（教育技术学专业论文）基于探究式学习的物理仿真实验室的设计.pdf

硕士学位论文 摘要 随着教育信息化的发展，教育领域对教学软件的需求不断增大。但 广大一线教师普遍觉得当前教育软件总体上来说数量很多，但真正适合 自己用的却很少。教学软件不应只是书本的搬家，而应承载、支持并体 现一定的教育理念，通过多种表现形式和问题情境的创设，帮助学生掌 握运用知识解决问题的方法，增强学生运用知识的意识和学习的自信心， 有助于培养学生科学的探究能力和创新能力。教学软件依据的学习理论 不同类型也会不同，对学生在学习过程中所起的作用也不尽相同。 结合教育软件产品开发中存在的一些问题，本文提出了基于探究式 学习的物理仿真实验室的设计。从提高学生的探究能力和创新能力的角 度出发，把探究式学习的理论和教学模式作为软件设计的指导思想。软 件的功能实现都从这个思想出发，使学生在学到知识的同时还能提高创 新与探究能力。 现有的大多数物理实验软件都是针对某一特定的实验进行设计，在 培养学生的探究能力方面存在不足。鉴于此我们提出了基于元器件的物 理仿真实验室的设计，在仿真实验室中学生可以选取仪器自己动手设计 实验，而不只是按照设定好的实验步骤来做实验。这样有利于培养学生 的探究能力。 软件在技术上采用u m l ( u n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g e ) 建模方法进行 模型设计，利用面向对象仿真技术编程设计与实现。详细分析了仿真实 验室软件的设计过程。在结论部分指出了软件存在的不足之处，提出物 理仿真实验室以后的发展趋势。 关键词：实验室；仿真软件；探究式学习；学习理论；物理实验 基于探究式学习的物理仿真实验室的设计 a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y ，t h e r ea r em o r ea n d m o r e t e a c h i n g s o f t w a r et ob en e e d e d t h e o v e r w h e l m i n gm a jo r i t y o f f r o n t l i n et e a c h e r sa r e n ts a t i s f i e dw i t ht h et e a c h i n gs o f t w a r e t h es t u d e n t s s h o u l d n to n l yl e a r nt h ek n o w l e d g eo ft h eb o o k ，b u ta l s oi m p r o v et h e e x p l o r a t i o na n di n n o v a t i v ea b i l i t yt h r o u g hu s i n gt h et e a c h i n gs o f t w a r e b u t m o s to ft e a c h i n gs o f t w a r eo n l ys h o wt h ek n o w l e d g eo ft h eb o o k ，h a r d l y d i s p l a yt h el e a r n i n gt h e o r y t h ef u n c t i o no ft e a c h i n gs o f t w a r ei st h a th e l p t h es t u d e n t sh a v et h em e t h o da p p l y i n g k n o w l e d g et o s o l v e p r o b l e m s ， e n h a n c et h ea w a r e n e s st ou s ek n o w l e d g ea n ds e l f - c o n f i d e n c ea n dc u l t i v a t e t h e c a p a b i l i t y o fs c i e n t i f i cr e s e a r c ha n di n n o v a t i o n ，t h r o u g hc r e a t i n g s i t u a t i o n e a c hl e a r n i n gt h e o r yh a si t so w nc h a r a c t e r i s t i c s t h et e a c h i n g s o f t w a r eu n d e rg u i d a n c eo fd i f f e r e n tl e a r n i n gt h e o r yi sd i v e r s e a n dt h e f u n c t i o nt ot h es t u d yi sn o tt h es a m e t h ep a p e rp r e s e n tt h ed e s i g no fp