楊學(xué)清 房淑芬

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

[關(guān)鍵詞]物理實(shí)驗(yàn)：CAI仿真；楊氏模量

[中圖分類(lèi)號(hào)]G40—057

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[論文編號(hào)]1009—8097(2009)13—0312—02

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

1CAI仿真簡(jiǎn)介

CAI被廣泛譯為“計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)”，目前已基本得到教育界的認(rèn)可。但從目前的實(shí)踐來(lái)看，“計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)”的范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于英語(yǔ)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(jì)算機(jī)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(yǔ)言處理系統(tǒng)、各種工具軟件和寫(xiě)作系統(tǒng)。工具軟件是指為了幫助和支持CAI仿真軟件的開(kāi)發(fā)，提高CAI仿真軟件的質(zhì)量，完成某種特定功能的專(zhuān)用軟件，如文字處理工具、表格處理工具、圖形處理工具和動(dòng)畫(huà)制作工具等。

(3)CAI仿真軟件它是教師或程序設(shè)計(jì)人員根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求，用計(jì)算機(jī)語(yǔ)言或軟件寫(xiě)作系統(tǒng)編制的實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用軟件。軟件反映了整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程。在現(xiàn)代課堂教學(xué)改革實(shí)踐過(guò)程中，CAI仿真輔助普通物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)能化抽象為形象、化微觀為宏觀、化靜態(tài)為動(dòng)態(tài)、化不可操作為可操作過(guò)程。是CAI仿真又一個(gè)應(yīng)用的拓展，也是普物實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的一個(gè)很好的嘗試。

2CAI仿真普通物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的可行性

作為高科技的多媒體和計(jì)算機(jī)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(shí)的高速更新和總量驟增對(duì)教育提出了新的要求，即：使學(xué)生在最短的時(shí)間內(nèi)接受更多更新的知識(shí)，同時(shí)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(shí)驗(yàn)教學(xué)必須堅(jiān)持以下幾個(gè)原則：

(1)理論聯(lián)系實(shí)際的原則。突出普物實(shí)驗(yàn)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，激發(fā)學(xué)生興趣和培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力。

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

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

(4)直觀性原則。充分利用學(xué)生感覺(jué)，使感官形成知覺(jué)，再進(jìn)入意識(shí)。

(5)鞏固性原則，“溫故而知新”，知識(shí)的鞏固有助于新知識(shí)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(gè)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(xiàng)原則，可以應(yīng)用于普物實(shí)驗(yàn)教學(xué)，另外由于CAI教學(xué)的系統(tǒng)化趨勢(shì)，更有利于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的持續(xù)發(fā)展。

3CAI仿真普通物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的具體方法

(1)實(shí)驗(yàn)題目級(jí)別化

將普通物理實(shí)驗(yàn)題目劃分為：基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)、科學(xué)小實(shí)驗(yàn)等，形成從低到高、從基礎(chǔ)到前沿、從傳授知識(shí)到培養(yǎng)綜合能力，逐級(jí)提高的一、二、三級(jí)基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)課程體系。每一級(jí)物理實(shí)驗(yàn)大致用一個(gè)學(xué)期的時(shí)間完成，不同的級(jí)標(biāo)志著不同實(shí)驗(yàn)技能和科學(xué)思維水平。使學(xué)生從較高起點(diǎn)上進(jìn)入大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，一個(gè)臺(tái)階、一個(gè)臺(tái)階地走向科學(xué)的高峰。在課程安排上一級(jí)物理面向全校各學(xué)科專(zhuān)業(yè)學(xué)生開(kāi)課，二、三級(jí)物理實(shí)驗(yàn)對(duì)理工類(lèi)專(zhuān)業(yè)開(kāi)課，第四級(jí)物理實(shí)驗(yàn)為物理類(lèi)各專(zhuān)業(yè)學(xué)生選修。

(2)具體實(shí)驗(yàn)?zāi)M仿真化

物理仿真CAI：是把自然的物體顯示在計(jì)算機(jī)上屏幕上，給學(xué)生一個(gè)使用了解他的機(jī)會(huì)。典型的物理仿真CAI對(duì)象是學(xué)生必須會(huì)操作的某種機(jī)器，或是在實(shí)驗(yàn)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(jiǎn)化了的儀表、示波器、電壓表、電流表等，學(xué)生可以通過(guò)操作鼠標(biāo)來(lái)調(diào)節(jié)儀表，熟悉他們的使用方法。這樣給學(xué)生一個(gè)操作學(xué)習(xí)儀器儀表的機(jī)會(huì)，即使是一些貴重設(shè)備也不會(huì)擔(dān)心損壞。

過(guò)程仿真CAI要求學(xué)生按照一定的步驟完成某一物理實(shí)驗(yàn)的仿真練習(xí)，這時(shí)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(gè)過(guò)程屬于過(guò)程仿真CAI。它的特點(diǎn)是完成某一任務(wù)有很多步驟，每一個(gè)步驟有許多個(gè)可選的動(dòng)作。因此針對(duì)每一個(gè)步驟學(xué)生面臨許多選擇。過(guò)程仿真CAI的最終目的就是讓學(xué)生形成一個(gè)合理的動(dòng)作序列。在過(guò)程仿真CAI中，可以讓學(xué)生熟悉實(shí)驗(yàn)的方法和步驟。適合二、三級(jí)普通物理實(shí)驗(yàn)。

