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大学物理实验课程仿真系统的研究和开发 摘要 目前，研究开发以计算机技术为基础的仿真物理实验课件并应用于大学物 理实验课程的教学已经成为大学物理实验教学改革的研究热点之一。仿真实验 是基于物理学、教育技术学、软件开发等相关学科的理论，利用计算机创设一 个可视化操作环境，模拟真实实验操作并进行相关知识与技能的学习。在这种 环境下，学生可以不受时空限制自主地进行大学物理实验的预习与复习，教师 也可以根据需要开展部分物理实验内容的教学，达到提高大学物理实验课程教 学质量的目的。 论文第一章介绍了课题的来源、目的和意义、大学物理仿真实验的相关概 念和研究现状，并介绍了论文的组织结构和所做的主要工作。第二章是计算机 辅助大学物理实验教学的理论分析，包括大学物理实验教学的重要性、基本要 求、存在的问题及解决方法；对计算机辅助大学物理实验教学的发展进行了回 顾，总结了几种计算机辅助教学模式。第三章是在前两章的基础上论述了大学 物理实验仿真课件研制的相关理论与方法，即确定仿真系统的开发过程、确定 仿真系统的设计方法、确定仿真系统的设计原则、确定仿真系统的教学模式和 确定仿真系统的评价标准。在第四章中详细介绍了大学物理实验仿真系统的开 发案例，包括：用三线摆测量物体的转动惯量、十一线式电位差计测量电动势、 气垫导轨的应用。实践表明，将仿真物理实验课件应用于教学过程可以调动学 生学习大学物理实验的兴趣和积极性，帮助学生有效地进行课前预习与课后复 习，提高了实验教学的质量。 关键词：大学物理实验；计算机辅助教育；三线摆：十一线电位差计；气垫导 轨的应用 安徽省教学研究项目( 2 0 0 7 j y x m l 7 3 ) i r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n ti nt h es i m u l a t e ds y s t e mo fp h y s i c a l e x p e r i m e n tc o u r s ei nu n i v e r s i t i e s a b s t r a c t p r e s e n t l y ，r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n ti nt h ep h y s i c a ls i m u l a t i o ne x p e r i m e n t w h i c hb a s e so nc o m p u t a t i o n a lt e c h n o l o g yh a sb e c o m eah o ts p o to ft e a c h i n g r e f o r m a t i o na n di th a sb e e nw i d e l yu s e di nt h ec o u r s eo fc o l l e g ep h y s i c a l e x p e r i m e n t t h e t h e o r e t i c a lb a s e s o fs i m u l a t i o n e x p e r i m e n t a r e p h y s i c s ， e d u c a t i o n a lt e c h n o l o g y ，s o f t w a r ee n g i n e e r i n ga n ds oo n s i m u l a t i o ne x p e r i m e n ti sa v i s u a l i z e do p e r a t i n ge n v i r o n m e n tw h i c hi sc r e a t e db yc o m p u t e ，i nw h i c hy o uc a n l e a r nr e l a t e ds u b je c ta n di m i t a t ea l lk i n d so fe x p e r i m e n to p e r a t i o n s w i t hs u c h e n v i r o n m e n t ，s t u d e n t sc a np r e v i e wa n dr e v i e wp h y s i c se x p e r i m e n t si n d e p e n d e n t l y a ta n ym o m e n ta n de v e r y w h e r e i ti sa l s ou s e f u lf o rt e a c h e r st oi m p r o v et h eq u a l i t y o fp h y s i c a lt e a c h i n gb a s e do nt h en e e do fe x p e r i m e n t a lc o u r s e c h a p t e r1o ft h ed i s s e r t a t i o nd e s c r i b e st h es o