h y s i c a ls i m u l a t i o nl a b o r a t o r yb a s e d o ni n q u i r yl e a r n i n g d i f f e r e n tf r o me x i s t i n gp h y s i c sl a b o r a t o r ys o f t w a r e d e s i g n e dt ot i et os o m es p e c i f i ce x p e r i m e n t ，w ed e s i g nt h es o , w a r eu n d e r t h eg u i d a n c eo ft h ei n q u i r y - l e a r n i n gt h e o r ya n dt e a c h i n gm o d e w h e nt h e s t u d e n t su s eo u rs o f t w a r et od oe x p e r i m e n t ，t h e yc a nd e s i g na n dc a r r yo u t n e we x p e r i m e n t sb yt h e m s e l v e s s t u d e n t s i n t e r e s ti ne x p e r i m e n tc a nb e a c t i v a t e da n dt h e i rc r e a t i v et h i n k i n ga n dc o m p e t e n c ec a nb ei m p r o v e d o no n es i d e ，w eu s et h eu m l ( u n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g e ) m o d e ld e s i g n m e t h o d sa n do b j e c t o r i e n t e ds i m u l a t i o nt e c h n o l o g yt od e s i g na n di m p l e m e n t t h es o f t w a r e o nt h eo t h e rs i d et h ep a p e rd i l a t e st h ep r o c e s so fs o f t w a r e d e s i g n m e a n w h i l e ，t h ed i s c u s s i o na b o u tt h ep r o b l e mi nt h es o f t w a r ea n dt h e a p p l i e df o r e g r o u n d a r e p r e s e n t e d i tp o i n t s o u tt h a tt h es i m u l a t i o n l a b o r a t o r yn e t w o r ka n dv i r t u a ls c e n ei st h er e s e a r c hd i r e c t i o no fp h y s i c s l a b o r a t o r ys i m u l a t i o ni nt h ef u t u r e k e y w o r d s ：l a b o r a t o r y ，s i m u l a t i v es o f t w a r e ，i n q u i r y - l e a r n i n g ，l e a r n i n g t h e o r y ，p h y s i c a le x p e r i m e n t h i 硕士学位论文 插图索引 图4 1 面向对象仿真方法与仿真基本概念框架映射关系1 9 图5 1 仿真实验室的框架图2 3 图5 1 0 电路类对象状态图3 4 图5 1 1 电路连接类的算法流程3 7 图5 1 2 仿真实验室系统的界面3 8 图5 2 电学仿真实验室功能用例图2 4 图5 3 电路抽象用例图2 5 图5 4 电路图2 6 图5 5 独立电压源的等效电流源2 7 图5 6 实验子系统类图3 0 图5 7 器件的继承关系3 1 图5 8 连接类31 图5 9 连接电路顺序图3 3 图6 1 力学仿真实验室框架3 9 图6 2 力学仿真实验室功能用例图4 0 图6 3 类之间的关系图4 l 图6 4 力学仿真实验室的界面图4 2 v l 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 表薮彳式日期：7 “7 年，月1 0 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密日。