟件它是教師或程序設(shè)計人員根據(jù)實驗教學(xué)要求，用計算機語言或軟件寫作系統(tǒng)編制的實驗教學(xué)應(yīng)用軟件。軟件反映了整個實驗過程。在現(xiàn)代課堂教學(xué)改革實踐過程中，CAI仿真輔助普通物理實驗教學(xué)能化抽象為形象、化微觀為宏觀、化靜態(tài)為動態(tài)、化不可操作為可操作過程。是CAI仿真又一個應(yīng)用的拓展，也是普物實驗教學(xué)改革的一個很好的嘗試。

2CAI仿真普通物理實驗教學(xué)的可行性

作為高科技的多媒體和計算機網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)被作為一種新型的教學(xué)手段和教學(xué)方法引入教育領(lǐng)域。知識的高速更新和總量驟增對教育提出了新的要求，即：使學(xué)生在最短的時間內(nèi)接受更多更新的知識，同時提升他們的發(fā)展?jié)撡|(zhì)。多媒體CAI的出現(xiàn)，使教學(xué)信息更豐富，教學(xué)模式更多樣。

普物理實驗教學(xué)必須堅持以下幾個原則：

(1)理論聯(lián)系實際的原則。突出普物實驗的實際應(yīng)用價值，激發(fā)學(xué)生興趣和培養(yǎng)學(xué)生實踐動手能力。

(2)傳授知識和發(fā)展?jié)撃芙y(tǒng)一的原則。傳授知識立足于發(fā)展能力，發(fā)展能力寓于傳授知識之中。

(3)啟發(fā)式原則。充分發(fā)揮學(xué)生的積極性和自覺性，培養(yǎng)學(xué)生的獨立能力和自信心。

(4)直觀性原則。充分利用學(xué)生感覺，使感官形成知覺，再進入意識。

(5)鞏固性原則，“溫故而知新”，知識的鞏固有助于新知識的攝取。

(6)統(tǒng)一性和因材施教相結(jié)合原則。因循學(xué)生個性差異，在統(tǒng)一教學(xué)大綱的要求下，因材施教。CAI教學(xué)手段能最大限度的滿足以上各項原則，可以應(yīng)用于普物實驗教學(xué)，另外由于CAI教學(xué)的系統(tǒng)化趨勢，更有利于實驗教學(xué)的持續(xù)發(fā)展。

3CAI仿真普通物理實驗教學(xué)的具體方法

(1)實驗題目級別化

將普通物理實驗題目劃分為：基礎(chǔ)性實驗、綜合性實驗、設(shè)計性實驗、科學(xué)小實驗等，形成從低到高、從基礎(chǔ)到前沿、從傳授知識到培養(yǎng)綜合能力，逐級提高的一、二、三級基礎(chǔ)物理實驗課程體系。每一級物理實驗大致用一個學(xué)期的時間完成，不同的級標志著不同實驗技能和科學(xué)思維水平。使學(xué)生從較高起點上進入大學(xué)物理實驗，一個臺階、一個臺階地走向科學(xué)的高峰。在課程安排上一級物理面向全校各學(xué)科專業(yè)學(xué)生開課，二、三級物理實驗對理工類專業(yè)開課，第四級物理實驗為物理類各專業(yè)學(xué)生選修。

(2)具體實驗?zāi)M仿真化

物理仿真CAI：是把自然的物體顯示在計算機上屏幕上，給學(xué)生一個使用了解他的機會。典型的物理仿真CAI對象是學(xué)生必須會操作的某種機器，或是在實驗中要用到的儀器設(shè)備。在物理仿真CAI中，可在屏幕上顯示簡化了的儀表、示波器、電壓表、電流表等，學(xué)生可以通過操作鼠標來調(diào)節(jié)儀表，熟悉他們的使用方法。這樣給學(xué)生一個操作學(xué)習儀器儀表的機會，即使是一些貴重設(shè)備也不會擔心損壞。

過程仿真CAI要求學(xué)生按照一定的步驟完成某一物理實驗的仿真練習，這時學(xué)生需要利用不同的儀器設(shè)備，并根據(jù)虛擬儀器上顯示的工作狀態(tài)做出相應(yīng)的操作。這個過程屬于過程仿真CAI。它的特點是完成某一任務(wù)有很多步驟，每一個步驟有許多個可選的動作。因此針對每一個步驟學(xué)生面臨許多選擇。過程仿真CAI的最終目的就是讓學(xué)生形成一個合理的動作序列。在過程仿真CAI中，可以讓學(xué)生熟悉實驗的方法和步驟。適合二、三級普通物理實驗。

情景仿真CAI是為了處理學(xué)生在不同情景中所作所為產(chǎn)生的影響。在情景仿真CAI中，學(xué)生可以對虛擬實物施加影響。以觀察他們的變化。甚至學(xué)生可參與到情景中，成為仿真整體的一部分。這樣學(xué)生可獲得直接的感覺經(jīng)驗從而在概念上形成正確的認識。在此仿真情景中的物體按照特定的物理定律而動作。學(xué)生可對虛擬情景中的物體施加影響，觀察他們的變化。例如在“楊氏模量的測定”計算機模擬出虛擬的實驗情景。學(xué)生可以向鋼絲下的托盤里增加或減少砝碼，鋼絲做相應(yīng)拉長和縮短的變化因此情景仿真CAI可使學(xué)生直觀的觀察到物理現(xiàn)象所體現(xiàn)的物理規(guī)律。進而能預(yù)測出各種因素對物理現(xiàn)象的影響物理現(xiàn)象是怎樣影響物理規(guī)律的，并用這些規(guī)律解釋物理現(xiàn)象。

