摘 要

计算机模拟作为一种激发学习者的学习动机及提供认知发展过程的支持工具，在中学物理教学中发挥了重要作用。文章对模拟相关的概念进行了阐述，探讨了计算机模拟进行中学物理课堂的必要性，最后分析了计算机模拟进入中学物理课堂教学的途径。

关键词

计算机模拟 中学物理 教学途径

一、与模拟相关的概念辨析

计算机模拟提供了激发学习者学习动机和认知发展的环境，学生在与该环境的互动中，有效地促进了思维的发展，因此计算机模拟在中学物理教学中发挥了重要作用。近年来，模型、建模、模拟这三个相关的概念经常出现在物理学科的教学与研究中。因此，很有必要梳理这三个概念。

1.模型

模型是对物体、事件、系统、过程、物体或事件间的关系等进行的一种表征。Hestenes和他的同事们一直提倡在物理教学中使用模型。他认为模型是目标对象的代用品，是一个真实事物概念化的呈现[1]。在物理中的模型是数学模型，也就是说，在模型中各个物理属性是用变量来表示。因此，在模型中，需要清楚地定义变量，变量所表现出来的行为与真实系统中的行为应该是相似的。

关于模型的理解通常达成以下共识[2]：（1）模型是拟研究的物体或过程的一个简化版本。（2）模型能被描述或解释。解释模型是基于类推基础上的，即把建模的物体或过程与更多熟悉的物体或过程相关联。（3）一个模型要有预测能力。（4）一个模型的预测能力是有限的。

2.模拟

模拟（simulation）是指模仿真实事件发生的过程与情境的经历。计算机模拟提供了某种系统或过程的模型，学习者通过与该模型的交互，来建立有关该现实情境或理论系统的心智模型，并在交互中对这种心智模型作出有效的检验，从而实现对知识的理解和掌握[3]。

Louise Sauve等人认为模拟具有以下特征[4]：模拟是一个动态的模型。模型是静态的，因为他的元素不能被设计或修改。模拟允许参与者为了研究该模型而根据自己想要的方式去控制他，因而是动态的模型；模拟是一个简化的模型，这种简化必须复制系统的本质特征；模拟是一个逼真的、精确的、有效的模型，采用了用户更易理解的方式来呈现知识；模拟具有教育特征和帮助人们对真实世界理解的潜能。

Milrad认为模拟提供的环境有以下主要功能[5]：能促进学习者心智模型的发展；允许对模型进行有效检验，以解释或预测系统中的事件；便于发现变量之间的关系和解决问题的多种不同的方法。

3.建模

在教育中使用模拟有两种途径，一是使用模型（Model-using），另一个是构建模型（Model-building）[6]。使用模型是指使用别人构建的模拟来学习，教师可以使用常用的教学方法来进行基于模拟式教学。在这种情况下，模拟作为一个交互的策略或事件，学习者只能操作嵌在模拟界面的参数和变量，不能定义新的变量和改变模拟世界物体的内部参数。构建模型是计算机模拟的高级形式。在这种方式中，学习者既可以操纵、改变模型中的变量参数，还可以对模型本身加以干预，如定义新变量和建立变量之间的关系，他们可以按照自己的理解来建构合适的模型。构建模型有时候也称为“建模”，是构建或修改模型的动态过程。

二、计算机模拟进入物理课堂教学的必要性

1.计算机模拟是一种重要的教学补充形式

由于物理学科具有实验性、实践性以及抽象性等特点，对我们的教育教学方式提出了更高的要求。在对复杂的运动现象和抽象概念的教学过程中，传统的一支粉笔加一块黑板的模式已经不能有效地帮助学生进行概念的理解。计算机模拟能将复杂的运动过程或者宏观和微观的运动过程更直观地、形象地表现出来，并配合教师的讲解，能促进学生对知识的理解和建构。因此，计算机模拟是物理教学的有益补充，是帮助学生理解物理知识不可或缺的手段。

2.激发学习兴趣，促进概念构建

计算机模拟提供了一个交互式的学习环境，通过用户体验、与该学习环境的交互，能够激发学生学习的兴趣，促进概念的构建。学习者能在计算机模拟中改变参数，观察现象，因而也能促进他们的自主学习。

3.培养科学思维

物理教学中非常注重对现象的观察、提出假设、验证假设等科学思维的培养。作为一种先前知识与新知识之间的桥梁，学生在计算机模拟环境中可以提出假设、验证假设，帮助学生在试误中开发科学思维。此外，计算机模拟环境能激发学习者批判性思维、创造性思维和综合性思维的培养。

三、计算机模拟在中学物理教学中应用途径分析

1.教师课堂演示

物理课程中涉及大量的抽象概念和复杂的运动过程，教师很难用语言讲授清楚，这些内容通常是学生学习中的难点。计算机模拟可以使得教学内容可视化，使得抽象的理论更形象化和直观化，因而教师可以利用计算机模拟进行可视化教学，通过直观形象的模拟动画的演示来辅助知识点的讲解。根据教育中模拟的使用途径来分析，在课堂演示中使用计算机模拟的途径主要是使用模型，只不过这类模拟可以是别人开发的，也可以是教师来开发，其主要功能是课堂演示。其主要教学过程是：讲解——演示——讲解。