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 叁兵绣 f 奶移 日期：7 岬年f 月i o 日 日期： w 7 年1 1 月o 日 硕士学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 仿真实验是利用计算机创建一个可视化的实验操作环境，其中每一 个可视化仿真物体代表一种实验仪器或设备，通过操作这些虚拟的实验 仪器或设备，即可进行各种实验，达到与真实实验相一致的教学要求和 目标，它是虚拟仿真技术、计算机技术和专业理论知识多方面结合的结 晶【lj 。计算机虚拟及仿真技术已经成为许多领域进行系统分析和设计的 重要技术手段，把这种技术应用到物理实验教学领域，为计算机辅助物 理实验教学的实现提供了一种可行的模式和方法【2 1 。仿真实验教学和传 统实验教学相结合，改变了传统的实验教学模式，推进实验教学向科学 化和现代化的方向发展。 在高科技迅猛发展、人才竞争日趋激烈的今天，在物理实验教学中 培养学生的科学素质，以提高他们未来的社会竞争力显得尤其重要。而 探究式学习对于培养学生的科学素质不失为一种行之有效的好方法。 近几十年来，教育信息化的迅猛发展，使得教育软件市场得到进一 步的发展。物理仿真实验室作为一种物理实验教育软件被越来越多的高 校所采用。但总的来说，我国的教育软件的开发与应用还处于发展阶段。 远远不能满足教育改革和发展的需求。目前教育软件还存在着很多的不 足，主要表现在两个方面，一是没有从教师和学生的心理出发，没有把 教学思想和学习理论有效的融入到软件的设计中来【4 1 。二是教育技术与 软件技术的结合性较差，两者沟通不够。教师队伍缺少软件表达能力， 而软件人才缺少足够的教学经验，所以软件的设计并不能完全满足教师 的需要。物理仿真实验室软件作为一种教育软件也存在着类似的问题， 如何使教育软件更加完美，教育软件将从哪些方面来完善，是需要软件 设计者认真思考的问题。 随着教育技术理论的发展，软件技术的发展和应用领域的扩展，新 的功能和特性不断的被加入到仿真实验系统中来，同时也有新的应用需 求产生i zj 。其中，使用者对于实验的自主设计功能的要求是最为强烈的。 同时教育改革对学生素质培养提出了新的要求，我们在设计软件时就需 要用学习理论的思想来指导软件的设计开发，从而设计出符合学生需求， 同时有利于提高学生探究能力的物理电学仿真实验室软件。 基于探究式学习的物理仿真实验室的设计 1 2 仿真物理实验室的发展现状 人们对计算机仿真实验的研究始于上世纪八十年代末，那时国外一 些研究机构试图以计算机为工具，模拟一些复杂系统的运作，并对其加 以控制【2 】。如麻省理工学院( m i t ) 于1 9 8 8 年开发并投入使用了w e b l a b 在 线实验室，不仅本校的学生可以随时访问该实验室进行实验，其它高校 的学生也可以。学生只需点击“设备”菜单，就可以选择合适的仪器设 备。上世纪九十年代初，国内一些高校开始致力于计算机仿真实验的开 发与研制。至今已取得了可喜成绩。如大学物理虚拟实验远程教学系 统英文版已在香港大学、香港中文大学进行了几年的教学实践，内地 中国科技大学、北京邮电大学、中南大学等都应用了该系统；大学物 理仿真实验v 2 0f o rw i n d o w s 也已有百所高校投入使用。大学物理 仿真实验v 2 0f o rw i d o w s 曾代表中国c a i 最新成果赴联合国教科文 组织和美国日本、英国等进行国际交流展示，其前身d o s 版本1 9 9 6 年获 中国科学院教学成果一等奖，1 9 9 7 年获国家教学成果二等奖，代表了国 内教学软件的最新和最高水平。 我国开发这些物理实验仿真软件初衷主要是为了缓解我国目前各高 校存在的实验仪器设备不足、学生人数激增而产生的需求矛盾。借助这 些软件学生可预先在计算机上进行预习，甚至还可以用它们来代替某些由 于其它原因暂时不能以实物开出的实验。但这些软件普遍存在一个缺陷， 即软件是基于各个实验项目而设计的，学生只能按照软件上既定的实验 方案、步骤进行实验，不能自己设计实验方案，更不能自己设计新的实 验项目。这些仿真软件在培养学生的探究能力和创新能力方面存在着很 大的不足。 目前我国开发的物理仿真实验软件主要有以下几种。针对中学的物 理实验仿真软件主要有金华科物理仿真实验室5 0 8 ，金数龙仿真物 理实验室等。这些软件的突出特点就是学生可以动手创建自已想象的 实验，学生可以在计算机仿真系统上挑选仪器、布置实验装置、构想实 验过程、调整实验参数。这样的实验仿真软件就给了学生更多的独立思 考的机会，也有利于培养学生的创新能力。但这只是针对中学的简单的 物理实验室的设计，针对大学物理的这种学生可以自主设计实验的实验 室仿真软件和中学的物理仿真实验软件比较起来还有一定的差距。基于 此我们可以借鉴中学物理仿真实验室的设计思想和设计方法来设计大学 物理仿真软件。 2 硕士学位论文 1 3 论文研究的目标和意义 随着时代的发展，科技进步对教育提出了越来越高的要求，教育要 向培养人才的创新思维和实践能力方面发展。