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1．引言 实验教学是物理教学中的一个重要组成部分，传统的真实实验（或传统实验）在培养学生动手能力、观察能力、分析和解决问题的能力方面发挥着重要的作用[1]。但是，由于受物质、技术条件和时空条件的限制，有很多实验都难以展开。这对学生知识面的广度、深度的拓展无疑是一种阻碍。 内容来自www.paper51.com 随着计算机技术、仿真技术和现代教育技术及相关理论的的迅速发展 ,使用计算机来模拟和创设物理实验环境以打破传统实验教学受物质条件和时空条件的限制成为了可能。于是仿真实验一词孕育而生。 copyright paper51.com 仿真实验就是利用计算机及多媒体技术仿真或虚构某些情境，供学生观察、操纵、建构物理对象，使他们获得体验或有所发现[2] [3]。它有利于弥补物理实验器材的局限性，可提供学生进行跨时空实验等，从而提高了课堂效率、增加课堂容量。是传统实验教学的一种很有效的补充。 http://www.paper51.com 虽然仿真实验的教学效果是显著的，但目前仿真实验应用于物理实验教学的情况还不容乐观，仿真软件还远不能满足教学的需求。复旦大学沈元华教授对国内 28所大学在普通物理实验中使用计算机的情况进行调查，发现在普通物理实验中使用计算机比例仅为4.5%远低于发达国家。而用计算机进行仿真实验估计就更少了[1]。 paper51.com 基于以上仿真实验在物理实验教学中的应用情况不理想这一现象，本文通过分析仿真实验应用于物理实验教学存在的优点，旨在让人们对仿真实验有所了解与重视。并对其设计的原则进行探讨，以供仿真实验制作者思考有没有必要制作，怎样制作、怎样做好仿真实验提供一个理论依据。并以伏安法测电阻仿真实验为例对仿真实验的工具的选取、基本的设计思路及制作过程做了粗略的描述。当然，仿真实验教学也存在不足，它不利于学生实际动手能力的培养。所以在文章的尾声部分，对仿真实验存在的不足进行分析，对实验教学中是采取仿真实验还是传统实验的提出了几点相关理论依据。 http://www.paper51.com 2．仿真实验在物理实验教学中的优势 内容来自论文无忧网 www.paper51.com 仿真实验是利用计算机创建一个可视化的实验操作环境, 其中的每一个可视化仿真物体代表一种实验仪器或设备,通过操作这些虚拟的实验仪器或设备, 即可进行各种实验,达到与真实实验相一致的教学要求和目的。它具有经济、安全可靠、实验周期短等优势。具体体现在如下六方面： 内容来自www.paper51.com 2．1 可弥补实验经费不足的缺憾 http://www.paper51.com 有部分物理实验耗资大，操作技术要求高、例如高精密光谱仪、核磁、顺磁共振波谱仪等。许多学校都无力承担和难以开展这些昂贵的实验。在中学教学尤其是西部教育落后的学校中体现得更为明显。由于教育经费投入不足，有部分常规实验都难以实施，只能采用教师讲、学生听的教学模式进行实验教学。这样不利于学生发现问题的能力和动手能力的培养。仿真实验可有效克服这一问题。仿真实验只要有计算机、相关软件和技术的支持，便可模拟出大部分实验及现象。此外，由于教育越来越受重视，多媒体教室和计算机机房在大多数中学已经得到普及，基本上都能进行仿真实验的制作与实施，这样就可解决因资金不足而给实验教学带来的缺憾，保证了实验的项目和数量[4]。 paper51.com 2．2 可模拟宏观、微观领域或因危险而无法进行的实验 paper51.com
物理学所研究的物体小到微观粒子，如原子、电子、光子等，大到宏观世界的自然规律，用普通的办法无法向学生演示，虽然可以用挂图等来描述，但不能反映其动态的变化规律。常会造成一种教师无法准确表达、学生在模模糊糊的状态中学习的不良现象。在这方面应用仿真实验教学可以发挥很大的作用。 copyright paper51.com 在微观领域里，可用仿真实验来模拟如布朗运动、中子、质子的运动、 a粒子散射实验等，可将这些微观的、不可见的、抽象的、难以解释清楚的实验，展示在学生面前，逐层分析，深入讨论、讲解，使之形象化、直观化。 paper51.com 在宏观领域里，如：天体的运动等，用传统实验是根本无法实施的。但却可才用flash软件动态的模拟出其运动轨迹及状态，让学生对天体的运动有感性直观的理解。 内容来自论文无忧网 www.paper51.com