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(duì)虛擬實(shí)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(jué)經(jīng)驗(yàn)從而在概念上形成正確的認(rèn)識(shí)。在此仿真情景中的物體按照特定的物理定律而動(dòng)作。學(xué)生可對(duì)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(cè)定”計(jì)算機(jī)模擬出虛擬的實(shí)驗(yàn)情景。學(xué)生可以向鋼絲下的托盤(pán)里增加或減少砝碼，鋼絲做相應(yīng)拉長(zhǎng)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(jìn)而能預(yù)測(cè)出各種因素對(duì)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(jìn)程仿真CAI在仿真開(kāi)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(jìn)程的變化，這里所說(shuō)的進(jìn)程指事物的變化過(guò)程。例如“斜拋運(yùn)動(dòng)”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(jì)算機(jī)自動(dòng)模擬出整個(gè)斜拋運(yùn)動(dòng)的過(guò)程。學(xué)生可以觀察物體運(yùn)動(dòng)的過(guò)程和軌跡。以及各參數(shù)對(duì)斜拋運(yùn)動(dòng)的影響。

4CAI仿真普通物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn)

(1)課時(shí)減少

所有CAI仿真普通物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，整個(gè)過(guò)程是實(shí)際學(xué)生實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)的一半時(shí)間不到，大大節(jié)省學(xué)時(shí)，同時(shí)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(lèi)基礎(chǔ)課程的課時(shí)要求。

(2)檢測(cè)學(xué)生掌握知識(shí)的情況

因?yàn)镃AI仿真軟件采用人機(jī)對(duì)話的方式，對(duì)學(xué)生的每次操作都要計(jì)分。比如我們將電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)做一個(gè)軟件，檢測(cè)一下學(xué)習(xí)結(jié)果，教師查閱一下軟件記錄即可知道每個(gè)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。這種檢測(cè)比單純的考試要有助于學(xué)生學(xué)習(xí)，因?yàn)樵跈z測(cè)時(shí)若簽不出還可請(qǐng)求幫助(這時(shí)要扣分)，學(xué)生又得到一次復(fù)習(xí)的機(jī)會(huì)，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(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

(3)規(guī)范學(xué)生的學(xué)習(xí)行為

CAI仿真軟件對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)的“強(qiáng)制”性。使用軟件，學(xué)生必須按軟件的程序回答問(wèn)題，不能跳越，不能“偷懶”，因此可以說(shuō)具有一定的強(qiáng)制性。不少學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)課不重視，

以前我們也采取了不少辦法使學(xué)生重視實(shí)驗(yàn)，例如講物理學(xué)發(fā)展史，講物理實(shí)驗(yàn)在物理學(xué)建立與發(fā)展過(guò)程中的重要性，安排考試等等。對(duì)那些不努力學(xué)習(xí)的學(xué)生最后只能體現(xiàn)在分?jǐn)?shù)的“制裁”上，以此作為一種督促的手段。盡管如此，對(duì)于掌握知識(shí)上的缺欠已無(wú)法彌補(bǔ)。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(guò)軟件的每一步進(jìn)行學(xué)習(xí)、檢測(cè)、記分，不合格者則必須重復(fù)直到分?jǐn)?shù)合格為止，這種強(qiáng)制性的信息輸入和反饋就不受學(xué)習(xí)態(tài)度的影響，而以掌握知識(shí)為最終目標(biāo)。必須指出，學(xué)生對(duì)于這種強(qiáng)制并不反感，其原因是人機(jī)對(duì)話這種方式對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)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(wèn)。此時(shí)，他已不知不覺(jué)地走上該軟件(實(shí)際上是教師)為他規(guī)定好了(不得不走)的學(xué)習(xí)途徑。

5CAI仿真普通物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法有諸多優(yōu)點(diǎn)

在普通物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中運(yùn)用CAI仿真教學(xué)，會(huì)產(chǎn)生良好的課堂教學(xué)效果。即：

(1)具體問(wèn)題直觀化

有些物理實(shí)驗(yàn)過(guò)程需要變更速度的快慢，便以詳細(xì)的觀察。采用計(jì)算機(jī)控制快放或慢放手段，可以通過(guò)屏幕清晰地看出每一時(shí)間段的物理過(guò)程發(fā)生、發(fā)展、變化的詳細(xì)過(guò)程。

(2)復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)單化

這種教學(xué)模式適用一些難度大或者復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)，因?yàn)檫@樣的實(shí)驗(yàn)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)學(xué)生很難完成全部的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。不但對(duì)實(shí)驗(yàn)中使用的方法和應(yīng)用的原理不易理解，而且對(duì)實(shí)驗(yàn)中所遇到的問(wèn)題解決不夠恰當(dāng)，因此這樣的實(shí)驗(yàn)題目可以采用模擬實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)周期，同時(shí)也防止了學(xué)生對(duì)難度大復(fù)雜性高實(shí)驗(yàn)的恐懼心理，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度。

(3)實(shí)驗(yàn)時(shí)間彈性化

學(xué)生可以利用業(yè)余時(shí)間對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行課前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)，使教學(xué)內(nèi)容在時(shí)間得到延伸，學(xué)生能夠充分的了解和掌握實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。

(4)實(shí)驗(yàn)空間遠(yuǎn)程化

開(kāi)設(shè)網(wǎng)上虛擬物理實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以根據(jù)自己的實(shí)際情況，在任何地點(diǎn)獨(dú)立的進(jìn)行學(xué)習(xí)。一方面開(kāi)拓學(xué)生的視野，另一方面也為不同程度學(xué)生的學(xué)習(xí)物理實(shí)驗(yàn)提供一種學(xué)習(xí)的環(huán)境，同時(shí)也培養(yǎng)了學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)的自學(xué)能力。提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的廣度。

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

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