基础物理实验作为大学生 进校后的第一门科学实验课程，不仅应让学生受到严格的、系统的实验 技能训练，掌握科学实验的基本知识、方法和技巧，更主要的是要培养 学生严谨的科学思维能力和刨新精神，培养学生理论联系实际、分析和 解决实际问题的能力，因而实验教学应该面向时代的发展，适应科技进 步的新趋势和新挑战，不断有所创新。只有这样，才能适应社会对人才 的知识和科学素质越来越高的要求【5 1 。在这样的思想指导下，我们的仿 真实验教学软件也要有所创新，软件的功能要更加的完善，向提高学生 的科学素质方面发展。与此同时，随着软件工程理论的发展和软件应用 技术的进步，用户对物理仿真实验平台、虚拟仿真仪器的通用性和可扩 展性提出了进一步的需求。为了顺应这种趋势，我们在现存的仿真实验 的基础上作进一步的探索、尝试和研究，对仿真实验所使用的软件结构 进行全面的改革。 选题最主要的意义就是从学习理论的角度和软件技术的角度提高用 户在软件设计中的角色地位，强调用户的参与性与自主性。学生通过使 用软件不仅能对物理实验的一些基本概念和定律更加的了解，更多的是 能提高自身的科学探究能力和创新能力。我们的物理实验虽然在大力的 提倡设计性实验，但真正将设计性实验开展得有声有色的学校并不多。 从学习理论的角度上来说，本课题的研究目标就是把探究式学习的 理论和教学模式作为软件设计的指导思想。软件的功能实现都从这个思 想出发，使实验室仿真软件在辅助教学的同时，本身具有培养学生探究 能力和创新能力的特点，使软件的设计更加的人性化和智能化。 从技术的角度上来考虑，主要是从软件行为和软件结构两个方面对 软件进行设计与实现。在软件行为方面，使用户不仅作为软件的使用者， 还能作为软件设计的参与者，参与到软件的设计过程中。对学生来说， 学生可以选择实验仪器进行实验设计。对教师而言，教师把生成的实验 结果用到课件制作中来，提高课件制作水平。在软件结构方面，我们将 仪器和实验平台独立开来。采用模型一视图一控制( m v c ： m o d e l v i e w c o n t r o l l e r ) 体系结构设计的模式，使软件的计算模型独立于 界面的构成。模型包含应用问题的核心数据、逻辑关系和计算功能。视 图把表示模型数据及逻辑关系和状态的信息以特定形式展示给用户。控 制是处理用户与软件的交互操作的，它的职责是控制提供模型中任何变 3 基于探究式学习的物理仿真实验室的设计 化的传播。利用基于组件的技术和面向对象的编程方法，使平台和仪器 分成为两个独立的部件。平台的设计面向仪器的接口，这样就实现了平 台和仪器的连接。 1 4 本文的组织 本文首先分析了仿真实验室的发展现状和现有的已被广泛应用的一 些物理仿真实验室软件存在的缺陷，提出基于探究式学习的物理仿真实验 室软件的设计与实现；其次总结了探究式学习的发展情况和基于探究式 学习的教学模式，充分利用教育技术的理论把学习理论的思想融入到软 件的设计中来；然后在此基础上重点论述了仿真实验软件所采用的关键 技术；最后采用基于组件的方法和面向对象的编程语言对系统进行了详 细地分析和设计。以下是本文各章的内容概要： 第一章首先介绍了仿真实验室的发展现状及存在的问题，从而提出 本课题一一基于探究式学习的物理仿真实验室的设计与实现。随后介绍 了本软件不同于先前一些类似软件的主要特点。 第二章详细介绍了本软件的理论基础一一探究式学习。主要是关于 探究式学习的一些概念和应用情况的介绍。 第三章分析大学物理实验教学中存在的一些问题和大学物理实验 教学的发展趋势。结合仿真实验软件的特点和大学物理实验的教学目标 ( 在于培养学生的创新和探究能力) 的要求，分析了探究式学习理论与 物理仿真实验室设计的关系，提出实验室仿真软件的发展趋势和应具有 的特点。 第四章重点对实验室仿真软件在实现时用到的软件工程方面的关 键技术作详细的介绍和论述。主要是对本文所提到的物理实验仿真软件 在设计时用到的编程技术和电学实验仿真软件的模块进行介绍。 第五章运用统一的建模语言，采用面向对象的软件工程的方法，对 设计实现的电学实验仿真系统的全过程进行全面、详细的论述。 第六章运用电学仿真实验的设计思想和设计方法，对力学仿真实验 的设计过程进行描述。 最后在结论部分对本文所做工作加以总结，对仿真实验室系统进行 客观的分析和评价，指出有待解决的问题和发展的前景。 4 硕士学位论文 第2 章探究式学习的理论 2 1 探究式学习的概念界定 本论文主要涉及探究式学习、探究式教学等概念，对其界定、辨析 是论文进一步展开研究讨论的前提。 2 1 1 探究式学习的含义 在当今国际科学教育改革的热潮中，i n q u i r y 是出现频率最高的几个 关键词之一。英文i n q u i r y 一词起源于拉丁文的i n 或i n w a r d ( 在之中) 和q u a e r e r e ( 质询、寻找) ，按照牛津英语词典中的定义，“i n q u i r y ” 是“求索知识或信息特别是求真的活动；是搜寻、研究、调查、检验的 活动；是提问和质疑的活动”。其相应的中文翻译有“探问”、“质疑”、“调 查”及“探究”等多种译法。与“研究”比较，在科学领域人们普遍接 受的“探究”一词和英文原意更为贴切。