u r c eo fi s s u e s ，t h ea i mo fr e s e a r c h a n di t ss i g n i f i c a t i o n ，t h eb a c k g r o u n d ，t h em a j o rw o r ko ft h ep a p e ra n di t ss t r u c t u r e t h e n ，c h a p t e r2a n a l y z e st h et h e o r yo fc o m p u t e ra i d e dp h y s i c se x p e r i m e n t ， i n c l u d i n gt h ef o l l o w i n ga s p e c t s ：t h ei m p o r t a n c eo fp h y s i c a le x p e r i m e n tc o u r s e ，t h e b a s i cr e q u i r e m e n t s ，t h ep r o b l e m sa n ds o l u t i o n s ，t h em o d e lo fc o m p u t ea i d e d e d u c a t i o n i nt h ec h a p t e r3 ，w ed i s c u s s e dt h ep r i n c i p l e so fc o u r s e w a r e m a k i n g a c c o r d i n gt o t h ep r e v i o u s c o n t e n t ：a s c e r t a i n i n gt h ed e v e l o p m e n to fp r o c e s s ， a s c e r t a i n i n gt h ew a y so fd e s i g n ，a s c e r t a i n i n gt h er u l e r so fd e s i g n ，a s c e r t a i n i n gt h e m o d e so ft e a c h i n g ，a s c e r t a i n i n gt h ec r i t e r i ao fe v a l u a t i o n c h a p t e r4g i v e st h r e e d e t a i l e dc a s e so fs i m u l a t e de x p e r i m e n t ，i n c l u d i n g ：u s i n gt r i l i n e a rp e n d u l u mt o m e a s u r et h em o m e n to fi n e r t i ao fo b je c t ，u s i n ge l e v e n w i r et y p ep o t e n t i o m e t e rt o m e a s u r ep o t e n t i a lo fc e l l ，a p p l i c a t i o no fa i rt r a c k i ti sp r o v e dt h a tt h ec o u r s e w a r e c o u l ds u b s t a n t i a l l yi n c r e a s es t u d e n t s i n t e r e s ta n dh e l pt h e mp r e v i e wa n dr e v i e w e f f e c t i v e l ya n dt h e r e f o r ei m p r o v e st h eq u a l i t yo ft e a c h i n go fe x p e r i m e n t a lc o u r s e k e y w o r d s ：p h y s i c a le x p e r i m e n ti nc o l l e g e ；c o m p u t e rb a s e de d u c a t i o n ；t r i l i n e a r p e n d u l u m ；e l e v e n w i r et y p ep o t e n t i o m e t e r ；a p p l i c a t i o no fa i rt r a c k i i 插图清单 1 1 论文的组织结构4 3 1 软件开发过程的渐增模型1 4 3 2 大学物理实验课程仿真系统开发流程图1 4 3 3 操作模拟教学模式2 2 4 1 三线摆测量物体转动惯量框架2 5 4 2 三线摆实验开始界面2 6 4 3 三线摆测量转动惯量实验界面2 7 4 4 电子秒表2 8 4 5 转动惯量的测量2 9 4 6 数据的记录与保存3 0 4 7 十一线电位差计测量电动势框架3 2 4 8 十一线电位差计测量电动势实验界面：3 2 4 9 检流计的调整3 4 4 1 0 连接线路图3 6 4 1 1 校准电位差计实验过程3 8 4 1 2 测量待测电池电动势4 1 4 1 3 气垫导轨的应用整体框架4 1 4 1 4 气垫导轨的调平4 2 4 1 5 速度的测量4 3 4 1 6c s - z 型智能数字测时器4 4 4 1 7 牛顿第二定律的验证4 5 v i i 图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图 表格清单 表4 1 三线摆实验开始界面属性设置2 6 表4 2 三线摆控件属性设置2 8 表4 3 检流计调整属性设置3 3 表4 4 电路连接属性设置3 5 表4 5 电位差计校准中主要控件属性设置3 7 表4 。