工科計算機(jī)仿真實驗教學(xué)探討

趙懷紅　王　靖

摘 要：在開放式實驗教學(xué)模式的基礎(chǔ)上，研究了仿真實驗教學(xué)獲得的良好教學(xué)效果，探討其存在的一此不足之處。

關(guān)鍵詞：仿真實驗；實驗教學(xué)

工科實驗教學(xué)工作越來越受到各個高校的重視。早前，教育部在全國高校中開展了建設(shè)新型實驗教學(xué)示范中心的工作，從已建成的實驗教學(xué)示范中心來看，以開放式實驗為主的教學(xué)模式正逐步成為主流。

所謂開放式實驗，主要是指實驗時間上的開放、實驗空間上的開放和實驗內(nèi)容上的開放。實驗時間上的開放就是實驗中心打破按課程表時間授課的模式，轉(zhuǎn)變?yōu)轭愃茍D書館那樣規(guī)定開放時間，學(xué)生隨到隨做的模式。實驗空間上的開放是指學(xué)生不再按實驗中心排定的實驗順序、實驗項目完成實驗，而是由實驗中心開出所有可選的實驗項目清單，學(xué)生按照自己的興趣愛好來選擇實驗項目。最后，實驗內(nèi)容上的開放是指實驗內(nèi)容被分為不同的層次，如驗證性實驗、設(shè)計性實驗、創(chuàng)新實驗。學(xué)生可以根據(jù)自己的水平選擇同一個實驗的不同層次，實現(xiàn)不同的實驗?zāi)康?。這種開放式實驗教學(xué)模式，以因材施教為出發(fā)點(diǎn)，符合教學(xué)規(guī)律，是對傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式的改革。

仿真實驗是開放式實驗教學(xué)的重要資源組成。所謂“仿真實驗”，是相對于實物實驗而言的，兩者的主要差別在于：實驗過程中所觸及的對象與事物是否真實。在實物實驗中所采用的實驗工具、實驗對象都是以實物形態(tài)出現(xiàn)的；而在仿真實驗中，不存在實物形態(tài)的實驗工具與實驗對象，實驗過程主要是對虛擬的實驗儀器及設(shè)備進(jìn)行操作。仿真實驗雖然難以達(dá)到與實物實驗完全一樣的程度，但其良好的教學(xué)效果仍顯而易見。

1 營造多樣化教學(xué)環(huán)境，提高學(xué)習(xí)興趣。

對大多數(shù)學(xué)生來說，在預(yù)習(xí)實驗的時候，會感到書上一些概念性的介紹很抽象。雖然有些儀器附有圖片，但是仍然顯得很單調(diào)。學(xué)生預(yù)習(xí)起來容易缺乏興趣，對實驗原理并不能真正理解。如果學(xué)生以前沒有接觸過該實驗的儀器，實驗中就有可能因使用方法不當(dāng)而進(jìn)行誤操作，造成實驗中斷、儀器損壞。仿真實驗可以提供形象直觀、內(nèi)容豐富的學(xué)習(xí)環(huán)境，圖文并茂、動靜結(jié)合、節(jié)奏有序的實驗內(nèi)容，并以聲音、圖像等豐富的表現(xiàn)力幫助學(xué)生進(jìn)行多感官的學(xué)習(xí)，這樣無疑會增加學(xué)生的興趣，調(diào)動他們學(xué)習(xí)的積極性，促進(jìn)學(xué)生對實驗儀器的熟悉和對實驗原理的理解。特別是一些對學(xué)生來說陌生而復(fù)雜的儀器，經(jīng)過仿真實驗的練習(xí)，操作起來既輕松又胸有成竹，從而提高教學(xué)效率。同時，降低了大大了損壞率。

2 打破時間和空間的局限，確保開放式實驗教學(xué)的實施。

將仿真實驗與網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，以網(wǎng)絡(luò)為平臺開展仿真實驗教學(xué)。學(xué)生可以利用校園網(wǎng)或Internet對實驗教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行課前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)，使教學(xué)內(nèi)容在時間和空間上得到延伸，學(xué)生能夠充分的學(xué)習(xí)和掌握實驗教學(xué)內(nèi)容。作為一個“開放的實驗室”，學(xué)生可以根據(jù)自己的時間，在任何地點(diǎn)自主學(xué)習(xí)，利于學(xué)生根據(jù)興趣選擇，并能滿足不同層次學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。同時，給學(xué)生提供了自學(xué)實驗的環(huán)境，培養(yǎng)了學(xué)生對實驗的自學(xué)能力。

3 節(jié)省實驗經(jīng)費(fèi)，提供無懼環(huán)境，保證實驗的項目和數(shù)量。

自然科學(xué)前沿領(lǐng)域的高新技術(shù)設(shè)備價格昂貴，目伴隨著高校辦學(xué)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，受教育資金的限制，高校儀器設(shè)備的數(shù)量和種類相對匱乏，傳統(tǒng)單一的實驗教學(xué)模式已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實驗教學(xué)的需求。多媒體仿真實驗以較少的投入，更大的靈活性緩解了上述的矛盾。同時學(xué)生可以按自己的設(shè)想在多種實驗環(huán)境中搭建自己的實驗。