就语义而言，据辞海( 1 9 8 9 年 版) 的解释，“研究”指“用科学的方法探求事物的本质和规律”，“探究” 则指“深入探讨，反复研究”。从语感来说，“研究”一词似乎多了几分严谨、 稳重，而“探究”则更有生气，更有动感，也更符合青少年学生的身心特 点。因此，现在使用的科学探究具有双重含义。如美国国家科学教育 标准中对科学探究就是这样表述的：“科学探究指的是科学家们用来研 究自然界并根据研究所获事实证据做出解释的各种方式。科学探究也指 的是学生构建知识、形成科学观念、领悟科学研究方法的各种活动。【6 】 之所以这样表述，乃是由于学生的科学探究式学习活动在本质上与科学 家的科学探究活动有很多相似之处。在讨论科学教育的文献中，不管是 使用探究( i n q u i r y ) 还是科学探究( s c i e n t i f i ci n q u i r y ) 这个词，除特别 注明外都是指探究式的学习活动而非科学家的探究。 一些研究者认为，探究性学习是“仿照科学研究的过程来学习科学内 容，从而在掌握科学内容的同时体验、理解和应用科学研究方法，掌握科 研能力的一种学习方式7 1 。然而，在国外的k 一一1 2 的课程标准文本中， 除了科学探究以外，还提到社会探究( s o c i a li n q u i r y ) 、数学探究 ( m a t h e m a t i c a li n q u i r y ) 、技术探究( t e c h n o l o g i c a li n q u i r y ) 等。也就是说， 探究学习不仅适用于科学类学科，同时也适用于社会、技术等学科。 。探究式学习”是学生围绕一定的问题或材料，在教师的支持和帮 助下，自主构建意义、认识、理解，自主寻求需要的信息、自主寻求答 5 基于探究式学习的物理仿真实验室的设计 案的一种主动学习方式阴】。从探究式学习的定义可以看出：问题一一是 探究学习的核心，学生在教师引导下自主参与探究的一系列活动是探究 学习的重要特点，而探究学习的目标不仅要使学生获得科学文化知识， 且更注重探究过程和信息处理的科学方法，以及培养学生探究、合作的 科学精神和一丝不苟的科学态度。 2 1 2 与探究式学习有关的几个基本概念的区分 与探究式学习相关的几个概念主要是研究性学习，发现式学习，接 受式学习。下面我们对这几个概念之间的区别和联系进行了分析说明。 在对探究式学习的含义进行解释时我们提到了研究这个概念，近几 年来各种报刊资料报导的有关文章几乎将“探究式学习”等同于“研究 性学习”，这两种学习方式虽然有许多共同点，但还是有明显区别的。教 育部普通高中“研究性学习”实施指南( 试行) 中明确给出研究性学 习的定义是学生在教师指导下，从自然、社会和生活中选择和确定专题 进行研究，并在研究过程中主动地获取知识、应用知识、解决问题的学 习活动【9 】。探究式学习和研究性学习的区别主要有三个方面，首先是教 师作用的差别，探究式学习是以教师为主导，学生为主体的教学过程， 研究性学习中学生是主体但教师是以平等参与者身份介入的。其次在探 究式学习中课题是由教师选定的，结果是预知的，教师对学习过程是可 操纵的，对学习成绩的评定具有绝对的权威。而在研究性学习中教师对 学习过程、结果无法事先预料，也就谈不上对过程操纵。最后一点不同 就是研究性学习重在过程，探究式学习既重视过程也重视结果。 与探究式学习相对的就是接受式学习，接受式学习就是教师传授( 包 括讲授或演示等) ，学生接受( 倾听或观看) 的学习方式【s 1 。这是与探究 式完全对立的学习方式。在接受式学习中，学习的目标是知识。教师是 知识的提供者，教师关注的是找到一种有效的方法，以便更成功地传授 知识。而在探究式学习中，关注的焦点是问题的解决。知识不是由外部 提供的，知识的建构是由探究者围绕着问题自主地完成，知识只是用于 实现探究目标的手段，工具。 与探究式学习相近的一个概念就是发现式学习。我国大部分教育研 究者和教师认为探究式学习与发现式学习是同一个概念。下面有典型的 描述：。发现学习，亦称探究学习，是指人通过对自然、社会现象或文字 材料的观察、阅读，发现问题、搜集数据、形成解释，并对这种解释进 行交流、检验与评价的过程” g j 。而实际上，发现式学习与探究式学习 既有共性主张又有各自强调的方面。由胡森主编的国际教育百科全书 6 硕士学位论文 作了如下简要说明【9 】：发现学习是指一个自学过程，学习者不靠教师的 指点，自己形成概念和观念。探究学习是指有了发现以后的那些阶段， 那时学习者开始系统掌握检验那些概念或观念的科学及逻辑法则；发现 学习涉及动机、直觉思维等心理成分，探究学习涉及分析思维等理智活 动；在探究的整个运作过程中，起初是困惑不解，这时要用发现过程， 等到了比较高级的检验阶段时，就得用到探究过程了。根据日常生活中 我们探究的目的，可以把探究分为以下4 种类型：发现型探究、应用型 探究、表达型探究、训练型探究。发型探究只是探究活动的一种类型。 与此相对应，发现式学习只是探究式学习的一种类型。 2 2 探究式学习的特点 区别事物的基本方法就是把握它们的特征。要正确实施科学探究的 教与学，必须把握其基本特征。