模拟软件,让学生物理实验操作身临其境
开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇模拟软件,让学生物理实验操作身临其境范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！
物理学是一门以实验为基础的学科，物理学概念的建立与规律的形成大多是以实验为基础的，包括人们提出的各种假说和设想都要通过实验来加以验证。学生物理实验操作成功与否，能显示学生动手能力的强弱和对物理规律的掌握程度。现在流行的用计算机来模拟物理实验环境和仿真物理实验的软件很多，但多是用于说明或演示实验原理抑或偏重实验结果的，然而，物理实验在重视结论的同时应更加重视实验的操作过程。笔者认为，具体针对学生物理实验进行操作模拟的软件的开发，对物理课堂教学更具有必要性。其优越性和实例分析如下。
开发实验操作模拟软件的必要性
新课程改革要求在物理教学上更加突出实验教学，然而由于种种原因，目前中学开展实验教学的效果并不是很理想，特别是实验操作的教学环节往往被忽视。当今学生普遍热衷于虚拟电子游戏，是因为这些游戏能够让学生“身临其境”，体会到失败的挫折与成功的喜悦，游戏还具有真实的可操作性，与现实生活比较贴近。
有鉴于此，如果我们在物理实验教学中，也能创造一个类似虚拟电子游戏的真实实验模拟环境，利用计算机来模拟真实物理实验环境，模拟课堂教学中所要呈现的实验现象，通过模拟实验把实验设备、教学内容、教师指导和学生的操作有机地融合为一体，软件中的所有素材直接从实验室的仪器设备中拍摄，所有动作和操作脚本都取材于实验手册，这样就能让学生“身临其境”地参与到模拟实验中，体会到实验的操作过程，得到与真实实验几乎相同的体验。在此基础上再参与实验室真实实验的操作，势必会增加操作过程中的成功率，学生对实验教学的兴趣会大大增强，实验效果也会得以提高。基于这种思路开发出来的面向学生物理实验操作模拟的软件，肯定会受到学生的喜爱，这种实验类软件虽然不能够代替真实的实验，但因其模拟的是真实实验环境，可弥补真实实验效果的不足，是真实实验教学的得力助手，故对真实实验教学有很强的促进作用。
适合学生实验操作模拟的软件的优越性
1. 提高学生的学习兴趣。因本类软件的开发思路是面向操作，素材拍摄取材于实验室，所有软件中使用的元器件都直接取材于实验室，操作过程与实验室的真实操作近乎一致，通过软件设置的实验目的、实验步骤、实验要求，能一步步到达实验的结果，有点“游戏”的感觉，容易激发学生的动手欲望，提高学生参与实验的兴趣。
2. 增加实验的安全性，同时减少设备的损坏。实验中，学生因为不熟悉实验仪器的使用和操作步骤，操作的安全性时常让老师大伤脑筋，也造成了大量设备的损坏。例如在“多用电表的使用”的实验中，不少学生对多用电表的使用原理不甚了解，对测量要求不明确，拿到多用电表就到处去测，也不管当时用的是什么档位，实验课上险象环生。一堂学生实验课结束，很多学生还不知道如何进行欧姆调零，多用电表则报废了不少台，使实验教学效果大大降低。而利用模拟实验，先操作模拟多用电表，了解多用电表功能和读数方法以及电表的操作要求，然后再做真实实验便能得心应手了。
3. 模拟实验过程具有可控性。为了便于对实验的理解和回顾，有时我们希望在分析实验时可以任意暂停、放大观察或放慢镜观察等，而真实实验是不可能实现这些要求的，然利用计算机模拟实验，就能达到这样的效果。例如做弹性碰撞实验时，可利用慢镜动画，展现碰撞的全过程，使学生对实验的感观效果更强烈。
