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摘要利用CAI创新高职物理实验教学，就是建立信息化物理实验平台，赋予物理实验教学以新的内涵。
关键词CAI；创新；实验教学
中图分类号：G642.423 文献标识码：A 文章编号：1671-489X（2008）20-0050-03
网络技术的迅速发展和普及给高等职业院校实验室建设和实验教学改革注入新的活力，尤其是计算机辅助教学（Computer-aided Instruction，简称CAI），给实验教学改革提出新的课题。CAI用于实验教学，实际上是利用计算机仿真技术，将实验室中各种仪器设备的工作原理、实验步骤、操作过程、实验现象、实验结果和数据处理等有关的信息制成教学软件，让学生在计算机上模拟实验操作，获得理论和实践诸方面的升华。尤其是对于科技含量高、实验设备复杂、技术难度大的实验，其效果最为明显。这种技术也叫虚拟实验或仿真实验，它要求这种实验教学系统与实验室的实际实验相一致，达到使学生身临其境的教学效果，同时面对实验仪器设备和操作的立体感觉，使其教学效果与相应的基础、专业实验相同。
高职物理是一门自然科学，其基础性强，实验结论多，特别是一些定理、定律和结论的验证，需要复杂的实验过程，具有创新的教学理念和非凡的空间思维、创造性思维，是利用CAI创新实验教学的最好例证。
1 高职物理CAI实验教学模式
CAI实验教学，是现代高职物理实验教学的一个重要内容，可从以下几个方面进行。
1.1 开发虚拟实验教学系统，进行实验教学和实验综合考核所谓虚拟实验教学系统，就是通过计算机实验教学软件，利用先进的实验手段，在计算机上模拟某一实验内容或某一学科、专业的内容，使实验教学以动画的形式形象地表述出来。现在，计算机较高的普及率，网络的建立，高校教师计算机水平的极大提高，为科学实施CAI实验教学创造了条件。高校教师可积极开发CAI实验教学系统软件或建立较为科学的网络实验室软件系统，使这些软件系统与现行教材、大纲和专业课紧密联系在一起，供学生结合实验学习进行模拟操作练习。尤其是对在实验室内难以完成或科技含量较高、尖端或具有前沿性的实验，其教学价值更高。
比如高职物理的理想斜面实验，虽然在中学物理中有研究，但提示的内涵和实验的本质不一样。高职物理需要从动态演绎到微量变化，需要从感官升华到动手能力培养。需要由动手操作跃迁到创新思维的培养。所有这些单靠简单的验证是很难完成教学任务的，还需要大量的、具有创新思维的、能够培养动手能力和创造才能的实验过程，需要借助计算机媒体进行模拟训练，以达到如期的教学目的。像微势能的变化、热力学定律、变质量动量定理、冲量定律、谐振子、热传导、光导纤维、光速的测定、磁力线描述、电磁辐射、纳米、原子衰变、热量的转化与能量变化、分子热运动等等都可以借助CAI虚拟实验教学系统来完成。在扩展高职物理教学的同时，赋予高职物理实验教学以新的内涵。CAI实验教学系统是现代教育手段和方法的重要体现，除帮助学生进行实验自学内容，分化课堂教学重点和难点，培养学生动手和综合能力外，还可以进行实验考核，实现网上实验操作、实验评分、结果反馈，既方便又灵活，既准确又节省时间，且考核标准统一，评分合理，真实反应学生的实验水平。
1.2 建立实验教学网站，开展网络化实验教学改革随着高等职业院校的进一步扩招，专业类别的扩大，学生实验动手能力的不断提高，在建立和完善虚拟实验教学软件系统的基础上，各高校应创造条件，挖掘现有教育资源，启动网络工程，积极创办实验教学网站，将高职院校的物理实验教学软件纳入网站系统，并入主机，与校园网连接形成一个教学整体。这样各系、各专业、各高校之间可以借助优越的校园网无障碍地进行物理教学交流和学习改革探讨。实施网络化的高校实验教学，不仅可以使教育资源共享，达到相互交流，相互学习，共同促进的目的，同时将极大地促进高职院校学生学习的积极性，促进高等职业教育健康有序的发展。