探究式学习的特点可以总结为以下几个 方面l l0 1 。 ( 1 ) 学生是通过探究活动获得新知识并提高能力的。 探究式学习不是先将结论直接告诉学生，再通过演示实验或学生实 验加以验证，而是通过各式各样的探究活动诸如观察、调查、制作、收 集资料等，亲自得出结论，使他们参与并体验知识的获得过程，构建起 对自然的新知识，并培养科学探究的能力。 ( 2 ) 注重从学生的已有经验出发。 对学生认知理论的研究表明，学生的学习不是从空白开始，已有的 经验会影响现在的学习。教学只有从学生的已有知识和生活实际出发， 才会激发学生的学习积极性，学生的学习才能是主动的。 ( 3 ) 重视证据在探究中的应用。 科学家在探究中要花费大量精力收集证据，并以此为基础解释自然 界的运动机制。通过证据的收集，从证据中提炼解释，将解释与已有的 知识相联系等过程，锻炼学生的推理及批判思维能力，也使他们懂得了 科学家是如何思考问题、如何工作，以及如何通过探究发展并获得新知 的。 ( 4 ) 重视合作在探究式学习中的作用。 按照建构主义的教学理论，学生是按照自己的方式来建构对事物的 理解，由于已有经验、文化背景的特殊性，学生对事物的理解会各不相 同。合作学习能使学生看到问题的不同侧面，对自己和他人的观点进行 反思或批判，从而构建起新的和更深层次的理解，同时也增强了团队精 神和合作意识。 7 基于探究式学习的物理仿真实验室的设计 ( 5 ) 重视形成性评价和学生的自我评价。 探究式学习的评价要求较高，如它要求评价每一名学生理解了哪些 概念，哪些还模糊不清或不知道，能否灵活地运用知识解决问题；能否 提出问题，能否设计并实施探究计划，能否分析处理所收集的证据，能 否判断证据是支持还是反对自己提出的假设等，但要弄清楚这一切，单 靠终结性评价是难以奏效的。探究式学习在重视并改进终结性评价的同 时，很重视形成性评价，如学生每天的笔记、撰写的报告、绘制的图表、 制作的模型等，以及与学生面对面的交流、针对某个问题所做出的解释， 通过这些可以了解学生对知识的理解深度和广度，以及进行科学推理的 能力。重视学生对自己学习过程的评价是探究式学习评价的另一个特点。 学生不断地对自己的探究学习进行评价，如检查采用的方法是否合适、 解释是否合理、对知识的理解程度如何等，可以提高学习的效率，利于 学习目标的达成。 ( 6 ) 教室从封闭走向开放，实现课内外和校内外的联合。 探究式学习是一种开放性、参与式的学习形式，它不局限于在一间 教室或一所学校，也不局限于一门课或几本书。它要求学生把自己所得 出的结论运用到现实生活中，强调让学生参加实际的活动，强调理论和 实践的联系。 2 3 探究式教学模式及教学设计原则 学习方式的变革离不开教学模式的改变。教学模式( m o d e lo f t e a c h i n g ) 一词最初是由美国学者乔伊斯( b j o y c e ) 和韦尔( m w e i l ) 等人提出的。他们认为，教学模式是构成课程( 长时间的学习课程) 、选 择教材、指导在教室或和其它环境中教学活动的一种计划或范型。这是 国外对教学模式概念理解较为有影响的一种说法。2 0 世纪8 0 年代我国引 入了“教学模式”理论。吴立岗在教学原理、模式和活动一书中将 教学模式表述为。依据教学思想和教学规律而形成的在教学过程中必须 遵守的比较稳固的教学程序及其方法的策略体系，包括教学过程中诸要 素的组合方式，教学程序及其相应的策略”【l o 】。近年来，现代教育技术 专家何克抗教授和李克东教授把教学模式的定义归纳为。教学模式指在 一定的教育思想、教学理论和学习理论指导下，在某种教学环境和资源 的支持下的教与学活动中各要素之间稳定的关系和活动结构形式” 1 l 】。 从教学模式的定义上可以看出，教学模式构成的基本要素有：理论基础、 教学目标、教学活动过程结构( 教师和学生的角色以及他们的活动结构 形式) 、实施条件及评价等。因此探究式的教学模式的研究也要从这五个 8 硕士学位论文 基本要素出发来进行研究。 探究式教学是一种引导探究的教学模式。引导就是引路，是指导学 生进行学习，提示学习方法的活动。探究是指教会学生探究问题的方法 和一般的顺序。探究式教学是指教师在教学过程中帮助学生自己进行知 识建构，引导学生自己认识和发现问题，激励学生积极动手、动脑，通 过自主的探究学习获得知识的一种教学模式【1 2 】。探究式教学的实质是一 种模拟性的科学研究活动，具体主要有两个方面：一是有一个以“学” 为中心的探究学习环境。在这个环境里有丰富的学习资源和民主和谐的 课堂氛围。二是给学生提供必要的帮助和指导，使学生在探究中能明确 方向。 探究式教学模式的指导思想即探究式学习，根据探究式学习的特点 我们总结出探究式教学的一些特点。这些特点就成为以后在进行仿真实 验室的功能设计时的指导思想和原则。在这些学习理论和教学思想的指 导下进行软件的设计可以使仿真实验室的设计更符合学习与教学的要 求。 目前进行课堂教学改革，人们关注的两大问题是：教师怎样“教” 和学生怎样“学”。探究式课堂教学自然应该把探究的重点放在这两大问 题上，一要探究教师作为教学的组织者和指导者应该怎样“教”，二要探 究学生作为教学的主体和学习者应该怎么“学”【i ”。