6 验证系统物体质量不变时，其加速度与所受外力成正比4 6 v i i i 独创性声明 本人声明所星交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究i ：作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标。基和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得金垦! ：些厶堂 或其他教育机构的学位或证1 5 而使瑚过的材料。与我一同l ：作的同j 占对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学1 7 ：论文作者签字： 签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金8 墨! ：些厶堂 有关保留、使州学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部l j 或机构送交论文的复印1 1 ：和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人 授权金避! ：些厶堂 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检 索，可以采刚影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权l ) 学何论文者签名：曹遍 签字日期：弘l o 年1 1 1 月1 日 学位论文作者毕业后玄向： i ：作单位： 通讯地址： 导师签名 签字日期 电话： 邮编： 月j 日 i 致谢 在即将完成我的学位论文之际，特向一直默默关心我的导师、同学、朋友 和亲人们表示衷心的感谢和祝福，正是因为有了你们的支持和帮助，我才能专 心于学习和研究。 首先我要特别感谢我的导师罗乐老师。三年来，恩师严谨的治学态度和忘 我的工作精神成为我学习的楷模，本文从选题、撰写到定稿的整个过程都是在 罗老师的精心指导下完成的，对此我心中充满了感激之情。 真诚感谢电子科学与应用物理学院的各位老师对我的帮助和指导，感谢合 肥工业大学物理实验中心对我研究的支持与协助。 感谢硕士期间一起学习、生活的同学们一一纵榜峰、王乾、沈鸿俊、刘丽、 黄建伟、李伟华、梁小磊等。 感谢我的父母多年来对我的培养、关心以及对我学业的支持和帮助。 最后，谨向所有关心和支持过我的老师、亲人和朋友们致以诚挚的感谢， 并祝你们永远幸福安康。 i i i 作者t 丰远 2 0 1 0 年4 月1 3 日 第一章绪论 当前信息技术飞速发展，知识经济初露端倪，人类已从工业化时代进入信 息时代。自上世纪中叶以来，以计算机技术、信息技术、仿真技术、新材料为 代表的新技术革命极大地加速了科学技术的发展和各学科之间的相互交叉和渗 透，新学科的综合化趋势已成为科学发展的主流。高等教育必然要适应这些变 化，在课程体系、教学内容、教学方法和手段上必须进行改革和创新。计算机 信息技术的发展为教学方法和手段的现代化奠定了基础。 大学物理实验课程作为理工科专业人才培养过程中的第一门实践性课程也 应顺应时代发展的要求，不断改革与创新，提高教学质量。只有这样，才能适 应社会发展对人才培养的要求。近年来计算机仿真实验技术为实验课程的教学 改革带来了契机。 1 1课题的来源、目的和意义 1 1 1 课题的来源 课题来自于导师主持的安徽省教学研究项目“大学物理实验网络教学系统 的研究( 2 0 0 7 j y x m l 7 3 ) ”。论文的研究工作是该研究项目中的一部分研究内容， 主要开展大学物理实验课程仿真系统的研究工作。 1 1 2 研究目的 为了解决目前大学物理实验教学过程中普遍存在的学生课前预习难和课后 复习难的问题，研制开发一套具有科学性、实用性、可操作性、智能性和趣味 性的大学物理实验仿真系统，并应用于大学物理实验课程的教学过程，以提高 大学物理实验课程的教学质量。 1 1 3 研究内容 建立大学物理实验课程仿真系统开发的原则，开发一套大学物理实验课程 仿真课件；课件力求突出大学物理实验及其仪器的整体环境；让使用者通过仿 真系统能对实验建立起直观感性的认识，并加深对仪器功能、使用方法的认识； 为使用者提供具有较高真实感的界面：仪器可移动、调整，实现仿真控制的实时 性、交互性，实验仪器的可操作性。 