高职院校的物理是一门专业基础课，不同专业有不同的教学要求，不像普通高校那样一致，具有综合的知识空间。这一特色赋予高职物理以新内涵：1）物理实验教学网站共享，可以节约资金，扩大交流学习的空间；2）最大限度地开发实验源地，使有限的实验室教学拓展为无限的实验操作场所，是一种信息平台的应用创新；3）学生可无阻碍地网上查询和数据处理，建立网络实验平台，沟通与兄弟院校、同学的联系，活跃学习生活，交流学习经验；4）网络实验平台不仅适合实验，更重要的是适合于类似实验教学方面的其他实践性教学活动，如电子制作、航模比赛、大学生动手实践活动、社会科技调查、生产实践互动、人才开发与就业、就业与培训等。
1.3 建立教室实验室和远程实验教学系统教室实验室和远程实验教学系统是实验实体和计算机网络的结合，是现代教育思想、教育理念与传统教学方法的有机结合。实验者在计算机终端上控制某具体实验的仪器、设备等进行实验，实验结果将通过计算机网络返回到计算机终端，并由计算机系统进行检验和数据更正。随着教室实验室和远程实验教学系统建立的完善，远程大学的建立、远程实验室已被列入各高校建设规划，比较理想的远程实验教学系统也初具规模。远程实验室同网络实验一样，可以极大地突破空间、时间等因素的限制，给高职院校的物理教学带来极大的便利。
远程实验室的建立，必须贯彻科学性原则，必须加强上下级实验教学部门的密切联系，加强与当地远程实验教学网的沟通。现在，潍坊科技学院的远程实验教学平台与当地信息大篷车、市级农科网、蔬菜种子信息交流网以及信息港、教学资源网互通，彻底建立了高职院校与生产、建设、服务、流通等一线的实质性合作，走出一条高职院校为当地经济服务的新路子。
教室实验室是教师将实验模拟软件搬进教室，结合课堂教学一并进行，它的最大特点是彻底解决演示实验难的问题，使理论讲述与实验验证同步进行，给学生创造一个身临其境的教学环境。它需要设备简单，操作方便，实验信息量相对较小，但其作用不可低估。目前，类似于公开课、教学能手评选、优质课的基本模型都是教室实验室的具体体现。
2 CAI物理实验教学探索
下面以《电磁感应 电磁场》为例，说明虚拟实验教学系统的应用与教学改革。
1）建立电磁感应与电磁场的终端平台，将实验室实验平台与校园网相连接，构成虚拟的实验教学系统，搭建学生实验的有效载体。
2）分步骤、分实验与实验室的实验内容相对接，最大限度地体现实验的特有功能。如法拉第的首次发现电流实验、楞次定律的验证实验，全面模拟如图1所示的实验过程和实验结论，给学生创造一个动态与静态的对比平台，让学生充分感受到当物质发生变化时与自然规律的和谐共存。电和磁的变化，其实质就是能量的变化和能量的进一步转化。物质世界如同电磁的变化，需要一定的先决条件，离开了事物的本质和外在的变化条件，任何物理规律都不可能存在。能源的变化需要人类共同维护，只有人类和谐，树立科学发展的理念，才有用之不尽的能源。
3）重点对仪器的特性、结构特征和用途作介绍，以满足学生对完成其他实验的需要和创新欲望的需要。如闭合线圈（单股、多股、双向、有源、无源）、电源（小型、中型、大型、直流、交流）、开关（推拉、刀把、按钮式等）、电流计（灵敏电流计、安培计）、磁铁（条形、马蹄形、面积宽大型）、线框、转身器、电阻器（大、中、小型号）、金属棒（不同型号、不同组成成分的金属棒）。重点介绍与上述器材相关联的实验及相近实验原理、结论、数据以及处理问题的基本方法、内含的哲理、教育的意义和完成实验的关键，以引导学生能够借助已有的实验器材独立进行新的实验，赋予实验教学新的内涵。
