模拟仿真实验研究

【摘要】模拟仿真实验作为计算机在教学中应用的一种教学模式,多年来在教学中发挥了一定积极作用,但在模拟仿真实验构建时,模型创建和教学性能设计存在一些普遍问题。为了使模拟仿真实验能够在教学应用中更有效地发挥作用,文章将研究模拟仿真实验及其教学设计问题。

【关键词】计算机教学应用;模拟仿真实验;教学设计

【中图分类号】G420【文献标识码】A 【论文编号】1009―8097(2010)06―0132―03

一 引言

模拟仿真实验作为计算机用于教学的一种基本模式,在教学中有着广泛的应用前景。它既适合于在教师指导下课

堂教学,也适合于学习者进行探究式自主学习和协作学习。本课题在认真研究已有模拟仿真实验基础上,发现实验构建中的模型创建和教学设计存在一些普遍问题,表现在抽象模型,交互性、针对现象反馈和教学性能方面。我们所开发的模拟物理实验系统,正确地运用了建构主义学习理论,实现了一个全新的面向学习者的学习环境。

二 模拟仿真实验

模拟是指在交互控制状态下,对某种现象或过程进行表现和展示。按照所要表现的现象,可以把模拟分为两大类四种情况:物理现象和过程变化的模拟;程序性和情形性的模拟。在计算机辅助真实现象的模拟教学模式中,物理现象的模拟是将一个真实的现象或过程的某种规律在屏幕上表现出来,以供学习者去学习和研究,如表现光线通过透镜的成像规律,光线通过棱镜的传播等问题。过程变化的模拟,通常是为学习者说明解释一个不会明显表现出来的过程及难以理解的概念所进行的模拟。这两种模拟一般是不可人为随意干预或参与的。第二类情况中,大多数程序性模拟是为了教授一个构成过程的行为或动作顺序,它的主要特点是有一个或更多的步骤序列,以供学习者学习或训练。情形性模拟是在不同的情形下,涉及人的态度而非技能行为,不像程序性模拟要教一系列规则,而是展示允许学习者针对某种情形探索,用不同方法或扮演不同的角色时,所产生的影响并实时地表现出来。其中物理现象和过程变化的模拟,最常见的一种就是模拟仿真实验。

三 模拟仿真实验设计

随着信息技术的发展,人们可以模拟出自然界发生的各种现象和过程,并实时地加以显示。在所建立的模拟实验教学情境中,不但能够实现随时观察到与实际实验相同的现象或结果,还可以清楚地观察到实验发生和现象演变的过程、扩大或缩小观察空间、减慢或加快时间上的控制等,还可在有效的范围内方便地改变某些条件、参数或仪器进行对比实验,随时触发对当前状态的说明解释。将其用于教学中将极大地引起学习者的学习兴趣,大大提高教学和学习过程的效率,使抽象的概念、规则和原理变得简单易学。同时可以做到及时纠正实验中所犯的错误,绝对避免了在实际实验环境中可能带来的可怕后果。

那么,在设计模拟仿真实验时,要充分考虑其教学设计,以建构主义学习理论作为指导,结合物理现象的特点,建立以计算机模拟物理实验和对实验进行分析的学习情境。模拟仿真实验设计目标,能够在交互控制下实现对现象、过程、内部机制和原理等内容的展示,易于学习者对系统的运动状态、变化过程、受外部条件的影响、概率特性和响应特性等进行观察思考和分析研究。

1 设计要求

为了方便教师或学习者自身在所创设的情境中,启发、诱导或学习者之间通过协作学习的过程,进行讨论和探究来完成意义建构,在探索的环境和气氛中实现有目的学习[2]。设计要能够完全反映真实现象的整个过程,包括仪器设备、装置及所呈现的现象显示逼真,模拟过程科学、结果真实、数据可靠等。能够对实验现象的展示进行多次重复,以利于对现象的规律、规则、理论进行详细深入的探索和研究。能够实现智能化的模拟仿真,让学习者观察到实际实验中难以或根本观察不到的实验发生过程和微观内部机制,并通过形象的表现揭示其中内涵、规律;实现对某些实验的人为控制,能够瞬间观察感兴趣的现象或量值;可以把隐藏在现象背后的实质问题突出地展示出来;通过改变实验条件、参数或仪器进行对照类比等。这对于学习者理解抽象的概念、掌握或探索有关的规则、定理或定律会起到非常关键的作用。

2 实验设计

根据模拟实验的特点和教学性能设计目标,可以将实验的结构和流程设计成介绍部分、呈现现象、交互活动、系统修改、系统反馈和结束。为了便于说明和设计,这里主要从以下几个方面讨论实验设计中所涉及的问题。

(1)实验说明与帮助

说明包括本专题的教学意图、演示项目和教学建议的总的扼要文字说明、使用与操作指导,其作用在于避免学习者盲目进行操作或对学习过程不知所措;帮助应实现在线帮助,即在实验过程中可以随时激活、浏览一个帮助窗口,提醒学习者对现象进行特别提示和探究引导。例如,在单摆实验中使用指导提示和教学建议提示。

