计算机模拟仿真技术在中学物理实验中的应用

刘国军

摘 要 该文针对中学物理实验教学的现状,通过模拟仿真技术在实验教学中的应用,提出了思考。

关键词 模拟仿真 中学物理实验 应用

中图分类号:G633.7文献标识码:A

1 中学物理实验教学的现状

物理是以实验为基础的一门学科,许多物理概念和规律都是建立在实验的基础上。传统的物理实验教学基本上是以教师为中心:演示实验教师做、学生看;分组实验则是学生在教师设计好的方案下进行,学生没有独立思考的余地和实施创造性活动的空间。另外,受器材、场地、实验条件及时间的限制,并不是每一个学生都真正地参与到实验中去了。这种以教师的主观意识为主,学生完全处于被动地位的学习方式,显然不符合学习过程中学生应是主体,教师是主导的这一教学理念。在这个教学理念下,演示实验应重视学生参与,分组实验则尽量采用探究的形式,充分发挥学生的主观能动性,让学生真正进入科学学习的状态,扮演主体的角色。这必然要求实验不能只是教材规定的那几个。而根据探究学习的需要,学生可以尝试自己选择课题、设计实验、选择器材、收集数据、归纳并总结规律。显然,传统的实验室已不能满足这样的要求。计算机模拟仿真技术正好为我们提供了一个广阔的平台。

2 计算机模拟仿真技术在实验教学中的应用

(1)将物理概念和规律的形成形象化,演示不能做的物理实验。在中学物理实验教学中,受条件的限制,有很多实验无法在实验室里完成。对于学生来说,很多常识性知识没有切身体会便难以理解和接收,而使真实的情境进入课堂有时是相当困难甚至是不可能的,这种情形下,可通过计算机模拟仿真实验过程,让学生通过观察模拟仿真的实验现象,分析得出结论和规律。如 粒子散射实验,可用仿真物理实验展现出实验过程,动态模拟极少数 粒子发生的大角度的偏转,这样的效果肯定比教师在黑板上讲解a粒子散射实验好得多。学生很容易记下a粒子散射实验装置、过程、现象,深刻理解卢瑟福的原子核式结构理论,进而探索原子结构。

(2)有些物理情景难以被学生想象,而这对学生理解、掌握物理概念和规律又有重要作用,用计算机制作仿真的物理情景便可起到雪中送炭的作用。例如,将编制的金属发生光电效应的模拟程序,在显示中配以相应的文字及图象,学生在分组“模拟实验”的操作过程中,就能清楚地看到光电效应的各种现象,达到良好的教学效果。

(3)实验所包含的物理本质不够清晰,需要用仿真模拟进行补充,弥补视觉上的不足,使物理过程的本质得以揭示,做到锦上添花。如描绘简谐振动图象的实验,可把弹簧振子振动的实物图,相应的振动过程及图象形成有机地联系起来。计算机演示这种有联系的动态过程,能在实验中起到化解难点、突破重点的作用。又如楞次定律一向是难点,原因在于磁通量是看不见摸不着的,这让学生想象磁通量的增加、减少以及感应电流的磁场反抗这种变化变得比较困难。利用计算机模拟仿真的优势,把实验动画有机结合起来,既教知识,又能培养能力。

(4)利用计算机模拟仿真技术,可以使抽象的问题形象化。如布朗运动、分子电流假说等,利用动态模拟可以达到非常理想的教学效果。还可以使瞬间的物理现象永久化。如波的传播过程、碰撞过程、扩散过程等等。相比传统的实验教学方式,计算机模拟仿真实验还有很多优势。如可以无限次重复实验而不必考虑耗材的问题。可以随时暂停在某一环节仔细观察。对于一些有危险的实验,用计算机模拟仿真之后,安全问题也就不存在了。计算机还可以充当教师的角色,对于学生所犯的错误,系统可给予及时的提醒。

3 使用模拟仿真技术优化物理实验教学的思考

学生对物理概念的认识、理解和物理规律的形成、掌握常常是建立在对物理现象的真实感知的基础之上的,这一过程只有借助真实的物理实验过程才能实现,因此有条件完成的实验应先进行该实验的演示,或让学生自己动手做实验,让学生获得一个感性认识的基础,然后,对实验进行模拟仿真,使连续或瞬间的物理过程变得有序和可控制,再引导学生对实验现象进行抽象和分析。对于一些抽象的理想实验,难以观察的实验,有危险而不能做的实验,则可以充分发挥计算机模拟仿真实验的优势。需要特别指出的是,模拟得再好,仿真度再高的实验都不可能替代实验室内的传统实验,它只能起到辅助教学的作用。因为,任何物理概念和规律都只能来自于生活实际和科学实验。实验教学中原创性实验的基础地位不可动摇,模拟仿真实验只能是一种辅助工具。一句话总结就是,模拟仿真实验不可不用,不可滥用。

总之,在实验教学中引入计算机模拟仿真技术,将不仅是教学手段的变革,还必将促进教学思想与教育理论的改革,将全面提高教育教学质量。我们每一位物理教师应积极参与进来,努力提高自身素质,转变教学观念,改进教学方法,只有这样,才能在时代的发展变化中,做一名合格的教师。

参考文献

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