倪程鵬

摘 要：隨著計算機技術和科學計算方法的高速發(fā)展，計算機模擬已經成為物理研究與教學中除理論分析和實驗之外的第三種研究手段。對于計算機專業(yè)的大學物理課程而言，仿真教學既可以成為一種教學內容，也可以作為一種教學手段。教學實踐表明，在課堂中采用仿真教學能有效增強計算機專業(yè)學生的學習動機和提高學生學習興趣。將計算機編程和物理實際問題有機結合，既能培養(yǎng)學生解決實際問題的能力，又能提高學生學習物理課程和學習計算機程序設計課程的積極性，促進改革現(xiàn)有的以傳授知識為主線的課程體系，轉變以教師為中心的課堂教學模式。

關鍵詞：計算機；大學物理；模擬仿真；理論教學

一、前言

在大學物理課堂教學中，計算機可以快速完成常規(guī)的計算并仿真模擬物理過程，強化教學效果，對培養(yǎng)學生的學習興趣、科學思維能力、探索發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)新精神等能起到積極的作用[1]。

計算機仿真技術是一門基于計算機建立的系統(tǒng)模型進行動態(tài)研究的綜合性技術。20世紀初，仿真技術就已得到初步應用。20世紀40年代至50年代，航空航天和原子能技術的發(fā)展推動了仿真實驗技術的發(fā)展和應用。20世紀60年代之后計算機技術的發(fā)展，為仿真實驗提供了先進的平臺，加速了仿真技術的發(fā)展和應用[2][3]。

隨著仿真技術的發(fā)展，計算機仿真實驗應運而生。20世紀90年代初，國內部分高校和機構開始著手于計算機仿真實驗的研發(fā)。其中由科大奧瑞首創(chuàng)開發(fā)的計算機仿真實驗教學軟件大學物理仿真實驗，是國內最具權威的大學物理仿真實驗教學系統(tǒng)，已在國內外多所高校獲得應用。仿真物理實驗作為計 算機輔助物理實驗教學的一個發(fā)展方向，已經成為了大學物理實驗的一個新亮點。

二、仿真教學的研究

大學物理的理論教學與實驗教學同等重要。對于計算機專業(yè)的大學物理課程而言，仿真教學既可以成為教學內容也可以作為一種教學手段。仿真教學是利用計算機仿真技術，實現(xiàn)大學物理課程知識和計算機專業(yè)能力并重培養(yǎng)的過程。這樣，仿真教學拓寬了大學物理教學內容，把以教授知識為主的課堂教學轉變?yōu)榻淌谥R和能力培養(yǎng)并重的課堂教學。

筆者結合近兩年在安徽信息工程學院（原安徽工程大學機電學院）計算機專業(yè)的大學物理教學實踐，總結其中存在的以下問題，也是促使課堂進一步實行仿真教學的原因。

（1）學生理科基礎薄弱。在工科專業(yè)中，計算機專業(yè)的學生的知識基礎相對較差，尤其是對數(shù)學、物理等理科基礎知識的掌握。仿真教學基于軟件平臺，其中核心的算法需要一定的數(shù)學基礎。而算法需要的基礎知識是應用層面的，比純粹的理論知識更容易接受，這也符合“通過做數(shù)學來學數(shù)學”的思想。因此，仿真教學反過來還可以鞏固和增強理科基礎知識的理解和應用。

（2）學生缺乏學習動機和學習興趣。大學物理作為高校理工科專業(yè)基礎課程，其重要性可見一斑。學生對基礎課程的認識不足，直接導致學習動機降低。仿真教學作為一種教學手段，既體現(xiàn)了大學物理的實用性，也加強了計算機專業(yè)實踐，能有效發(fā)揮學生的主觀能動性，增強學習動機和提高學習興趣。教學內容、方法和考核方式也會影響學生學習的動機和興趣。

（3）教學內容陳舊。大學物理的基本內容是幾十年甚至幾百年前就建立起來的，課本中研究的更是簡化了的、能用解析方法求解的典型問題。而實際問題是復雜的，且隨著科學技術的發(fā)展，人類對問題的認識也會發(fā)生改變。仿真教學具有交互性，可以開拓教學內容。因為物理仿真對象來源于實際，需要學生去生活中尋找和探究對應應用，然后結合大學物理理論知識進行模擬仿真，達到深化教學內容的目的。由于仿真需要一定計算機專業(yè)知識，這樣仿真教學也側面增強了專業(yè)知識的運用。