(2)基本模型确定

模拟实验基本模型,是从真实实验抽象出关键的要素,能够用计算机编程实现模拟的首要一步。建立模型要有足够的精度。在设计时重点应抓住实验中最本质的东西,而把非本质的东西尽可能去掉,又不影响反映实验现象本质的真实程度。例如模拟物理实验系统中在确定单摆实验模型时,只考虑摆长和重力加速度对单摆周期的影响,而忽略空气阻力的作用;只考虑摆线长度,摆球质量及实验地点的变化,而忽略具体变化摆线长度的调节过程,摆球质量的称量过程和实验地点的转移过程。摆动过程中的数据调节范围足以表现其运动规律,摆线长度的变化范围在35cm-106cm之间(地面上摆的摆长约99.4cm),利用滑块变化技术即时调节摆长;摆球质量有20g、30g、40g、50g几种。地点有柏林、北京、新加坡、月球等可供选择。每次变化摆长、质量、地点进行实验所得的数据,完全按照单摆周期公式反映了对周期的影响。真实单摆实验的摆球运动轨迹是弧形的,其摆动过程是连续的,而模拟摆动实验却是跳跃的、间断的,但在计算机程序代码运行时利用了人的视觉反应时间,完全可以较逼真地模拟出连续的效果[1]。

模型要尽量简单。模型的构造是为了计算机编程实现上的考虑,对所要模拟的现象应从持续性、分立性和逻辑性方面进行数学抽象。持续性是指在视觉反应期间能对模拟现象的连续变化的描述;分立性是指通过一些分立的量来表现现象的某种规律或规则;逻辑性是指对模拟现象表现过程的逻辑方面的考虑。这里的持续性、分立性和逻辑性,在整个模式构造中要既分开独立找到特有影响因素或相关量,又要统筹考虑对现象整体效果的影响。在模型中既要考虑模拟现象自身的特性,又要考虑与学习者进行实验控制操作有关的交互性,涉及到的因素有:模拟中的每个对象、每一个物理量;所遵从的规律规则;现象的精确性;实现的顺序;几种解决方案;时间帧;学习者的角色扮演等。在模型确立过程中,要严格地按照科学规律进行设计,同时要注意模拟现象对条件的要求,在何条件下成立,何条件下不成立要明确。如模拟物理实验系统中,物距与像距是相对透镜光心而言的,只要物距和像距的调整范围能够表现出成像位置及大小的变化规律即可,无需由于变化透镜位置给实验设计及测量带来麻烦和不便。基于这样的考虑,要求透镜固定放在60厘米处,对于焦距是10、15、20厘米来讲,物的放置范围在060厘米之间,物可放在此区间的任何位置,屏在0110厘米的区间内通过任意移动,来找到清晰成像的位置及观察像的大小变化,从而表现出物距u、像距v和焦距f间的位置对应关系及物像大小的变化规律等。设计时的数学抽象既简单又有效,在现象的表现中既涉及到持续性、分立性,又涉及到逻辑性。

(3)模型建立步骤

在明确实验设计目标基础上,对实验进行认真研究,确定主要变量;找出实验中的各种内部联系和关系;确定实验约束条件;根据有关学科规定使用符号或代号;简化和检查实验模型,看它是否可以表现出真实的实验现象。

3 实验现象显示

把模拟现象真实表现出来,既要考虑让学习者看见的,又要考虑听见的,同时注意所表现现象和数据的可靠性。在这一阶段,首先应明确要表现的主题是为了观察现象,还是为了说明某个概念。一般情况下,物理模拟主题,通常是观察现象或通过现象总结出某种规律。情形性模拟主题,通常要说明某种概念;而程序性和过程模拟通常两者都包括。其次考虑模拟中项目或仪器的选择,操作对象,对事件作出的反应,对现象某种规律的有效观察等等。另外应考虑模拟表现上的真实性,这就需要充分利用计算机技术,做到生动、直观、形象真实。如真实摩擦力实验中,摩擦力不是直接看到的,而在模拟实验中却可显示任一瞬间摩擦力的大小和方向;在弹簧振子的简谐振动实验中,学习者可观察到位移、回复力、速度、加速度矢量随振动而周期性变化的情况,并可显示任一位置的位移、回复力、速度、加速度的数值;在自由落体运动实验中,类似于闪光照相技术,提供了每隔1/30秒在落体瞬时位置打点的方法,直观展示出在相同时间间隔内,落体的位移变化情况,同时将数据记录在表格中,以利进一步研究和计算;在楞次定律的真实实验中,磁感线是不能直接观察到的,但在模拟物理实验中则根据需要让学习者生动、形象地观察到磁感线的疏密、方向的变化。为了达到实验的准确性,在动画设计上应采用定时处理,既做到模拟的实验现象与实际的现象相一致,又做到模拟的过程与实际的过程相一致。同时注意动画的演示不要因机器速度的不同而发生畸变。有些现象专门为其具有教学性能而展示。

