工科计算机仿真实验教学探讨

赵怀红　王　靖

摘 要：在开放式实验教学模式的基础上，研究了仿真实验教学获得的良好教学效果，探讨其存在的一此不足之处。

关键词：仿真实验；实验教学

工科实验教学工作越来越受到各个高校的重视。早前，教育部在全国高校中开展了建设新型实验教学示范中心的工作，从已建成的实验教学示范中心来看，以开放式实验为主的教学模式正逐步成为主流。

所谓开放式实验，主要是指实验时间上的开放、实验空间上的开放和实验内容上的开放。实验时间上的开放就是实验中心打破按课程表时间授课的模式，转变为类似图书馆那样规定开放时间，学生随到随做的模式。实验空间上的开放是指学生不再按实验中心排定的实验顺序、实验项目完成实验，而是由实验中心开出所有可选的实验项目清单，学生按照自己的兴趣爱好来选择实验项目。最后，实验内容上的开放是指实验内容被分为不同的层次，如验证性实验、设计性实验、创新实验。学生可以根据自己的水平选择同一个实验的不同层次，实现不同的实验目的。这种开放式实验教学模式，以因材施教为出发点，符合教学规律，是对传统实验教学模式的改革。

仿真实验是开放式实验教学的重要资源组成。所谓“仿真实验”，是相对于实物实验而言的，两者的主要差别在于：实验过程中所触及的对象与事物是否真实。在实物实验中所采用的实验工具、实验对象都是以实物形态出现的；而在仿真实验中，不存在实物形态的实验工具与实验对象，实验过程主要是对虚拟的实验仪器及设备进行操作。仿真实验虽然难以达到与实物实验完全一样的程度，但其良好的教学效果仍显而易见。

1 营造多样化教学环境，提高学习兴趣。

对大多数学生来说，在预习实验的时候，会感到书上一些概念性的介绍很抽象。虽然有些仪器附有图片，但是仍然显得很单调。学生预习起来容易缺乏兴趣，对实验原理并不能真正理解。如果学生以前没有接触过该实验的仪器，实验中就有可能因使用方法不当而进行误操作，造成实验中断、仪器损坏。仿真实验可以提供形象直观、内容丰富的学习环境，图文并茂、动静结合、节奏有序的实验内容，并以声音、图像等丰富的表现力帮助学生进行多感官的学习，这样无疑会增加学生的兴趣，调动他们学习的积极性，促进学生对实验仪器的熟悉和对实验原理的理解。特别是一些对学生来说陌生而复杂的仪器，经过仿真实验的练习，操作起来既轻松又胸有成竹，从而提高教学效率。同时，降低了大大了损坏率。

2 打破时间和空间的局限，确保开放式实验教学的实施。

将仿真实验与网络相结合，以网络为平台开展仿真实验教学。学生可以利用校园网或Internet对实验教学内容进行课前预习和课后复习，使教学内容在时间和空间上得到延伸，学生能够充分的学习和掌握实验教学内容。作为一个“开放的实验室”，学生可以根据自己的时间，在任何地点自主学习，利于学生根据兴趣选择，并能满足不同层次学生的学习需求。同时，给学生提供了自学实验的环境，培养了学生对实验的自学能力。

3 节省实验经费，提供无惧环境，保证实验的项目和数量。

自然科学前沿领域的高新技术设备价格昂贵，目伴随着高校办学规模的不断扩大，受教育资金的限制，高校仪器设备的数量和种类相对匮乏，传统单一的实验教学模式已远远不能满足实验教学的需求。多媒体仿真实验以较少的投入，更大的灵活性缓解了上述的矛盾。同时学生可以按自己的设想在多种实验环境中搭建自己的实验。

另一方面，部分实验还具有一定的危险性，因此许多学校在开设实验项目时常有所保留，学生也不敢大胆尝试实验。这在很大程度上扼杀了学生创造能力的发展。仿真实验系统认错性很强，在模拟的过程中学生操作一旦出错，系统立即指出调节错误，如果前一步调整不好就不允许进行下一步，迫使学生反复演练直至成功，学生的创造性思维会得到良好的发展。从而保证了实验的项目和数量。

4 真正实现理论教学与实验教学的结合。

仿真实验可以经过设置或再开发，作为理论教学的辅助工具。一些在学科发展中做出了历史性贡献的典型实验都可以利用仿真实验展现于课堂教学中，通过实验的方法引入新的概念和规律，把理论教学与实验教学有机的融为一体，按照科学探索和研究的过程进行教学，这样可以开阔学生的视野，提高学生实验的学习兴趣。

仿真实验以仿真的仪器为主要器材，它所仿真的元器件、仪器仪表和系统功能与真实的硬件存在着必然的差异。仿真实验虽然新颖有趣，但与真实实验仍有距离感。并且，将仿真实验应用于教学，它的整个教学过程都是在计算机上操作完成的，在教学应用中不可避免地具有一定的局限性。

4.1减弱对仪器的真实感受和基本技能的训练，与实际操作过程存在差距。

著名的英国卡文迪许实验室原则是:“用最简单的仪器做出最好的结果”。这也是在实验教学中应使学生树立的信念。因此，必须使学生养成良好的动手能力和利用简单设备及代用品筹划实验的习惯。在使用仿真实验的过程中，学生将注意力集中在计算机操作上，从而淡化对基本技能训练，甚至可能由于缺少实际动手机会，妨碍学生利用现成的简单设备进行探索和实验。

实验教学大纲要求学生能掌握各种常见仪器的操作技术，对常见仪器的零位调节，水平、铅直调整，电路连接，光路共轴调整以及各种仪器的正确读数姿势等动作技能达到“自动化”程度，这就必须保证学生对真实仪器有足够的操作次数，而一味使用计算机则会减弱学生对仪器的真实感受和基本技能的训练程度。另外，在实验仪器间的配接时一般要考虑接触是否良好。例如，电学实验中导线间接触不良也会影响实验现象。在实验操作过程中时，一些不必要的牵动、不正确的操作习惯和思维盲点都会直接影响到实验结果，而仿真实验在这方面的影响却很小。这必然造成学生基本技能的缺乏。

4.2缺乏师生互动，减少学生应对突发事件的机会。

在实验中遇到仪器故障、突发事件，会使学生遭遇问题，增加克服困难的训练机会，提高学生解决问题的能力。而仿真实验的条件相对理想，减少了学生应对突发事件、排除故障以及对实验仪器的常规检修的机会。另一方面，在实验教学中，不管教学课件制作的多么完美或详细，计算机只能起辅助教学的作用，无法取代教师的地位。因为教师可以随时指导学生解决在实验过程中遇到的各种突发的情况和问题，也能够根据学生的表情、语言、动作等及时调整自己的教学内容与教学方法以做到有效的互动，而计算机根本无法做到这些。另外，学生和教师交流过程中浓厚的人文精神正是现代教育思想所要强调的东西。学生在实验过程中，如果只和一堆没有人性的机器打交道，对于学生的个性成长绝对不是件好事。