1 1 4 课题研究的意义 探索大学物理实验教学的新方式：调动学生学习大学物理实验的兴趣和积 极性：创新实验教学的模式基于计算机仿真实验系统进行大学物理实验操 作学习；为实验教学与实验课程的讲解提供新的工具；营造多元化的物理实验 学习氛围，使实验教学在空间上和时间上得以延伸；介绍与实验相关的理论内 容、实验的历史背景和意义，扩大学生的知识面。 1 2 基本概念 1 。2 1 仿真的定义 在牛津英语词典中仿真( s i m u l a t i o n ) 被定义为：”t h et e c h n i q u eo f i m i t a t i n g t h eb e h a v i o ro fs o m es i t u a t i o no rs y s t e m ( e c o n o m i c ，m e c h a n i c a le t e ) b ym e a n so f a na n a l o g o u sm o d e l ，s i t u a t i o n ，o ra p p a r a t u s ，e i t h e rt og a i ni n f o r m a t i o nm o r e c o n v e n i e n t l yo rt ot r a i np e r s o n n e l 1 1 为了更方便地获取信息以及培训人员，借助 于相似的模型、环境和设备模拟某个环境或系统( 经济的、机械的等等) 行为 的技术。可见仿真的基本思想是利用各种手段类比模仿现实过程，以寻求对真 实过程的认识。 1 2 2仿真科学研究 仿真科学与技术是以建模与仿真理论为基础，以计算机系统、物理效应设 备及仿真器为工具，根据研究目标，建立并运行模型，对研究对象进行认识与 改造的一门综合性、交叉性学科1 2 】。 仿真科学与技术的研究对象是已有的或设想的客观世界，利用不同的支撑 技术，建立仿真系统，对客观对象进行抽象、映射、描述和复现。仿真包含三 个基本的活动，即：建立对象模型与仿真模型，构造仿真系统，进行仿真实验 与评估。仿真学科的关键是计算机仿真( c o m p u t e rs i m u l a t i o n s ) ，它的定义如 下： c o m p u t e rs i m u l a t i o n si st h ed i s c i p l i n eo fd e s i g n i n gam o d e lo fa na c t u a lo r t h e o r e t i c a lp h y s i c a l s y s t e m ，e x e c u t i n gt h em o d e lo n ad i g i t a lc o m p u t e r ，a n d a n a l y z i n gt h ee x e c u t i o no u t p u t 【3 】 计算机仿真包括设计一个实际的或理论的物理系统的模型，在数字计算机 上执行该模型，以及分析其执行输出。 仿真科学与技术极大地扩展人类社会认知世界的能力，可以不受时空的限 制；可以在各种假想条件下控制某些现象的发生和发展；可以深入到一般科学 不能研究的领域如宏观或微观世界去进行研究和探索；它为人类认识世界和改 造世界提供了全新的方法和手段。计算机仿真技术已经被视为认识世界的第三 种方法t 引。 1 2 3 仿真实验( s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t ) 仿真实验可以认为是借助于计算机仿真技术( c o m p u t e rs i m u l a t i o n s t e c h n o l o g y ) 来模拟实验操作或进行科学研究。 2 在大学物理实验教学中，仿真实验就是利用计算机创建一个可视化的实验 操作环境，每一个可视化仿真物体代表一种实验仪器或设备，通过操作这些仿 真的实验仪器或设备，学生可进行各种实验，达到与真实实验相一致的教学要 求和目的【5 1 。 1 3 仿真实验的研究现状 通过中国知网( c n k i ) 的关键词检索( 1 9 9 9 年2 0 0 9 年) ，我们发现 以“仿真实验”为关键词的文献有4 6 8 1 篇，其中关于物理实验( 主题) 的有4 7 7 篇；以“仿真虚拟实验”或“虚拟仿真实验”为主题的文献有2 0 9 5 篇，关于物理实 验方面的有1 7 5 篇。可以看出仿真实验是当前大学物理实验教学研究的热点之 一。 仿真理论的提出已经有几十年的历史，伴随着其诱人的应用前景，各国均 在大力开发并取得了一些进展1 6 1 【7 1 ，国外有很多大学和组织机构都已经开展了 仿真实验系统的研究和建设工作，特别是在一些著名的大学和应用实验室中， 已经建好并投入使用的仿真或虚拟实验系统也不少，例如： 美国u c f ( u n i v e r s i t yo f c e n t r a lf l o r i d a ) 创建了仿真和训练学院( i s t ) ， 是进行国防和商业应用的仿真、训练、建模和虚拟现实研究的研究中心【z 】。 印地安那州立大学建立了m b l 化学实验室。其主要功能有用计算机采集 与分析数据并展示仿真实验；在宽带网上发布有关的实验指导材料。 美国海军研究生院建立了建模、虚拟环境与仿真学院( m o v e s ) ，主要服 务于国防及国土安全的需要。