此外，有的实验如：高温高压实验 ,强放射性实验等会对学生的身体健康造成威胁，所以教师一般都不安排学生进行此类实验。应用仿真实验可模拟出此类实验，以便使知识形象化，易于学生理解。 paper51.com 总之，仿真实验可超越时空的限制，消除实验的危险性[5] [6] [7]，扩展了学生的实践空间和实验内容，可提高相关实验的教学效果。 paper51.com 2．3 可缩短实验周期长的实验的时间 内容来自www.paper51.com 由于部分实验耗时长，实际操作难度大，难以在45分钟内穿插演示，再加上物理实验教学的时间与理论教学的时间相比，比例本来就小。所以在传统实验中教师只能讲实验或让学生草草的进行实验。仿真实验则可缩短实验时间，以提高教学容量、教学效率[8]。 http://www.paper51.com 2．4 可提供无惧环境 paper51.com 由于部分实验设备贵重，或有一定危险性。例如：有的电学实验容易发生短路、断路、漏电等现象。由于害怕受伤或仪器损坏，学生不敢大胆尝试实验。这在很大程度上扼杀了学生实验的积极性及阻碍其创造力的发展。仿真实验能消除学生的这些心理障碍，使之以放松的状态进行模拟实验。久而久之学生便能形成敢于大胆想像，敢于尝试、积极探索真知的品质[9]。 copyright paper51.com 2．5 可重复、具有适时性、可减少盲目性 内容来自论文无忧网 www.paper51.com 仿真实验可为学生提供一个无时空局限的预复习环境，反复实验的机会：教师把自己做的仿真实验发布在网上，让学生下载，学生便可在课下进行学习、实验。因此，仿真实验为学生自己做真实实验作好技能和思想准备,避免并减少其在传统实验中常发生的盲目操作。 内容来自www.paper51.com
2．6 具有良好的人—机交互性 copyright paper51.com 首先，仿真实验可让学生自定实验内容、实验进度、实验步骤，适应了学生的个别化差异，有利于实验效果的提高。其次，仿真实验通过预测实验中可能存在的问题，把解决的方法蕴藏于其中，因此可适时的对学生进行实验指导。再次，可让学生进行练习或测验，从中得到自身学习效果的反馈信息，以便能更好地调整自身的学习方式方法，以提高学习效果。 paper51.com 3． 仿真实验的设计原则 copyright paper51.com 在制作仿真实验时必须依据一些原则才能使设计更有条理，更加完善及更有使用价值。其主要要考虑的原则有必要性原则、可行性原则、可控性原则、直观性原则、经济性原则、科学性原则[1]。 内容来自论文无忧网 www.paper51.com 必要性原则 仿真实验有上述诸多优势，但它也不是完美无缺的，存在不利于学生对实验器材的真实感知及实践能力的培养等缺点。所以在进行仿真实验设计之前就应该考虑其有没有存在的必要性。 内容来自论文无忧网 www.paper51.com
可行性原则 仿真实验主要以计算机技术为依托，制作仿真实验需要有一定的软、硬件支持。此外，也受制作者计算机技术水平的制约。所以在分析了必要性之后还需要考虑自身的设备条件及技术水平等因素。 内容来自www.paper51.com
可控性原则 仿真实验的主角是学生，学生的参与和操作是实验的目的所在。因此，在设计仿真实验时要考虑其人机交互性——要方便学生顺利的进行参与和控制：各步骤的操作要简单、明了、易行；应避免复杂的操作，可多采用鼠标操作实现对操作的控制。界面间的衔接、转换要紧凑、顺畅、易操作。 内容来自论文无忧网 www.paper51.com 直观性原则 实验过程中往往有数据的输入和输出，还要显示有关实验现象，在设计时界面要友好，显示的数据、现象要真实直观。 http://www.paper51.com 经济性原则 设计仿真实验也应考虑其效益问题。性价比，即投入、产出比应该要尽量的低。对于那些用常规实验能够较好实现的实验，就没有必要浪费人力、物力。 内容来自www.paper51.com 科学性原则 物理是一门严谨的学科，物理教学中的理论、定律的产生都是通过严密的实验得出。因此，仿真实验的科学性至关重要。而科学性的基本要求就是不出现知识性的错误。 paper51.com 4．伏安法测电阻仿真实验设计及实现方法 http://www.paper51.com 4．1 设计相关说明 copyright paper51.com 此案例可用于伏安法测电阻的实验教学或学生的自主学习，学生可通过案例了解此实验的相关器材、电路图，可自己连接实物图，可进行内接法、外接法实验，也可进行相关练习。 内容来自论文无忧网 www.paper51.com 4．2开发工具选取 内容来自论文无忧网 www.paper51.com 仿真实验一般可采用Authorware、Flash、EWB等软件进行开发与制作。 内容来自www.paper51.com 基于交互性及自身技术水平的考虑，本案例主要应用了Authorware开发工具。Authorware是一种多媒体创作工具软件。它采用面向对象的程序设计思想，是一种基于图标和流程线的多媒体开发工具。它允许使用图片、动画、声音、和视频等信息来创作一个交互式应用程序[10]。 http://www.paper51.com 4．3 实验整体框架 http://www.paper51.com 仿真实验设计的系统化是影响其实验效果的重要因素。鉴于此，本案例把整个仿真实验分为4个部分：封面屏幕、主界面屏幕、教学屏幕、尾声屏幕。其总体框架设计如下： 内容来自www.paper51.com |