（4）教學方法傳統(tǒng)、考核評價方式單一。在教學中，筆者所在學校的大學物理依舊采用傳統(tǒng)的教學方法，即教師的單方面講授。即便采用了多媒體輔助教學手段，也僅僅停留在展示物理模型或過程的階段。一方面是由于大班教學的限制；另一方面，由于課時數(shù)量的縮減，使得講授成為一種高效傳授知識的方式。但這種教學方法效果不理想，課堂上普遍出現(xiàn)學生睡覺和玩手機的現(xiàn)象。針對計算機專業(yè)學生采取的課堂仿真教學，需要學生及時參與，結合一定的專業(yè)基礎理解和應用物理知識。仿真教學要求教師布置電子作業(yè)，需要學生投入更多課后時間去實踐，且由于作業(yè)加強了與專業(yè)課程知識的聯(lián)系，這樣就簡化了作業(yè)的操作性，但提高了作業(yè)的挑戰(zhàn)性、趣味性和創(chuàng)造性。

由于實際物理問題的復雜性，許多問題都要用到精確的數(shù)學計算。仿真教學充分利用了計算機的強大功能，豐富計算機輔助教學的內涵，使計算機不僅是教師的輔助教學工具，也是學生學習的工具和內容。筆者在課堂仿真教學上還參考了美國大學的多種教學方法。因為課堂教學不是一言堂，而是多言堂；不是單向灌輸，而是雙向甚至多向互動；不是單調、乏味的，而是生動、活潑，充滿生機活力的[4][5][6]。

三、仿真教學的改進措施

傳統(tǒng)大學物理的考核方式比較單一，針對計算機專業(yè)實施的仿真教學，筆者在考核方式上也進行了一系列改革。

傳統(tǒng)的大學物理教學內容、教學方法和考核評價形式均存在一定問題，對于計算機這種工科專業(yè)，學生會很難從大學物理這門基礎課程中受益，那么大學物理打基礎、搭橋梁的重要功能也就得不到體現(xiàn)。因此必須通過教學改革來改善這種局面，結合計算機專業(yè)特點進行的大學物理課堂仿真教學是一種有效嘗試。

1.仿真教學軟件

仿真教學基于軟件，以下是在大學物理課堂仿真教學中使用到的軟件。

（1）Flash。Flash是由Macromedia公司推出的交互式矢量圖和Web 動畫的標準，廣泛應用于創(chuàng)建應用程序，可以包含視頻、聲音、圖形和動畫。課堂教學中可使用Flash來創(chuàng)建多媒體課件中的動畫、視頻內容，也可以通過添加圖片、聲音、視頻和特殊效果，單獨構建Flash應用程序。在仿真教學中，F(xiàn)lash可以用來制作精美的動畫，添加到課件中，可形象模擬物理現(xiàn)象和過程[7]。

（2）Java。Java是一種面向對象的程序設計語言，具有通用性、高效性、平臺移植性和安全性等特點。目前，很多國家和機構都建立了基于Java技術的仿真實驗系統(tǒng)。如美國俄勒岡大學物理系主辦的物理仿真實驗網站和科羅拉多大學波德分校（University of Colorado Boulder）創(chuàng)辦的PhET網站，網站中的仿真項目均是基于Java語言編寫的。國內的華中科技大學李元杰教授組織構建的DTP（digital teaching of physics）也是基于Java語言的（如圖1所示）。

相對于Flash，Java開發(fā)更具交互性。對于計算機專業(yè)學生，Java更是一門需要學習和運用的語言。

（3）MATLAB。MATLAB是MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。MATLAB的處理單元是矩陣，比用C、FORTRAN等語言完成相同的事情更簡便。Simulink提供了一個系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無需編寫大量程序，只需通過簡單的鼠標操作，即可構造出復雜的系統(tǒng)。比如在演示振動和波動的疊加時，用Simulink演示就比較直接方便。

Flash可以制作出精美的動畫，而MATLAB也有多種方式實現(xiàn)動畫效果[8]。因此，在仿真教學中，MATLAB不僅可以進行數(shù)值計算，也可以進行可視化模擬仿真（如圖2所示）。

（4）VRML。VRML即虛擬現(xiàn)實建模語言，可用于建立動態(tài)的虛擬世界。目前，國內有高校成功開發(fā)了基于VRML技術的三維仿真實驗中心。比如，華中科技大學開發(fā)的液壓元件裝拆實驗，學生可以在仿真的環(huán)境中認識和操作各零部件。虛擬現(xiàn)實技術作為第二代互聯(lián)網技術的重要基礎，已經引起越來越廣泛的關注和應用。比如，當前火熱的VR（虛擬現(xiàn)實）和AR（增強現(xiàn)實），對于計算機專業(yè)的學生，接觸并了解這類技術對專業(yè)學習是有益處的。

以上是大學物理仿真教學中可以運用和接觸了解的軟件，其他專業(yè)學科類的仿真軟件暫未涉及。

2.仿真教學內容

大學物理理論教學內容較多，但教學課時是有限的（筆者所在學院一學年安排96課時）。作為專業(yè)基礎課，大學物理還必須為后續(xù)專業(yè)課程學習打好基礎，因此仿真教學內容必須是精簡的、與專業(yè)緊密相關的內容。