该学院的目标是成为致力于建模、虚拟环境和仿 真领域的重大挑战的研究、应用和教育的世界级研究院，并结合科研项日培养 仿真专业的研究生【4 j 。 北卡罗莱纳州立大学的l a a p ，利用j a v a 技术建立的基于w e b 的探索式 虚拟物理实验室。其主要功能有展现虚拟实验设备和实验设施：提供相关的实 验课程模块；对实验学习结果进行评价。 在国内中南工学院建立了机械运动简图测绘虚拟系统。它具有三维动画演 示的功能；具有绘制机械运动简图画板的功能；具备打开、保存、打印实验报 告的功能；具有指导实验的功能。 大连理工大学的a n a l a b 虚拟化学实验室。该实验室面向大学化学的教学， 学习者可以按照实际情况进行模拟操作，a n a l a b 化学虚拟实验室系列覆盖大学 基础化学教学。形成了独特的风格。 1 4 论文的组织结构和主要工作 1 4 1论文的组织结构 论文的组织结构是按照理论加实践的模式展开的。第一到第三章是理论部 分，分别介绍大学物理实验课程理论、计算机辅助教育理论、计算机软件编程 开发理论、仿真系统设计理论，第四章是应用理论来进行具体的开发应用，详 细给出了课件的框架、场景设计、控件属性设置和程序实现原理。论文组织结 构如图1 1 所示。 1 4 2 论文研究的主要工作 1 介绍了大学物理实验课程的相关理论，并针对大学物理实验教学中存在的问 题提出了一些切实可行的解决方法。 2 对计算机辅助大学物理实验教学进行探讨，对计算机技术应用于大学物理实 验课程的教学做了一些研究，包括对教学模式的分析；比较了传统物理实验教 学与信息化物理实验教学的不同特征，指出信息时代物理实验教学表现出四个 特性即创新性、交互性、主动性和共享性。 图1 1 论文的组织结构 3 根据仿真系统的设计理论，结合物理实验本身和计算机编程技术研制开发出 一系列仿真实验课件，包括：三线摆测量物体的转动惯量、十一线电位差计测 量待测电池的电动势、气垫导轨的应用和基本物理仪器的使用等。 4 根据计算机软件评价的相关原则结合仿真系统的实际情况，提出了大学物理 实验课程仿真系统评价标准，为仿真系统的评价奠定了基础。 4 第二章计算机辅助大学物理实验教学 2 1 大学物理实验教学 大学物理实验课程是理工科学生进行科学实验训练的开始，是后继实验课 程的基础，它在培养学生用实验手段去发现、观察、分析和研究问题，最终解 决问题的能力方面起着至关重要的作用。做好大学物理实验课程的理论分析工 作对于大学物理实验课程仿真实验系统的研究和开发有着重要意义，它是整个 系统设计的理论基石。 2 1 1 物理实验在物理学发展中的作用 物理学一词最先出自希腊文9 1 ) o u t ，意指自然规律，现在指研究物质运动 的一般规律和物质基本结构的科学。物理学是一门建立在实验上的科学，实验 是物理学的基础。无论是物理规律的发现还是对物理理论的检验，都离不开实 验。物理实验对物理学的发展以及其它自然科学和技术科学的发展起到了重要 作用。 物理实验是发现物理规律，建立物理理论的基础。通过物理实验不仅可以 发现物理规律、建立物理理论，而且还能验证物理假说，检验物理理论的真伪。 1 9 0 5 年，爱因斯坦用光电子假说把光的微粒性和波动性统一起来，终结了光的 微粒说和波动说之间长期的争论，但直到1 9 1 6 年，当密立根以极为严密的实验 全面证实了爱因斯坦的光电方程之后，光的粒子性才为人们所接受。广义相对 论创立之初，由于十分抽象难懂，科学界反应冷淡，又因为它的许多结论与牛 顿经典物理学相矛盾，招致了一些人的反对。直到1 9 1 9 年，英国皇家天文学会 派出爱丁顿率领一支天文观测队去西非观测日全食，确认了水星近日点进动从 而验证了广义相对论的正确性【3 j 。从而使这一伟大的理论逐渐为人们所接受。 实验可以不断的完善理论体系，发展物理理论。在实验过程中，实验者根据各 种实验现象和理论分析得到思想的萌发和启迪，从而完善旧的理论，创造出新 理论。 2 1 2科学实验和教学实验 从实验研究的目的分类，物理实验可分为科学实验和教学实验1 9 1 。科学实 验为了预测、验证或获取新的信息，通过技术性操作来观测由预先安排的方法 所产生的现象，其全过程应包括四个环节，即：第一步，选定目标作出计划即 确定课题，构思模型，给出实验方案设计；第二步，制作或选择实验装置，按 设计方案准备实验所需设备；第三步。观察现象和测量数据，进行实验操作， 记录数据：第四步，分析、整理数据结果，得出结论。完成这四步之后，需讨 论由实验结果得到的结论，是支持肯定了原先所构思的模型方案设计，还是部 分肯定，尚需改进、完善设备或设计方案，抑或是修改、否定原先的设计目标。 因此，科学实验实际上包含着多次实验，甚至失败、再实验之后，最后得出结 果，从而获得新的规律。科学实验是探索的过程，可能成功也可能失败，结果 可能是符合预期设计的，也可能是否定预期设计的，当然还可能有意外的收获 而导致新发现。从而得到未曾预期的成功( 穆斯堡尔效应的发现过程就是一例) 。 每一次科学实验的成功都会揭示自然界的奥秘使人类在认识自然的道路上又前 进一步。 教学实验不同于科学实验，它是以教学为目的，其目标一般不在于探索， 而在于培养人才，它是以传授知识、培养人才为目的的。