这两个方面的探究 基本上概括了现代课堂教学改革所要探究的所有问题。我们的探究式教 学模式的特点也要从这两个方面来进行分析。 探究式教学是以学生为中心的，学生在课堂上进行的科学探究活动， 归根结底是让学生亲身体验和理解知识形成和发展的过程。美国国家研 究理事会2 0 0 0 年组织编写出版了一本科学探究专著，其中将探究式教学 的基本特征概括为5 个方面的内容：( 1 ) 学习者围绕科学性问题展开探 究活动；( 2 ) 学习者获取可以帮助他们解释和评价科学性问题的证据；( 3 ) 学习者要根据事实证据形成解释，对科学性问题做出回答；( 4 ) 学习者 通过比较其他可能的解释，特别是那些体现出科学性理解的解释，来评 价他们自己的解释：( 5 ) 学习者要交流和论证他们所提出的解释。随着 技术的发展教学设计成为指导教学的一门方法论性质的学科，我国现代 教育研究者认为教学设计主要是运用系统的方法，将学习理论与教学理 论的原理转换成对教学目标、教学内容、教学方法和教学策略、教学评 价等环节进行具体计划、创设教与学的系统“过程”或“程序”。探究式 教学，就是运用探究的方法进行的教学活动。要进行探究式教学就要遵 循探究式教学设计的原则。探究式教学设计应遵循的原则主要有 1 4 1 ： 9 基于探究式学习的物理仿真实验室的设计 1 系统性原则 教学探究活动要涉及教师、学生以及学习材料、媒介等诸多因素， 对于这些因素必须进行统筹安排。注重每个因素在系统中所发挥的作用。 2 主体性原则 探究式教学的理论依据之一就是它能够发展学生自主思考、自主创 新的能力。因此充分发挥学生的主体性是探究式教学的主要特色。为学 生提供探究的情境。所以，探究式教学必须为学生提供发挥其主体性的 探究情境，情境的创设是探究式教学设计的关键所在。 3 教师的指导性原则 在教学设计的过程中教师要明确自己的角色，为学生的学习提供资 源。在学生探究的过程中给予指导，指引学生不要偏离主题。 4 基于学生如何进行探究的原则 探究式教学设计必须考察学生是如何进行探究的，根据探究发生的 条件、过程来设计教学内容、教学事件、教学环境。 本文对探究式学习与探究式教学进行讨论目的是为了在进行仿真物 理实验室设计时把其作为设计的指导思想和设计原则。下面我们将对探 究式学习在物理实验教学和物理仿真实验中的应用作进一步探讨。 1 0 硕士学位论文 第3 章大学物理仿真实验的应用和发展 大学物理实验作为大学生进校后的第一门科学实验课程，不应只能 让学生受到严格的、系统的实验技能训练，掌握科学实验的基本知识、 方法和技巧，还要能培养学生严谨的科学思维能力和创新精神，培养学 生理论联系实际、分析和解决实际问题的能力，培养学生与科学技术发 展相适应的综合能力，以适应时代发展的要求。然而，在知识传授为背 景的传统教学思想支配下，学生只是重复老师或实验讲义上的实验步骤， 从实验仪器选择、实验过程、实验数据处理都有现成的步骤。在这样的 教学模式下，学生失去了最为宝贵的提高探究能力的机会。随着国家新 课程标准的推行，探究式教学作为一种新的教学理念在我国基础教育改 革尤其是中小学教育中正在如火如荼的展开。怎样实现探究式学习理论、 探究式教学理念与大学物理实验课的整合，让学生在做实验的过程中提 高创新和探究能力，成为物理教学工作者普遍关注的问题。 3 1 大学物理实验的发展趋势 物理是一门基础学科，物理学的发展已经改变了和正在继续改变着 整个世界的面貌。物理学又是一门实验科学，古往今来，物理学本身的 发展和创新无不与物理实验密切联系。物理学中的任何创新成果都源自 实验，而且都必须经过实践的检验。因此，物理实验教学理应成为培养 学生创造性的重要环节。然而，长期以来，基础物理实验的教学模式单 一，教学内容陈旧，教学方法过死。实验内容基本是验证性和测量性的， 缺乏由学生自己设计的带有研究性的内容。一个班的学生读相同的教材， 在相同的仪器上做相同的实验，仪器也都由实验技术人员安排好，学生 只要按教材上的步骤去做，就能成功地测到数据，完成实验。因此，从 某种意义上讲，这种实验只是对学生所学知识的验证、重复和再现。事 实证明，按照传统实验教学模式培养出来的学生很难适应2 1 世纪信息技 术飞速发展的状况。有不少实验教师意识到了这一点，在实验教学中刻 意地去注重训练学生发现问题、解决问题的能力和创新思维，但往往由 于时间和实验条件的限制，效果并不理想。不过在实验教学中，注重对 学生的动手实践能力和创新能力进行培养，努力营造能提高学生的科学 素质、创新能力和能充分调动学生的自主能动性的环境，己成为深化大 学物理实验教学改革的一个重要方面，得到众多专家和教师的重视。 基于探究式学习的物理仿真实验室的设计 历史上，对物理实验教学有深远影响的教学改革始于1 9 5 7 年，这一 年，苏联人造卫星上天。美国朝野为之震惊。他们开始意识到美国科技 的落后并探求其原因，认识到其根源在于科技教育不善。于是掀起了一 场大规模的课程改革运动。