最常见的计算机模拟运用于课堂演示的方式就是教师利用Flash软件开发带有计算机模拟的物理课件，如在讲授平抛运动的时候，通过计算机模拟出平抛运动的运动轨迹和函数图形，动态地再现物体运动的过程。在光学实验教学中，由于仪器精密，在调试过程中，学生很难调试到实验要求的理想状态，使教学的难度增加。在教学中引入计算机模拟，对光学现象模拟并配合理论的讲授，能够很好地解决以上难题。

2.学生自主探究

（1）使用模型

计算机模拟由于能够模仿真实事件发生的过程与情境，并且提供了学习者与模拟情境的互动，因此非常有利于学生进行自主学习。根据模拟在教育中的使用途径来看，在自主学习中较为常见的使用途径是使用模型，即使用别人构建的模拟来学习，学生的学习活动更多地侧重于使用计算机模拟来学习科学知识。常见的教学过程有：设疑引思——自主探究——交流分享——评价总结。在自主探究环节中，学习者可以设置模拟界面的参数和变量的值，如改变一些物理参数，观察这些参数的改变而导致的运动现象的变化，通过可测变量来探究变量之间的关系等。

如在单摆的学习中，教师通过创设情境，引入单摆这个教学内容。抛出问题：单摆是一种理想化的系统，单摆振动的周期跟哪些因素有关呢？学生可以通过计算机模拟，用“控制变量”的方法来研究物理问题。学生在（如图1所示）模拟参数界面中输入相应的参数，如小球的质量、单摆的长度、重力加速度、单摆初始角度等，然后点击“单摆运动模拟”按钮，就可以观察到在给定的参数下，单摆的运动过程。运动结束以后，在参数界面上显示出了单摆在该参数下的运动周期以及理想单摆的运动周期。学生通过不断改变参数，来探究单摆的运动周期与这些参数之间的关系。此外，学生还可以点击“时间序列图”按钮，观察到单摆整个运动过程中的一些动力学特性（如图2所示），如角度与角速度随着时间的变化关系（a），单摆的空间运动轨迹（e），角度与角速度相图（d）等。学生通过计算机模拟探究了影响单摆振动周期的因素之后，教师还可以设疑让学生进一步基于计算机模拟探究，如在大摆角下，摆不能看成是做简谐振动的原因，大摆角时摆的振动到底有什么特性，与小摆角时摆的振动有什么不同等。通过与计算机模拟的互动和自主探究，学生会更好地理解单摆的初始角度要小于5度的原因。探究完成之后，进行交流分享，最后教师进行评价总结。

（2）构建模型

构建模型是模拟运用的高级形式。在这类应用中，学习者可以自己设置参数、确定变量之间的关系，根据自己的理解构建模型。常见的教学过程有：创设情境、设疑引思——模型建构、自主探究——模型评价、小组交流——案例点评、全班分享——模型修改、反思升华——再次应用、巩固强化。

如在“物体的浮与沉”的教学中，教师通过抛出真实问题情境，引发学生学习的兴趣和积极的思考。复杂问题的解决通常需要学生对新概念和已有知识进行综合运用，因此教师可以通过提供脚手架来帮助学生更好地进行问题解决。在模型构建环节，学生通过定义变量、确定变量之间的关系、构建模拟界面、调节变量、观察结果等一系列步骤，对自己的设想进行分析论证。如学生通过计算机建模软件EJS，定义变量以及变量之间的关系，构建模型界面（见图3），通过图4的模拟界面，观察不同的参数条件下物体的沉浮状态。模型建构完成之后，组织学生进行小组内的模型评价。教师通过筛选出典型模型案例，进行全班点评。学生根据评价交流的结果进行模型修改，并且通过另一个相关问题的求解进行模型的再次应用，对科学概念进行巩固强化。此外，教师通过评价学生构建的模型，能更好地了解学生在科学概念理解上的细节，以便进行教学补救。

从上面分析可知，此应用途径侧重于“做科学”，通过构建模型减少了“学习科学”和“做科学”之间的差别。此外，模型建构——模型评价——模型修改——模型应用四个环节从个人知识构建和社会化交互两个层面促进了学生对概念的理解。

由上面的分析可以看出，计算机模拟在物理教学中应用途径多样化，采用哪种途径取决于教学内容和教学目标以及学生已有的知识。此外，物理教师如何看待和理解计算机模拟、如何将计算机模拟有效地整合于课程教学也是影响计算机模拟在中学物理课程应用效果的关键。

x参考文献

[1]Hestenes D.Toward a modeling theory of physics instruction[J].Am.J.Phys.，1987.

[2]Etkina E，Warren A，GentileM.The Role of Modelsin Physics Instruction[J].The Physics Teacher，2006.

[3] 张建伟.基于模拟式教学及其效果研究回顾[J].电化教育研究，2001（7）.

[4] Sauvé L，Renaud L，Kaufman D，Marquis J.S.Distinguishing between games and simulations：A systematic review.Educational Technology & Society，2007（3）.

[5] Milrad，M..Using Construction Kits，Modeling Tools and System Dynamics Simulations to Support Collaborative Discovery Learning[J].Educational Technology and Society，2002（4）.

[6] Rieber，L.P.（2006）.Supporting Discovery-Based Learning with in Simulations[EB/OL].Availableonline：http：//www.iwm-kmrc.de/

workshops/visualization/rieber.pdf[retrievedon12/20/2006]

[作者：李凌云（1979-），女，江苏如皋人，南京晓庄学院教师教育学院副教授，硕士。]

【责任编辑 孙晓雯】