另一方面，部分實驗還具有一定的危險性，因此許多學(xué)校在開設(shè)實驗項目時常有所保留，學(xué)生也不敢大膽嘗試實驗。這在很大程度上扼殺了學(xué)生創(chuàng)造能力的發(fā)展。仿真實驗系統(tǒng)認(rèn)錯性很強(qiáng)，在模擬的過程中學(xué)生操作一旦出錯，系統(tǒng)立即指出調(diào)節(jié)錯誤，如果前一步調(diào)整不好就不允許進(jìn)行下一步，迫使學(xué)生反復(fù)演練直至成功，學(xué)生的創(chuàng)造性思維會得到良好的發(fā)展。從而保證了實驗的項目和數(shù)量。

4 真正實現(xiàn)理論教學(xué)與實驗教學(xué)的結(jié)合。

仿真實驗可以經(jīng)過設(shè)置或再開發(fā)，作為理論教學(xué)的輔助工具。一些在學(xué)科發(fā)展中做出了歷史性貢獻(xiàn)的典型實驗都可以利用仿真實驗展現(xiàn)于課堂教學(xué)中，通過實驗的方法引入新的概念和規(guī)律，把理論教學(xué)與實驗教學(xué)有機(jī)的融為一體，按照科學(xué)探索和研究的過程進(jìn)行教學(xué)，這樣可以開闊學(xué)生的視野，提高學(xué)生實驗的學(xué)習(xí)興趣。

仿真實驗以仿真的儀器為主要器材，它所仿真的元器件、儀器儀表和系統(tǒng)功能與真實的硬件存在著必然的差異。仿真實驗雖然新穎有趣，但與真實實驗仍有距離感。并且，將仿真實驗應(yīng)用于教學(xué)，它的整個教學(xué)過程都是在計算機(jī)上操作完成的，在教學(xué)應(yīng)用中不可避免地具有一定的局限性。

4.1減弱對儀器的真實感受和基本技能的訓(xùn)練，與實際操作過程存在差距。

著名的英國卡文迪許實驗室原則是:“用最簡單的儀器做出最好的結(jié)果”。這也是在實驗教學(xué)中應(yīng)使學(xué)生樹立的信念。因此，必須使學(xué)生養(yǎng)成良好的動手能力和利用簡單設(shè)備及代用品籌劃實驗的習(xí)慣。在使用仿真實驗的過程中，學(xué)生將注意力集中在計算機(jī)操作上，從而淡化對基本技能訓(xùn)練，甚至可能由于缺少實際動手機(jī)會，妨礙學(xué)生利用現(xiàn)成的簡單設(shè)備進(jìn)行探索和實驗。

實驗教學(xué)大綱要求學(xué)生能掌握各種常見儀器的操作技術(shù)，對常見儀器的零位調(diào)節(jié)，水平、鉛直調(diào)整，電路連接，光路共軸調(diào)整以及各種儀器的正確讀數(shù)姿勢等動作技能達(dá)到“自動化”程度，這就必須保證學(xué)生對真實儀器有足夠的操作次數(shù)，而一味使用計算機(jī)則會減弱學(xué)生對儀器的真實感受和基本技能的訓(xùn)練程度。另外，在實驗儀器間的配接時一般要考慮接觸是否良好。例如，電學(xué)實驗中導(dǎo)線間接觸不良也會影響實驗現(xiàn)象。在實驗操作過程中時，一些不必要的牽動、不正確的操作習(xí)慣和思維盲點(diǎn)都會直接影響到實驗結(jié)果，而仿真實驗在這方面的影響卻很小。這必然造成學(xué)生基本技能的缺乏。

4.2缺乏師生互動，減少學(xué)生應(yīng)對突發(fā)事件的機(jī)會。

在實驗中遇到儀器故障、突發(fā)事件，會使學(xué)生遭遇問題，增加克服困難的訓(xùn)練機(jī)會，提高學(xué)生解決問題的能力。而仿真實驗的條件相對理想，減少了學(xué)生應(yīng)對突發(fā)事件、排除故障以及對實驗儀器的常規(guī)檢修的機(jī)會。另一方面，在實驗教學(xué)中，不管教學(xué)課件制作的多么完美或詳細(xì)，計算機(jī)只能起輔助教學(xué)的作用，無法取代教師的地位。因為教師可以隨時指導(dǎo)學(xué)生解決在實驗過程中遇到的各種突發(fā)的情況和問題，也能夠根據(jù)學(xué)生的表情、語言、動作等及時調(diào)整自己的教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方法以做到有效的互動，而計算機(jī)根本無法做到這些。另外，學(xué)生和教師交流過程中濃厚的人文精神正是現(xiàn)代教育思想所要強(qiáng)調(diào)的東西。學(xué)生在實驗過程中，如果只和一堆沒有人性的機(jī)器打交道，對于學(xué)生的個性成長絕對不是件好事。