在大学物理实验教学方面，先后推出了诸如 p s s c 方案( 美国物理学会为美国高等院校制订的方案) 、伯克利方案、 伦塞来尔方案和麻省理工学院方案等多种改革计划【j 。这些方案虽然各 有特色，但有一个共同点：那就是注重在实验过程中发挥学生的主观能动 性，使学生置身于种富有探索和创造性的环境中，积极、主动地观察、 思考，受到类似于专业研究人员进行创造性实验研究时的那种训练。其 中麻省理工学院创设的。设计性实验”颇具代表性。我国在进入8 0 年代 以来，由于新技术革命浪潮的冲击和高等教育课程教学改革的兴起，我 国高校对物理实验教学进行了多方面的改革尝试，如开设综合性实验、 设计性实验、开放性实验，更新部分实验内容，采用现代化教学手段等。 本文在综合分析了国内相关文献报导【1 5 ，1 6 ，1 7 ，l8 ，1 9 ，2 0 ，2 1 】的基础上，总 结出目前高校实验教学改革的几个发展趋势： 1 构建新的实验教学体系，积极开设综合性设计性实验 过去的物理实验课程体系是按普通物理实验、电子线路实验和近代 物理实验等分别安排的封闭体系，这种封闭体系强调了学科的系统性， 忽视了学科之间的兼容性和互补性。新的实验教学改革根据系统性的原 则把实验内容分为三个模块：第一模块为技能训练以及验证性基础实验； 第二个模块为综合性、设计性实验，以便增加学生的启发性和思考性， 增强学生通过实验发现问题、解决问题的能力，并从中获取知识。第三 个模块为研究性实验，这部分主要针对优秀学生开设，使一部分优秀学 生能尽早接触科研，得到科研能力的训练。 2 改革教学方式和手段，明确学生的主体地位 学生主体地位的确立主要是通过教师角色的转变来实现的。教师根 据学生的需要对学生加以引导，针对不同的模块采用不同的指导方式。 基础实验可以对学生开放，安排研究生进行指导。综合性设计性实验， 教师提供知识范围和仪器设备，学生自己查阅资料，自行设计实验方法， 动手做实验。而在研究性实验阶段，学生可以选择导师，跟随导师迸入 专业实验室，由导师布置任务，学生在已有经验的基础上，通过查阅资 料进行实验。 3 改善实验室条件，加强硬件和软件建设 将计算机技术引入实验教学和实验数据采集、处理和控制中。计算 机的应用贯穿于实验教学的始终。把传感器技术、微弱信号检测技术等 硕士学位论文 现代电子技术引入到物理实验教学中。把院系的科研成果转化为实验项 目，开发新的实验仪器设备。把仿真实验列入大学物理实验教学大纲， 不断改进仿真软件的设计，为仿真软件的设计加入新内容，使其功能更 加的全面，向提高学生创新和探究能力的方向发展。 从总体上来说，物理实验教学改革的目的在于改变传统的物理实验 教学模式单一、教学内容陈旧和教学方法呆板的弊端，加大对能提高学 生创新和探究能力的综合性、设计性实验的投入力度。实验教学应该跟 上时代的发展，适应科技进步的新趋势和新挑战，不断有所创新。随着 教育技术和多媒体技术的发展，我们应把物理实验教学与现代教育技术 的发展联系起来，把教育技术的理论和技术应用到物理实验教学中，以 提高物理实验教学的水平。 3 2 计算机仿真实验在物理实验教学中的应用及特点 随着教育技术理论和实践的发展，物理实验教学规模的扩大，教学 课时的压缩，教学目标的转移，各高校的实验教学设施、方式都面临着 严峻的挑战。如何拓展实验教学的方式和空间，如何提高实验教学的效 率，是广大教学工作者共同关注的问题。随着计算机软硬件技术的发展， 虚拟仿真技术的出现为物理实验教学开拓了新途径。 仿真技术就是以相似原理、信息、系统分析与设计技术及相关应用 领域的专业技术为基础，以计算机和各种物理效应设备为工具，利用系 统模型对实际或设想的系统进行试验研究的一门综合性技术 2 3 】。计算机 仿真可应用于自然科学和社会科学各个领域，进行系统分析、线性与非 线性规划、预测、决策与管理、实验教学等，在科学试验中也发挥着愈 来愈明显的作用。计算机仿真在教学中的最重要用途是仿真实验教学。 仿真实验教学指的是利用计算机来模拟( 仿真) 实验的环境及过程，让 教师或学生通过计算机操作来“做”某一实验，从中学习和掌握应从真 实实验中获得的知识，达到与真实实验一样的训练效果，以代替或加强 传统开设的真实实验。大学物理仿真实验系统就是让计算机来模拟( 又 称仿真) 物理现象和实验环境。各种仿真实验一般都具有如下两个基本 特点【1 】： 1 仿真性。实验环境和实验仪器具有高度真实感。 2 交互性。仿真实验使实验变成学生与计算机的双向交流，学生利 用鼠标或键盘可以自由对仪器进行操作，自由选择实验内容和实验进程 等，可极大限度地调动学生的学习积极性。 在我国最具代表性的物理仿真实验软件是中国科学技术大学在1 9 9 5 基于探究式学习的物理仿真实验室的设计 年研制成功的大学物理仿真实验1 0f o rd o s 。它是国内第一套具有一 定规模和水准的实验教学软件，也是第一套模拟型的c a i ( 计算机辅助 教学) 软件。经过两年多的教学实践的总结，又在原来d o s 版本的基础 上研制开发了大学物理仿真实验2 0f o rw i n d o w s 。该软件通过计算机 把实验设备、教学内容、教师指导和学生的操作有机地融合为一体。通 过仿真物理实验，学生对实