因此，教学实验( 尤其 是基础教学实验) 与科学实验无论从宗旨、内容和形式上都会有区别。教学实验 一般都是理想化了的，排除了次要干扰因素而简化过的实验，是经过精心设计 准备，一定能成功的。一般基础实验只做科学实验过程的第三、四两步，到了 高年级，视条件允许的程度，可能有少部分学生或少部分实验能涉及第一、二 两步。尽管如此，教学实验的地位仍然是非常重要的，因为该课程担负着培养 学生实验能力和科学素质的任务。人们要攀登科学高峰，首先要培养自身攀登 高峰的能力，这好比建造通向高峰的阶梯。攀登高峰的阶梯好像一座金字塔， 有着广阔、宽厚的基础和高耸的塔尖。基础愈宽厚，塔尖可以愈高，可及的科 学高峰也会更高。学生的任务主要就是积累知识、培养素质、提高能力，就是 建造攀登高峰的阶梯。 2 1 3大学物理实验课程教学的基本要求【1 0 】【1 1 】 大学物理实验课程应包括普通物理实验力学、热学、光学、电磁学实 验和近代物理实验。 掌握测量误差的基本知识，掌握测量误差与不确定度的基本概念，能应用 不确定度对物理实验中直接测量和间接测量的数据进行评估；掌握正确处理实 验数据的基本方法，如：列表法、作图法和最小二乘法等，能够应用计算机通 用软件进行实验数据处理。 掌握测量基本物理量的方法。如：长度、质量、时间、温度、压强、电流、 电压、电阻、电场强度、磁感应强度、光强度、折射率、普朗克常量等物性参 数的测量。 掌握实验室常用仪器的性能，并能够正确使用。 了解通用的物理实验方法，掌握常用的实验操作技术。 了解物理学史和物理实验史，对重大的物理实验有定的了解，对物理实 验在现代科学技术中的应用有一定的认识。 自主实验的能力。能够通过阅读实验教材和实验讲义，主动查询实验相关 资料，了解实验目的、掌握实验原理，做好实验前的各项知识准备；在实验中 6 能够正确使用实验仪器和辅助工具、独立完成实验内容并进行数据的记录和分 析；实验后能按照标准撰写实验报告，进行误差分析和实验总结。 分析与研究的能力。在实验中能够结合实验原理、实验设计思想、实验方 法步骤及相关的理论知识对实验现象、结果进行分析与研究。掌握实验所体现 的物理规律研究方法。能够具体问题具体分析，解决实验中碰到的问题。 理论联系实际的能力。在实验中能及时发现问题，分析问题产生的原因并 尝试解决问题。 创新能力。能够完成符合规范要求的设计性、综合性内容的实验，在教师 的指导下能进行具有研究性或创意性内容的实验。 大学物理实验课程的教学模式为课前预习、课堂教学与实验、课后复习与 总结。在课前预习环节中，学生根据教材和实验仪器了解实验目的、实验原理、 实验步骤、实验仪器与注意事项。在课堂教学环节中，教师开展讲解和辅导教 学活动，学生进行实验操作、现象观察、数据记录等实验活动。在课后总结与 复习的环节中，学生对实验数据进行计算、分析、得出结论并撰写实验报告。 2 1 4 大学物理实验教学中存在的问题及解决方法【1 2 】【1 3 】【1 4 】 为了提高大学物理实验课程的教学质量教育管理部门要求学校应创造条件 开放物理实验室，让学生在教学时间、空间和内容上有较大的选择自由。并且 实行分层次教学，为实验基础薄弱的学生开设预备性实验；为学有余力的学生 开设提高性、综合性实验，提供延伸课外教学的条件，尽可能满足各层次学生 学习的需要，适应学生的个性发展。但是目前高等学校由于受到人力、物力、 财力的限制，要实行起来还存在许多的困难。往往导致实验教学存在预习难、 复习难和学生随时进入实验室难的问题。同时实验设备和器材更新速度慢，难 以适应创新性人才培养的需要。 从目前学校的教学条件来看解决上述问题的一条捷径就是开展计算机辅助 大学物理实验教学的工作。通过开发大学实验课程仿真系统并建立大学物理实 验网络教学平台，可以以很低的投入建立起不受时间空间限制、不受仪器价格 限制、不受实验工作人员限制的仿真实验室，从而解决学生预习难、复习难， 随时想进实验室难的问题。通过开发仿真实验仪器还可以解决仪器更新速度慢， 试验经费不足的问题，因此，开展计算机辅助大学物理实验研究是目前条件下 解决大学物理实验教学中存在的问题，提高大学物理教学质量的一种行之有效 的方法。 2 2计算机辅助大学物理实验教学 计算机技术的发展和网络通讯的普及为高等教育的发展与改革创造了条 件，计算机技术应用于高等教育的同时也产生出许多新兴的交叉学科。计算机 7 辅助教育就是其中之一。 2 2 1 计算机辅助教育 计算机辅助教育( c o m p m e rb a s e de d u c a t i o n ，c b e ) 是指以计算机为主要 媒介所进行的教育活动，即使用计算机来帮助教师教学，帮助学生学习，帮助 教师管理教学活动和组织教学活动【i5 1 。计算机辅助教育主要包括：计算机辅助 教学( c o m p u t e ra s s i s t e di n s t r u c t i o n ，c a i ) ，计算机管理教学( c o m p m e rm a n a g e d i n s t r u c t i o n ，c m i ) ，计算机辅助测试( c o m p u t e ra s s i s t e dt e s t ，c a t ) ，计算机 辅助学习( c o m p u t e ra s s i s t e dl e a r n i n g ，c a l ) 。