电脑模拟与物理实验教学
现代教育技术的发展，使教师组织教学活动的手段更丰富、方法更灵活、效率更高。现代教育技术中，电脑辅助教育系统，由于代表最先进的现代教育手段，成为教育教学实践研究的新课题。 一、电脑模拟对于物理实验教学有广阔的前景 电脑辅助教育的功能分为四种，即电脑辅助教学、电脑管理教学、电脑模拟和电脑智力游戏。 电脑模拟，即利用模型来研究一个系统的行为特征，在物理教学中，可以用来模拟实验环境，以此代替或加强传统的实验手段。 由于电脑模拟不受空间限制，可由宏观到微观；不受时间限制，可将瞬间过程延缓，可将长时过程缩短。电脑模拟可将抽象内容具体化，又可从具体现象抽象出其本质特征；可将动态变成静态，利于观察，又可将静态变成动态，利于理解。电脑模拟还可将输给它的信息经过逻辑推理运算，输出结果，判定输入输出的关系，从而在输入信息与输出结果之间建立某种联系。 物理学是一门以观察和实验为基础的科学，学生对物理知识的学习，虽然是一种特殊的认识活动，但仍要以观察物理现象、进行物理实验作为思维的基础。电脑模拟恰好成为常规教学中难以观察的物理现象、难以进行的物理实验的替代者。 电脑模拟的上述特点，是其它辅助教学手段不可比拟的，因而具有广阔的发展前景。 二、电脑模拟在物理教学中的应用电脑模拟分为两种情况： （一）电脑行为模拟所谓行为模拟，是告诉学生电脑程序中的模型，通过运行这个程序，不断地改变参数，得到一系列输出数据，然后通过考察输入输出的关系，弄清该模型所反映出的规律或特点。 牛顿第二定律，是物理教学中的重点和难点，得出牛顿第二定律的实验在气垫滑轨上进行。由光电门将沿块运动的时间传输到光电数字计时器，我们再将数据输入到电脑中（程序清单略），电脑进行一系列加速度的计算，并将加速度与产生加速度的力进行比较，将加速度与滑块质量进行比较，得到加速度与力、加速度与质量的关系，建立牛顿第二定律。学生观察实验过程和实验现象，接受电脑行为模拟的结果，免去繁琐的手计算过程，即节省了时间，提高了课堂效率，又突出加强了对牛顿第二定律的理解和记忆。注意，教学中要采用大屏幕监示器，将电脑处理结果清晰地呈现给学生，发挥电脑的优点。下述各电脑应用过程也要注意这一点。 互成角度共点力合成的平行四边形法则，讲授时，由教师作二力合成的投影演示实验。小弹簧秤底板用有机玻璃制成，分别用一个小弹簧秤和两个小弹簧秤将橡皮条均拉到O点，如图（一）、图（二）所示。学生从投影屏上，读出图（一） 弹簧秤上所示合力的数值，然后读出图（二）弹簧秤上两个分力的数值，并通过固定于投影仪复印在胶片上的量角器，读出二分力与水平线夹角值，将这些数据输入到电脑中（程序清单略），由电脑进行高分辨作图。 由不同组实验数据，电脑在显示屏上先画出表示合力（F），两个分力（F1，F2）的有向线段，然后以表示两个分力的有向线段为邻边，作出平行四边形，并作出二分力所夹的对角线，将此对角线与表示合力的有向线段进行比较，如图（三）、图（四）所示电脑运行结果，平行四边形的对角线与表示合力的有向线段吻合得很好。从教学实践看，绝大多数结果都很准确，从而科学、可信地建立两个共点力合成的平行四边形法则。 如果产生偶然操作误差，如图（五）所示，可找出误差原因，将实验重新进行。 电脑作图的精确性，减少了作图误差，使学生更好地接受实验结果。电脑作图，节省了时间，教师在课上可作多组演示实验，既丰富了学生感性认识，又突出了建立平行四边形法则的归纳法。注意，电脑作图很精确，实验设计也较科学，这就要求准确操作，准确读取数据，以得到正确的结果。 像斜抛运动，单摆的振动规律，光的折射定律等都可以将实验与电脑行为模拟结合真情行为进行教学。 （二）电脑模型化模拟 所谓模型化模拟，是由电脑根据程序中的模型输出一组表示系统行为的数据或图象，让学生通过观察和分析这些数据或图象，找出它们之间的关系，建立系统的模拟。 如开普勒三个定律物理图景的模拟程序清单（略）。