仿真模拟技术在物理竞赛中的应用与研究——信息技术与物理教学整合的新尝试，本文主要内容关键词为：信息技术论文,物理教学论文,物理论文,技术论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
随着基础教育课程改革不断地向纵深方向发展，新的课程体系、教学模式、评价方法等层出不穷，为教育教学理论与实践输入了新鲜血液。其中信息技术与课程整合在实现主流学习范式转向“自主、合作、探究”方面发挥着重要作用，但是要想有效实现新课程总目标——提高学生的科学素养水平，对这些新的做法仍需要不断加以反思和发展。
一、信息技术与物理教学整合的层次与问题的提出
信息技术与物理教学整合（简称整合）是将信息技术有机地融入物理教学中去，其实质是借助信息技术有效地转变主流学习范式，培养创新人才。物理教学整合的主要内容包括：①基于计算机采集实验或观察数据；②计算科学数据；③完成仿真模拟物理图景思维活动；④基于计算机交流与传播科学知识。其中，仿真模拟既是信息技术与物理教学整合的主要内容，又是一种重要的科学方法。目前整合存在着以下三个层次：其一，初步学会某些信息技术并能够将之用于物理教学；其二，能够根据教学内容，善于选用必要的信息技术开展物理教学，而且教学效果较好；其三，在能够熟练选用必要的信息技术基础之上，还能够实现学生主流学习范式的转变。目前的整合一般还是停留在关注课堂教学整合的人较多，而关注课外整合的人，特别是关注整合在教学评价方面的人不多。
所谓评价就是按照一定的价值标准，采用必要手段和途径，搜集必要的信息，对行为达到标准的等级进行定性或者定量的评定过程。评价对于有效实现教学目标具有反馈、调节和导向作用。因此，探讨评价中的整合问题具有重要意义。按照不同的标准分类，评价可分为学生评价、教师评价等，也可以分为自评和他评，还可以分为诊断性评价、形成性评价、终结性评价和选拔性评价等。物理竞赛就是一种选拔性评价。
物理竞赛一般分为物理奥林匹克竞赛、初中应用物理知识竞赛、课堂物理竞赛，等等。竞赛区别于其他考试主要在于它的选拔功能，命题不受教学大纲限制。物理竞赛的目的是激发学生（特别是对物理有专长的学生）学习物理的兴趣，增强物理学习的群众基础，选拔出擅长物理的苗子，加以重点培养。应该看到物理竞赛不但具有选拔性，同时还具有导向性，因为获奖的学生一般被大家视为物理学习的尖子生，是其他学生学习的榜样。物理竞赛中获奖的学生应该是具有扎实的物理功底、较强的物理思维能力和动手实验能力、较强的探究意识和合作意识、较高的科学精神，等等。
常规的物理竞赛一般初赛阶段采取笔试，决赛阶段可能采取真实的实验测试。这种方式基本能够把优秀的学生选拔出来。但是也存在着局限，首先有的物理优秀的学生可能在文字阅读上存在障碍，参加纸笔测试的时候，可能因为读不懂个别关键的地方，而失去参加决赛的资格。其次，受时间、场地和器材等方面的限制，真实实验测试题目较少，也较难全面地反映出考生的全面素质。由此可见，创新物理竞赛手段，探讨物理竞赛的高层次整合途径，对于选拔优秀的科学人才，发挥物理竞赛的育人导向功能具有重要的意义。
二、科学素养水平的检测指标与检测手段比较
提高每一个学生的科学素养水平是物理新课程标准的总目标。全面检测学生的物理科学素养水平一般需要考查以下几方面指标。
由此可见，全面考查学生科学素养水平是一件较为困难的事情，比如表中的“科学意识和习惯”和“科学精神”指标很难在常规的纸笔测验中得到检测。应该看到，由于主流学习范式的转变情况主要在这两个指标中得到体现，这两个维度检测缺失，将直接影响到物理测试整合的层次。为了寻找新的考查手段和途径，不妨比较一下纸笔测试、真实实验测试、仿真模拟测试的优势与劣势。
纸笔测试（即笔试）指借助文字、图形或者符号创设问题情境，考查学生问题解决素养的过程。这是一种广泛使用的物理检测形式。事实证明，这种检测形式能够有效地检测学生的物理思维能力。尽管有的学者已经开始关注如何挖掘它的探究检测功能，大家也尝试使用该种方式检测物理实验动手情况，但是纸笔检测方式在这方面会受到很多限制是显而易见的。
真实实验测试是指为学生创设实验条件，通过考查学生动手实验解决物理问题过程而考查学生科学素养的过程。它也是一种较为常见的物理检测形式。这种检测形式能够综合检测学生的物理思维能力、基本操作技能、处理复杂因素能力、控制实验条件、动手习惯、科学精神，等等。但是它需要仪器设备的基本条件，而且每个实验占时较长，在实施的时候需多名教师监考，等等。