实质上c a t 和c a l 是c a i 的两个分支，c b e 主要包括c a i 和c m i 。 计算机辅助教学( c a i ) 是指利用计算机帮助或替代教师执行部分教学任 务，传递教学信息，对学生传授知识和训练技能，直接为学生服务【l 酬。它将计 算机作为教学的载体，为学习者提供一个良好的教学平台，是学生通过与计算 机的交互来进行学习的一种教学方式。计算机与其他教学媒介相比并无什么不 同，只是它具有快速存储和自动处理等功能，在利用计算机教学时，学习者可 以自主选择学习内容和进度，能够根据自身需求来选择学习方式，从而实现个 别化教学和因材施教。 2 2 2c b e 的发展 c b e 的研究和应用始于l9 5 8 年的美国，至今已有5 2 年的历史。1 9 4 6 年2 月1 0 日，美国军方在宾夕法尼亚大学研制成功第一台计算机之后，计算机的发 展经历了由专业计算机向通用计算机，由实验室走向市场的商业化路程。1 9 5 8 年i b m 公司沃斯顿研究中心设计了世界上第一个计算机教学系统，由此c b e 系统出现并得到逐步发展【l 。 二十世纪5 0 年代到7 0 年代是摸索和试验阶段。在这一时期各方面进行了 许多类型的c b e 研究探索，对计算机辅助教育的效果和作用进行测量与评价并 形成了一系列理论。这一阶段的理论和实践为2 0 世纪8 0 年代c b e 的发展奠定 了坚定的基础。在这个阶段的成果主要有两个：p l a t o i v ( p r o g r a m m e dl o g i c f o ra u t o m a t i ct e a c h i n go p e r a t i o n ) 和t i c c i t ( t i m e s h a r e di n t e r a c t i v ec o m p u t e r c o n t r o l l e di n f o r m a t i o nt e l e v i s i o n ) i s 】 c b e 的普及和大众化应用出现在2 0 世纪7 0 年代。这一时期电子技术的发 展使得微型机如a p p l e 、a t a r i 、c o m m o d o r e 等机型的体积变得越来越小，价格 也随之下降，微机的使用更加简单和易于维护，另外许多学者提出了e 1 e a r n i n g ( e l e c t r o n i cl e a r n i n g ) 的理论。因此许多教育机构购买了微型计算机，用于教 学和教育管理。美国在1 9 8 0 年用于中小学购买计算机的资金为4 7 0 万美元，而 到1 9 8 3 年则迅速增加到2 5 7 亿美元。1 9 8 5 年约2 4 的美国中学有1 5 台以上 8 的微机，而到1 9 8 9 年则有6 4 的学校拥有1 5 台以上的微机。8 0 年代后期每年 微机拥有量的增长数高达3 0 万到4 0 万台，机型也由8 位机为主迅速变为1 6 位机为主【1 9 1 。可以看出发达国家对于计算机应用于教学的投入是逐年增加的。 我国从2 0 世纪8 0 年代开始进行了c b e 的研究。主要成果有：1 9 8 1 年到 1 9 8 2 年华东师范大学研制的“微机辅助b a s i c 语言教学系统”，北京师范大学 和大连理工大学的“高校课程表自动编排系统”，西北工业大学的“排课表软件” 等。1 9 8 5 年以后在教育部的支持下，计算机教育应用得到很快发展，据统计1 9 8 6 年我国中小学微机总量达6 万台以上，1 9 8 9 年达l o 万台。从1 9 8 7 年开始，各 种教学软件被开发出来，其中有两项在国家的“七五”攻关项目中列入。这一时 期我国的计算机辅助教育进入快速发展阶段【l 9 1 。 进入2 0 世纪9 0 年代，计算机技术、多媒体技术、网络技术、人工智能技 术得到极大发展，与此同时信息理论导入教育学科使教育理论的研究有了新的 突破，如b 1 e a r n i n g ( b l e n d 1 e a r n i n g ) 理论的提出。c b e 的发展开始进入新的阶段， 称之为多元化发展阶段。在这一阶段主要有如下特点： ( 1 ) 多媒体技术的应用。 进入9 0 年代以后计算机的硬件水平有了很大提高，c p u 的处理速度越来 越快，硬盘和内部存储器的性能有了质的飞跃，在此基础上多媒体技术日益成 熟。多媒体技术不是各种信息的简单复合，它是把文本( t e x t ) 、图形( g r a p h i c s ) 、 图像( i m a g e s ) 、动画( a n i m a t i o n ) 和声音( s o u n d ) 多元素有机结合，并通 过计算机进行综合处理和控制。它具有集成性高、控制性强、交互性好等一系 列优点，广泛应用于包括教育教学在内的各个领域。 ( 2 ) 超媒体教学 超媒体技术是将多媒体技术和超文本形式结合起来，以一种非线性信息管 理技术为架构，将教学内容以发散的形式展现。超媒体教学基于非线性顺序结 构，可以对各种教学资源，如图片、声音、动画进行整合，使之符合人类联想 方式的思维特征进行学习。超文本媒体技术改变了传统教学信息的表现形式， 使学习内容走向交叉化和立体化。