首先，模拟的行星围绕太阳运动，但看不出规律，学生产生困惑，如图（六）。然后键控，使行星在运动的同时显示自己的运动轨迹，如图（七），行星的运行轨迹──椭圆便清楚地显示出来，不用解释，学生了然于胸。然后再画上坐标系，太阳呈现在椭圆轨道的一个焦点上，如图（八）所示。这样，清楚、明白地总结出开普勒第一定律。 开普勒第二定律如图（九），除显示出“相等时间，行星与太阳的联线扫过相等的面积”外，行星的运动速度也是真实的模拟、即“近地点运动的快，远地点运动的慢”。 开普勒三定律是由大量的观测数据总结出来的，我们利用电脑的模型化模拟，呈现给学生生动的图象，学生很容易理解和接受。 模型化模拟可细分成下面几种： 1．突破空间界限的模拟：物理学的发展，大到宇宙天体，小到基本粒子。而如此宏观与微观在常规物理实验教学中都难以再现，学生则难以建立起相应的物理表象。我们通过电脑模型化模拟，为学生提供感性认识。如开普勒三定律的物理图景的模拟、卫星发射原理的模拟、卢瑟福a粒子散射实验的示意模拟、核裂变的模拟、光电效应的模拟等。 2．突破时间界限的模拟：有的物理实验用时较长，实验教学中费时较多，难以进行，如观察沸腾现象的实验；有的物理实验现象展现时间很短，学生难以观察清楚，如牛顿管中自由落体运动实验。我们用模型化模拟，控制实验现象展示的时间。 3．实验动、静结合的模拟：静电感应现象、导线中电子由无规则热运动到电场作用下的定向移动过程、电容的充放电过程等，建立物理图景的动态模拟，并用键控程序将动态过程定格──展示物理过程的节点。 4．实现抽象与具体相互转化的模拟：将抽象的物理过程经过电脑模拟而具体化，如磁化过程的模拟、电磁振荡现象的模拟、电磁波传播过程的模拟演示等。将具体的物理过程，去掉非本质的表象，直接将物理问题的本质抽象出来，如楞次定律教学实验，直接模拟外磁场、感应磁场、感应电流，研究它们的关系。 三、电脑出拟与物理实验教学的有机结合 所谓有机结合，即处理好电脑模拟与物理实验、电脑模拟与其它教学手段、电脑模拟与教师讲授之间的关系。 （一）电脑模拟不能淡化物理实验。物理实验是学生获得物理知识最直接的手段、最真实的经验和最好的感性材料。电脑模拟只能逼真，而不可能真实，不能试图用电脑模拟去代替物理实验。 实验教学中难以进行、效果不好，需用电脑模拟的实验，要将真实的实验呈现给学生，再进行电脑模拟，将电脑模拟与物理实验结合起来。 无法进行的实验，要讲清实验环境、实验条件、实验过程，再用电脑模拟。 （二）重视其它教学手段的运用 物理实验教学，不言自明，物理实验为其根本，我们必须加强实验研究。在教学实践中设计更合理的实验过程，改进和制作物理实验仪器，结合科学技术的发展，采用更先进的实验手段。而且电脑模拟有其局限，如声学实验，演示噪音、乐音及其波形，除示波器外，我们要用录音机；学习天体运动，我们用录像机和电视机，这是电脑模拟不能达到的。有的模拟用投影、幻灯就可简洁而形象地进行，也不必费时、费力去进行电脑模拟。 （三）充分发挥教师的主导作用任何教学手段，都需要教师去安排使用、去组织教学，电脑模拟手段也不能例外。是否用电脑模拟，什么时机、哪些环节进行电脑模拟，都要由教师决定。而且这种决定要很好地促进学生所学知识的正向迁移。 四、电脑模拟于物理实验教学所需环境 （一）电脑模拟软件的编制 电脑模拟手段的引入，对物理教师提出了更高要求，既要深入钻研教材，又要具有编制软件的能力。对专业人员编制的软件，物理教师要有改造和使用能力。同时，需要专业人员和物理教师针对物理实验的空白和薄弱之处，编制出切实可行的软件。这是电脑模拟于物理实验教学的关键。 （二）物理实验室的构成 现在很多电脑应用于物理教学的尝试在计算机房进行，而计算机房与物理实验室的设置是完全不同的。所以要建立新概念的物理实验室，即物理实验室除常规的设置外，要配备计算机主机和2—4个大屏幕终端显示器。这是电脑模拟在物理实验教学中发挥其不可替代作用的重要保证。