4. 可以突破实验室限制进行操作模拟实验。一些在物理学发展史上有着重大意义的物理实验，因实验室条件限制而无法重现。例如“卡文迪许的扭秤实验”、“发射火箭和天体运动”实验等，教学中只能靠讲解与图片来描述，对学生的说服力不强。如果利用计算机来模拟实验的过程，则不仅可以生动形象地重现当时的实验环境，还能够让学生感受到科学家的探索、创新精神，体会科学的本质，激发学生的学习兴趣和求知欲。
5. 实现实验的预习功能及对实验进行重复操作和复习。学生每一次在实验室操作完后，很难再现同样的实验现场，当学生对实验产生疑问或想要复习实验时，重新再做的可能性很小。而通过模拟实验和人机对话，学生可以多次操作，既能克服因实验失败造成的恐惧，又有助于学生回忆起真实实验的操作过程，使实验教学效果更加巩固。
6. 突破时空限制，把实验室带回家。计算机模拟物理实验使用灵活，受时间空间的影响很小。我们可以把模拟实验存放到网络服务器上，形成开放式的资源库，学生登陆资源库就能方便地下载、操作、提交问题和在论坛上进行交流讨论。
实验操作模拟软件的开发思路和案例
以面向实验操作模拟的软件开发思路是以高中物理实验手册（以下简称手册）为蓝本，开发环节分为：实验目的、实验仪器、实验原理、实验步骤、实验过程、数据和误差分析、讨论交流。下面以《验证牛顿第二定律》实验开发（以下简称为本实验）为例，简要说明开发的基本过程。
1． 实验目的的确定：依据本实验的手册确定为验证牛顿第二定律。
2． 实验仪器的认识和元件的采集：从实验室拍摄与本实验相关的仪器设备的现场照片，在实验中如果该仪器是需要操作或者是要读数的，则必须把仪器拆散，拍摄每一个能活动的组件以备后期制作软件所需（如上页图1示例）。在软件制作时，用鼠标移动热点的形式标明每件仪器设备的名称、功能用途、使用条件等，方便学生了解。
3． 实验原理的掌握：依据本实验的手册，在软件开发时用文本解析本实验的原理，并绘制实验原理示意图。
4． 实验步骤的了解：参照本实验手册的实验步骤，先以文本的形式展现给学生，让学生对实验的进程作完整的了解。
5． 实验操作的模拟：软件的开发以本实验手册的实验步骤为脚本，软件在操作进程上的设计则按照实验的步骤顺序进行，要求能顺利组装好所有设备。实验中最关键的步骤要在软件中作提示，并作为实验通过的必要条件，否则实验不能进入下一步。（例如本实验在平衡摩擦力步骤，就会要求学生能反复试验垫好木块，以使小车匀速运动才能进行下一步。）这样可以在模拟实验阶段强化并消除学生在真实实验操作时常常忽略的操作和常犯的一些步骤性错误。在模拟实验过程中需要测量的数据提供，如模拟直尺、模拟放大镜等的工具，对于设备需要读取的数据，也要能直观地进行读取，同时在软件中要把得到的所有数据进行变量储存，以备在数据分析阶段使用。（例如本实验所用纸带的打点结果图象，要保留至数据分析时能够调用，实现数据的传递。纸带上计数点间的间距，用模拟直尺来测量，测得的数据填入表格并储存进变量中，以备在数据分析过程中求加速度时调用等。）
6． 数据和误差分析：按照本实验手册的数据处理要求，调用在模拟实验中得到的数据进行计算处理，求出对应的加速度，用F=ma验证结果。同时分析数据计算结果与理论结果的差距，找出误差原因，并依据实验原理在误差范围内对比得出实验结论。
7． 讨论交流：同学们可以把做实验的心情、实验过程的成败等到论坛上，随时回顾，互相交流。
做好物理实验是学习物理之本，我们开发组在面向学生物理实验操作模拟的软件开发上的尝试有了些成果，在软件使用中给学生带来的是更多实验成功的感受和对实验的自信，达到了开发这类模拟实验软件的初衷。
（作者单位：广东增城市新塘中学）