在这种教学的模式下，学生会利用多样化的 学习途径，学会从多角度、多层次思考问题，训练发散思维，从而锻炼创新意 识。如今，智能超媒体将专家系统的特征引入，改变了原有系统中动态跟踪能 力弱的缺点，使学生在浏览时不会因为海量资源而迷失方向，避免了盲目浏 览学习资料的现象，从而使学生用最短的路径学习到较多的知识量，提高了学 习效率。 ( 3 ) 网络技术的发展 网络技术的发展使得传统的教学方式得以改变，出现了各种多媒体网络教 学形式如：虚拟校园、远程教育和电视大学等。计算机网络教学让学习者足不 出户就可以享受优质的教育资源，可以不受空间和时间的限制自主学习，让学 9 校教育转变为终身教育成为可能。网络教育在世界各国发展很快，如：美国于 1 9 9 6 年提出旨在推动学校联网的“网络日”志愿活动，到目前为止，一个覆盖美 国主要教育机构的网络业已形成，几乎全国所有的学校都能开展网络教育。在 高校，网络教育所开设的学历、学位课程已超过5 万门，基本覆盖了美国高等 学校所有的学科和专业。在中国，国家于1 9 9 5 年开通了中国教育科研网 ( c e r n e t ) 。1 9 9 8 年有4 所高校试点现代远程教育，清华大学已开发了近1 0 0 门网络课程，用于校内及网络远程教育。 ( 4 ) 仿真教学 在教学领域中仿真技术已经得到很好的应用。仿真是一种新型的人机交互 方式，它为用户提供了一种身临其境的体验，试图寻找一种最佳的人机通信方 式。仿真技术在教学中应用可以建立与真实环境相近似的学习场景，使学生处 于模拟的真实环境中，从而获得第一手的感性材料和直接经验，达到对操作技 能、科学概念的深亥4 认识。例如，休斯顿大学和美国航天局在约翰逊空间研究 中心建造了一种“虚拟物理实验室”系统，利用该系统可以直观的研究惯性、地 球引力、重心等物理现象。使用该系统的实验者可以做万有引力定律等实验， 可以控制、观察由于改变重力加速度的大小、方向所产生的种种现象。虚拟仿 真教学已成为教育领域的热门话题。 2 3 计算机辅助教学模式 在计算机辅助教育系统中教学模式通常分为操作与练习、模拟、咨询、问 题求解、游戏和个别指导六种基本方式，这些基本方式反映了在教学活动中人 机交互的方式和教学的策略，是计算机辅助教学中的基本规范和要求【1 9 1 。 2 3 1操作与练习型教学模式 操作与练习教学模式一般用于实现教学过程中学生练习阶段中的某种功 能，该模式不是向学生传授新知识和新技能，而是用来巩固和加强某些已经学 习过的知识和技能。它的基本教学方式是：计算机在屏幕上呈现问题，学生进 行回答后，计算机判断正误给予反馈，当学生答对时，计算机给以适当奖励， 强化学生的记忆和理解，当学生回答错误时，计算机让学生再试一遍或给予适 当提示与帮助。操作与练习教学模式是通过大量的提问和反馈来帮助学生学习。 这种教学方式的特点是：反馈及时，能缩短刺激一反应的时间间隔并及时纠正 错误，巩固知识；减轻学习压力，减少为应付教师而抄袭作业的现象，可以使 学生集中注意力；能够保存成绩，方便教师了解学生现状，制定个性化的教学 目标，提高教学质量。 2 3 2 模拟型教学模式 1 0 模拟型教学模式是利用计算机模拟自然科学或入文科学的某些现象和规 律，产生与现实世界类似的现象，供学生观察，帮助学生认识、理解这些规律 的本质。这种模式近年来受到许多领域的重视，被认为有助于培养学生能力， 因而成为发展最快的一种教学方式。 2 3 3 咨询型教学模式 咨询型模式的教学方法是：学生根据自身情况提出要求或问题，计算机检 索数据库回答问题。实际上这是一个计算机检索系统，其特点是检索对话简单、 自然，便于学生使用。例如，学生要了解物理学概念时，向计算机输入物理学， 屏幕出现菜单并询问学生需要了解的是：l 力学；2 电磁学；3 热学；4 光学 中的哪一个选项，当学生选择“1 ”时，计算机会呈现力学的相关知识。在咨询 型课件中，学习的控制权掌握在学生手里，计算机只是回答学生的查询和提问， 它适合于使用者随意探索知识从而增加自己的知识面。 2 3 4问题求解型教学模式 这是一种智能型教学方式。这种模式引导学生与微机系统一起求解问题。 在求解过程中，学生应用已经学过的知识去自主获得新的知识，掌握求解的方 法。所求的问题可以是数值问题也可以是其它问题。在这种模式下学生利用计 算机作为解题工具，进行计算和方案比较，选择最优化解题方法。 2 3 5 游戏型教学模式 游戏型教学模式提供一种富有竞争性和趣味性的教学环境，激发学生的学 习兴趣，使学生在富有教学意义的游戏中得到训练或有所启发。游戏型模式强 调教学性，有其明确的教学目标和具体的教学内容，在整个教学活动中教师要 注意引导和规范，不能让它成为普通的游戏，应通过启发、归纳让学生注意其 教学内容，达到教学目标。游戏型教学模式的内容是：设计一个竞争目标，从 初始状态出发，最后能达到胜负或平局的状态：有两方以上的参与者，对立方 可让计算机扮演；明确游戏规则，规则中应包含教学目标和教学内容；要有结 束时间，即游戏应在有限的时间内达到目标状态。 2 3 6 个别指导型教学模式 个别指导型教学模式是把教学活动分解为较小的教学单元，每个单元完成 一项最基本的教学活动，它是通过精心安排各种形式的教学材料，对学生进行