仿真模拟测试是指利用相似原理，借助计算机综合处理多种媒体信息——文本、图形、图像和声音，使多种信息建立逻辑连接，集成为一个交互系统测试学生科学素养水平的过程。这种检测手段原则上能够涵盖纸笔测试，但是它的检测功能要远远大于纸笔测试功能。它能够创设虚拟的场景，还能够产生学生与虚拟场景之间的交互功能，考查学生的动手情况。尽管如此，仿真模拟测试却是替代不了真实实验测试的。比如学生在真实实验中控制误差的复杂性，再比如在真实实验中可能面临不可控现象的出现，都是仿真模拟测难以考查的。
纸笔测试、仿真模拟测试、真实实验测试三者的测试关系如图1所示。尽管三者测试的功能有区别也有联系，但是学生的物理思维能力和物理观察能力却是三者考核的必要条件。
图1 纸笔测试、仿真模式测试、真实实验三者的测试关系
三、物理竞赛命题的案例研究
下面选取2个物理竞赛题目，采取案例研究的方法探讨一下如何在物理竞赛中应用仿真模拟测试。
例1 测定天平上游码的质量m。
【器件】天平一台，直尺一把
【平台】南京金华科仿真物理实验室
【要求】1.在仿真平台上操作，得出必要的数据；2.写一个简单的实验报告（包括主要的实验步骤，原理，结果
图2 高一年级物理仿真模拟测试题
学生在这个虚拟的实验环境中解决题目问题，一般需要经过如下过程：①先把游码调到最左边，把天平调平；②分别测出游码到中间的距离a，托盘中心到中间的距离b（注意估读）；③把游码调到最右边，在左边放5克的砝码，天平重新平衡；④假设在横梁左右两边各放一个游码，根据杠杆原理，列出方程：5×b=2×m×a并求解；⑤写出实验报告。
该仿真模拟测试能够考查出学生的物理思维能力，还能够测量学生对于刻度尺的读数技能和一定程度的误差意识，还能够考查学生的实验报告表达能力，还能够增强学生对于物理学中的基本仪器——物理天平的新的认识。但是和真实实验测试相比较，一些方面该仿真模拟测试仍然没办法测量出来，比如考查学生是否养成了用镊子取放砝码的习惯。
该仿真模拟测试还能够将学生各种操作过程记录下来，为大数量测试提供了必要条件，这是真实实验测试没办法做到的。
例2 飞船变轨题目
2012年某日，神X飞船正在距离地面350km的圆形轨道上飞行，突然接到地面控制中心的命令要求升空到距离地面12000km的近似圆轨道上修理一颗故障卫星。因此飞船需要从350km的轨道上进行变轨。变轨时飞船通过推进器可以增加它的速度，此加速的时间很短，跟轨道周期相比，可以认为是瞬间的提速到加速后的速度。由于飞船的燃料有限，因此在变轨过程中只能开启两次发动机。请您设计最佳的变轨方案，并通过任意的方法得出第一次变轨后的瞬时速度和第二次变轨后的瞬时速度，同时请描述变轨的时机。最后对此物理过程进行科学性阐述。（说明：飞船运行的高度，速度等各种物理参数存在一定的误差属于正常现象）。
图3 飞船变轨仿真实验平台的界面
该仿真模拟测试具有鲜明的特性。首先，在仿真物理实验室中它为学生提供了虚拟的宇宙时空，学生可以和该虚拟系统交互作用，获得问题解决所必需的数据。其次，学生在测试过程中，可以尝试和体验到现代科技运用仿真模拟的科学研究方法。最后，该测试选取宇宙航行题材，这是学生感兴趣的题材。此外，该测试的开放性和交互性是纸笔测试和真实实验测试没办法做到的。
四、关于物理竞赛仿真模拟测试的若干建议
通过上面理论探讨和实际案例分析可知，为了提高仿真模拟技术与物理竞赛的整合层次，需要加强以下几方面的应用与研究。
1)充分利用仿真模拟技术平台的开放性，创设开放的物理问题情景，考查学生的探究意识和问题解决能力。仿真模拟测试所创设的物理情景更接近真实的物理世界。由于仿真模拟的开放性，问题解决的方案可能很多，这可以有效考查学生的探究意识和探究能力。通过网络技术，还可以创设仿真模拟物理竞赛虚拟环境。如果所创设的网络虚拟环境下的物理问题需要多名考生协同合作来完成，则这样的仿真模拟物理竞赛能够考查学生合作、交流的意识和能力。
2)交互性。传统的纸笔测试一般将问题的初始状态一一给出，问题解决一般需要将这些已知量全部用上，学生基本采取以前模仿的方式寻找解决问题的思路和方法。这对于学生分析和解决现实中的较为复杂的问题是不利的。仿真模拟测试可以创设一种接近真实情景交互的问题情景，学生可以根据分析而获取所必需的数据。全面考查学生的物理能力。
3)可以选取物理学史上的典型事件和现代科技生产上的典型事件作为问题原型，然后经过适当简化，将之改造成物理问题。学生解决这类问题时，能够体验到科学家探索科学的过程，培养探索意识和探索精神。
4)可以利用录像手段，在拍摄情景中特意安排故障环节，让学生排除实验故障。由于录像拍摄情景非常接近真实情景，通过这种手段可以在一定程度上考查学生的实际动手能力或者问题解决能力。
总之，物理竞赛仿真模拟测试在检测学生科学素养方面有其独到的优势，上面的建议只能将其主要优势的地方揭示出来，全面检测学生的科学素养水平往往需要综合采取纸笔测试、真实实验测试和仿真模拟测试。