4 交互性设计

模拟实验设计中的交互控制,主要体现在学习者与模拟事件的交互性作用上,模拟的交互性越强,越真实有效,越具吸引力。模拟实验有别于一般演示实验,体现在它具有较强的交互性,主要反映在用户对各种参数的选择、设定和调节上或仪器的选用上,实现在有效合理范围内方便地改变参数或仪器等进行对比实验。可表现在系统中的角度、位置、速度、温度等几何和物理参量变化上,也包括选择物理模型、样式或样品、条件等,还应包括观察角度、画面显示状态、计算步长等等。如模拟物理实验系统中,在交互性方面体现在:可将物、透镜和屏拖动至光具座的相应位置上,且可对相互位置关系正确与否作出判断与提示。物和屏可分别放在各自区间内任意移动,使学习者清楚地观察到物距与像距、物与像大小的对应关系与规律。同时允许学习者随时更换或调节透镜焦距和物的大小,这些教学性能给教师的讲解和学习者的学习提供了更多的可变参数,便于对问题的深入研究探讨。

控制功能要灵活方便,设计时注意参数的调节过程和参数的显示,要比较直观、方便、快捷。交互形式最常用的是键盘、鼠标、触摸屏、光笔和语音等。因为学习者的参与主要靠灵活方便的控制来实现,通过提供一定的实验控制或选择条件,将有利于学习者的进一步钻研和知识的拓宽[3]。

5 显示与反馈

当对模拟系统进行某种操作后,系统应给出相应的反馈,这种反馈可以是自然的,也可以是人为的。所谓自然反馈是类似于可能发生的事,人为反馈是类似于个别指导或练习模式中给出的相应提示或结论性信息,如对当前状态的说明解释。对于前一类情况,应能随时显示改变参数后的实验结果,即可以实时绘制与显示。如当物距、物大小、透镜焦距及屏位置中,只要有一个量发生变化,屏上所接到的光斑或像就随之变化。另外考虑提供多种显示方式,如截面、二维或三维表现等;可调显示参数,如投影角度、比例、显示范围等,体现出显示的多样性、可调性。如模拟物理实验系统中除了在屏上观察像外,可随时激活图标显示正面画面,满足学习者从不同角度进行观察。这将有利于学习者对同一现象的观察与思考,能从不同的侧面、角度进行全面的观察与分析比较,经过探究而得出结论。

四 模拟仿真实验教学应用

对于模拟仿真实验系统,它既适用于教师课堂进行教学,也适用于学习者自己进行探究式学习。教师利用这种特定实验情境,启发学习者主动探讨研究,完全像做实验一样归纳和总结出相关的规律。利用情境或在情境中进行教学,能够让学习者参与进来,做到教师只是引导者而非讲演者,更利于学习者主动进行学习。教师再也不会感到物理难教,一些原来单纯利用黑板和演示不容易讲得清楚的东西,现在在模拟实验中实实在在地动态显示出来,便于讲解。从学习者角度也不会再感到物理难学,原来仅仅靠想象的抽象东西,现在活灵活现地出现在面前,你可以仔细观察,反复实验,经过思考后得出结论。对学习者而言,完全可以独立或与学习伙伴一起进行实验,利用系统关键提示和解释,实现探究学习。因此,利用这样的模拟实验开展教学,能够大大激发学习者的求知欲,满足学习者的探索欲,最大限度地发挥学习者的认知主体作用,让学习回归本体,就是实现学习者自主学习,不再是“被教会”。

五 结论

通过结合作者开发的模拟物理实验系统项目设计与实践,文章探讨了模拟仿真实验设计及其教学设计的方法,由于不同学科有其自身的特点,在进行设计时应该根据实际情况进行具体处理,但总体目标都是要求实现随时观察到与实际实验相同的现象或结果。归纳为以下几点:(1)模型构建时要简洁,抓住最基本要素,排除非本质的东西。(2)实验要有很强交互性。(3)模拟过程要清晰、可重复。(4)模拟的结果要真实可信。(5)现象呈现时关键帧有说明解释。(6)有学习指导和使用说明。这样设计出来的模拟仿真实验,在教学上有利于学习者的启发式、探究式学习。随着计算机技术不断进步,计算机用于教育教学,特别是模拟实验这种教学模式,必将在教学和学习中发挥愈来愈大的作用。

参考文献

[1] 李云程.探讨制约CAI开展的关键环节软件设计问题[J].中国电化教育, 2000,(3):40-42.

[2] 曹文君等.多媒体CAI课件开发中若干问题的研究和实践[J].计算机工程 2000,26(4):54-56.

[3] 李云程.利用Agent技术实现教学软件的智慧型交互特性[J].电脑知识与技术学术交流,2006,(8): 153-232.