物理研究的對象是物質（包括能量和場），因此仿真教學的內容也是客觀的物質。物理中關于物質運動的規(guī)律是經過抽象概括的，主要通過模型來描述。物理模型可以分為心理模型和概念模型。心理模型是學生腦海中建立的關于物理現(xiàn)象認識的模型，而概念模型是建立在物理概念之上的模型。學生的學習就是不斷克服和打破心理模型，接受概念模型的過程。而大學物理仿真教學的主要內容就是基本物理概念模型的仿真。

在仿真教學中，筆者把物理模型分為：運動類、能量類、振動類、波動類、熱學類、電磁場類和光學類等。根據(jù)仿真教學要求編制的教學大綱包含了具體的仿真教學模型和實現(xiàn)方式。

3.仿真教學實施

課堂仿真教學的實施，需要學生和教師雙方的參與。教學中，教師和學生均會面臨一些新的困難和挑戰(zhàn)，包括假設生成、模型設計、數(shù)據(jù)解釋以及對發(fā)現(xiàn)過程的自我監(jiān)控等。因此，仿真教學需要建立有效的反饋機制，包括仿真教學在內容選擇以及過程設計上應該針對學習者的困難提供相應的學習支持，只有這樣才能真正發(fā)揮計算機模擬在學習中的優(yōu)勢。

仿真教學的教學效果還需要建立評價機制，包括學生對教師的評價和教師對學生的評價。課程評價“本質上是一個確定課程與教學計劃實際達到教育目標的程度的過程”，是貫穿于課程實施全程并推進課程進展的內在動力， 也是連接課程目標與課程實施的橋梁。教師應根據(jù)教學評價結果，及時反復修改教學大綱，達到教學目的。

4.教學評價

教學的中心是學生，因此需要學生參與到教學評價中來。從學生角度，學生需要知道自己是否達到了學習的要求以及是否需要改進學習方法。因此需要教師對教學中學生學習情況進行評估，除了學校教務系統(tǒng)必須完成的學生對教師的評測以及平時的面談等形式外，還可以通過以下形式完成對仿真教學的評估。

（1）調查形式。調查是一種直接有效的檢驗學習效果的形式。包括：物理期望調查，對物理科學的認識信心的調查，科學觀點的調查以及其他內容調查。

（2）反饋形式。首先是組長收集組內成員（大約十名）對教師的測評表（結合由筆者制訂的教學目標），經過整理分析后，交給學習委員；其次是學習委員結合組長平時的表現(xiàn)，給組長收集的信息打可信度系數(shù)；最后把有系數(shù)的測評表交到筆者手里，完成學期反饋評估。

（3）作業(yè)形式。作業(yè)包括紙質作業(yè)和電子作業(yè)，且安排了分組。紙質作業(yè)主要是對課本習題的思考，對于有一定難度的習題，要求學生寫上自己對課堂仿真的思考、疑問或者對老師上課的意見等。電子作業(yè)是要求組內完成課堂上某個仿真程序的編寫和運行，其中均包含對仿真教學的反饋。

（4）報告形式。在每一學期教學中，安排PPT報告。根據(jù)課堂上的仿真教學，結合課本未講述的內容制作PPT并進行報告。報告要求分工合作， 其中包含對課堂仿真教學和教師的評價。

根據(jù)以上教學評估結果，對學生和教師學期表現(xiàn)進行綜合評價。

筆者針對計算機專業(yè)理科基礎薄弱、物理學習動機和興趣的缺乏、教學和考核方式單一、教學內容陳舊、理論與實踐脫節(jié)等問題，在大學物理課堂教學實施了仿真教學，同時改革了教學內容、教學方式和評價機制等。教學實踐表明，仿真教學精簡了大學物理理論知識內容，減輕了學生學習負擔；增強學生學習的動機，提高學生學習的興趣，參與課堂教學；加強了與專業(yè)的關聯(lián)性， 提高了學生的專業(yè)實踐能力。此教學研究將大學物理理論知識與計算機專業(yè)應相結合，強調了學科的實用性，推進應用型本科高校的改革。

參考文獻：

[1]吳能芝.計算機模擬輔助大學物理教學的研究[D].武漢：華中師范大學，2007.

[2]候彥慶.計算機仿真技術的應用與發(fā)展趨勢[J].信息通信，2016（2）：181-182.

[3]王子才.仿真技術發(fā)展及應用[J].中國工程科學，2003（2）：40-44.

[4]陳文彥，王栓宏.體驗美國大學的教學模式[J].中國大學教學，2013（5）：94-96.

[5]江 捷.美國大學多樣化教學方法的分析與啟示[J].教學研究，2012，35（2）：20-22.

[6]張曉玲.基于FLASH技術的大學物理仿真實驗的研究[D].武漢：華中師范大學，2007.

[7]吳 敏，陳 濤.在MATLAB中實現(xiàn)動畫效果[J].電腦知識與技術，2006（20）：222-232.

[8]黃瓊湘，那斯爾江·吐爾遜.Matlab作圖函數(shù)的總結與分析[J].高等理科教育，2005（6）：633-645.