進程仿真CAI在仿真開始前有學(xué)生選定一些參數(shù)的值，然后不加干預(yù)的觀察進程的變化，這里所說的進程指事物的變化過程。例如“斜拋運動”的仿真CAI中，學(xué)生可以選擇物體的速率、拋射角、質(zhì)量等參數(shù)。然后計算機自動模擬出整個斜拋運動的過程。學(xué)生可以觀察物體運動的過程和軌跡。以及各參數(shù)對斜拋運動的影響。

4CAI仿真普通物理實驗教學(xué)的特點

(1)課時減少

所有CAI仿真普通物理實驗教學(xué)，整個過程是實際學(xué)生實驗學(xué)時的一半時間不到，大大節(jié)省學(xué)時，同時又完成了教學(xué)大綱的所有內(nèi)容，非常適合高職院校此類基礎(chǔ)課程的課時要求。

(2)檢測學(xué)生掌握知識的情況

因為CAI仿真軟件采用人機對話的方式，對學(xué)生的每次操作都要計分。比如我們將電磁學(xué)實驗做一個軟件，檢測一下學(xué)習結(jié)果，教師查閱一下軟件記錄即可知道每個學(xué)生的學(xué)習情況。這種檢測比單純的考試要有助于學(xué)生學(xué)習，因為在檢測時若簽不出還可請求幫助(這時要扣分)，學(xué)生又得到一次復(fù)習的機會，寓教學(xué)于考查之中，因此這種考查是積極的，有助于調(diào)動學(xué)生的學(xué)習積極性。

(3)規(guī)范學(xué)生的學(xué)習行為

CAI仿真軟件對學(xué)生學(xué)習的“強制”性。使用軟件，學(xué)生必須按軟件的程序回答問題，不能跳越，不能“偷懶”，因此可以說具有一定的強制性。不少學(xué)生對實驗課不重視，

以前我們也采取了不少辦法使學(xué)生重視實驗，例如講物理學(xué)發(fā)展史，講物理實驗在物理學(xué)建立與發(fā)展過程中的重要性，安排考試等等。對那些不努力學(xué)習的學(xué)生最后只能體現(xiàn)在分數(shù)的“制裁”上，以此作為一種督促的手段。盡管如此，對于掌握知識上的缺欠已無法彌補。使用CAI仿真軟件教學(xué)就不是上述的“馬后炮”式的方法了，而是學(xué)生必須通過軟件的每一步進行學(xué)習、檢測、記分，不合格者則必須重復(fù)直到分數(shù)合格為止，這種強制性的信息輸入和反饋就不受學(xué)習態(tài)度的影響，而以掌握知識為最終目標。必須指出，學(xué)生對于這種強制并不反感，其原因是人機對話這種方式對學(xué)生的學(xué)習產(chǎn)生一種挑戰(zhàn)的效應(yīng)。激發(fā)學(xué)生接受這一挑戰(zhàn)并想方設(shè)法回答提問。此時，他已不知不覺地走上該軟件(實際上是教師)為他規(guī)定好了(不得不走)的學(xué)習途徑。

5CAI仿真普通物理實驗教學(xué)方法有諸多優(yōu)點

在普通物理實驗教學(xué)中運用CAI仿真教學(xué)，會產(chǎn)生良好的課堂教學(xué)效果。即：

(1)具體問題直觀化

有些物理實驗過程需要變更速度的快慢，便以詳細的觀察。采用計算機控制快放或慢放手段，可以通過屏幕清晰地看出每一時間段的物理過程發(fā)生、發(fā)展、變化的詳細過程。

(2)復(fù)雜問題簡單化

這種教學(xué)模式適用一些難度大或者復(fù)雜的實驗，因為這樣的實驗在規(guī)定的時間內(nèi)學(xué)生很難完成全部的實驗內(nèi)容。不但對實驗中使用的方法和應(yīng)用的原理不易理解，而且對實驗中所遇到的問題解決不夠恰當，因此這樣的實驗題目可以采用模擬實驗的教學(xué)模式，不但避免反復(fù)設(shè)置參數(shù)調(diào)試，而且減少了實驗周期，同時也防止了學(xué)生對難度大復(fù)雜性高實驗的恐懼心理，提高了實驗教學(xué)的深度。

(3)實驗時間彈性化

學(xué)生可以利用業(yè)余時間對實驗教學(xué)內(nèi)容進行課前預(yù)習和課后復(fù)習，使教學(xué)內(nèi)容在時間得到延伸，學(xué)生能夠充分的了解和掌握實驗教學(xué)內(nèi)容。

(4)實驗空間遠程化

開設(shè)網(wǎng)上虛擬物理實驗，學(xué)生可以根據(jù)自己的實際情況，在任何地點獨立的進行學(xué)習。一方面開拓學(xué)生的視野，另一方面也為不同程度學(xué)生的學(xué)習物理實驗提供一種學(xué)習的環(huán)境，同時也培養(yǎng)了學(xué)生物理實驗的自學(xué)能力。提高了實驗教學(xué)的廣度。

實驗教學(xué)是物理教學(xué)的一個重要環(huán)節(jié)，這里將CAI仿真應(yīng)用到普通物理實驗教學(xué)中作了詳細描述，但還需要在以后的應(yīng)用中不斷豐富和改進，僅供同行參考。

參考文獻

[1]北京化工大學(xué).大學(xué)物理實驗CAI仿真軟件[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008：30—56

[2]王慧芳.多媒體教學(xué)軟件的設(shè)計和制作[M].北京：電子工業(yè)出版社，1997：90—101.

[3]戴忠玲.庸福深.王瑋.研制開發(fā)大學(xué)物理實驗CAI仿真軟件提高實驗教學(xué)質(zhì)量[J].人學(xué)物理實驗，1997，(I)：2—56.