4）重点介绍高科技实验，如微型发电机的工作原理、三峡水电站、太阳能发电、地热发电、海水发电、核能发电、电子感应加速器、涡电流的产生及利用、电磁分离器等，以满足学生日益增长的知识需要，扩大知识面，掌握基本的技能，了解社会、生产、建设、流通、服务等行业对电的需求和电力在农业生产、国民经济中的重大作用，提高保护自然、利用自然、开发自然的意识，进行科学发展教育。
5）介绍一部分科学家，如法拉第、奥斯特、亨利、诺埃曼、麦克斯韦、楞次、克斯特等物理科学家的事迹，以教育学生学习他们的研究精神，将才智奉献给整个社会。
3 C I实验教学的作用与实际意义
CAI实验教学是现代教育思想的具体体现，是信息时代赋予高职物理实验教学的新内涵，主要体现在以下几个方面。
1）从学生自学、大众化和终身教育等方面来看，CAI实验教学不仅解决了学生自学实验内容与实验条件相矛盾的问题，同时培养了学生良好的自学习惯和自学行为。通过利用计算机网络对物理实验方法、实验内容和实验过程的学习，彻底解决了新建高职院校无实验场地、缺少实验设备、实验时间少的突出问题。由于高职院校专业开设得比较多，多用途的实验室又相对较少，这样一方面可通过计算机网络组织多专业学生同时进行物理实验的学习，了解物理实验，掌握物理实验技能；另一方面可最大限度再挖掘高职物理教育资源，使有限的物理实验资源发挥其巨大的作用。
2）帮助学生解决在物理实验学习、操作、开发中的困难，化解学习难点。CAI的实验教学系统可把实验中的一些比较抽象的概念、知识点、仪器的使用，用三维立体的形式显示出来并进行模拟演示，使实验教学达到在教室、实验室所达不到的教学效果，加大物理教学中空间、形象思维能力的培养。
3）检查学生的实验综合能力和对实验内容的掌握情况，为物理实验教学改革提供第一手材料。CAI的实验教学系统是现代教育手段和方法的重要体现，除帮助学生进行实验自学，培养学生动手和综合能力外，还可以进行实验考核。考生一人一机，整个过程可通过计算机进行数据记录、分析判断、程序控制；也可现场操作、现场评分、现场反馈，既方便又灵活，既准确又节省时间，且考核标准统一，评分合理，真实反应学生的实验水平。
4）培养高职院校学生的信息综合能力和创新能力。高职院校的学生要适应将来的信息环境，就必须培养接收、处理、开发和应用信息的能力，特别是培养综合创新能力。随着计算机虚拟实验、网络实验和远程实验室的建立，CAI实验教学将给高职学生提供大量的实验教学信息，学生通过对这些知识的掌握与学习，一方面培养实验能力，同时利用网络获取信息，培养利用计算机和网络处理信息的能力，间接地培养思维能力和创新能力，从而适应信息社会对人才的要求。
关键词CAI；创新；实验教学
中图分类号：G642.423 文献标识码：A 文章编号：1671-489X（2008）20-0050-03
网络技术的迅速发展和普及给高等职业院校实验室建设和实验教学改革注入新的活力，尤其是计算机辅助教学（Computer-aided Instruction，简称CAI），给实验教学改革提出新的课题。CAI用于实验教学，实际上是利用计算机仿真技术，将实验室中各种仪器设备的工作原理、实验步骤、操作过程、实验现象、实验结果和数据处理等有关的信息制成教学软件，让学生在计算机上模拟实验操作，获得理论和实践诸方面的升华。尤其是对于科技含量高、实验设备复杂、技术难度大的实验，其效果最为明显。这种技术也叫虚拟实验或仿真实验，它要求这种实验教学系统与实验室的实际实验相一致，达到使学生身临其境的教学效果，同时面对实验仪器设备和操作的立体感觉，使其教学效果与相应的基础、专业实验相同。
高职物理是一门自然科学，其基础性强，实验结论多，特别是一些定理、定律和结论的验证，需要复杂的实验过程，具有创新的教学理念和非凡的空间思维、创造性思维，是利用CAI创新实验教学的最好例证。
1 高职物理CAI实验教学模式
CAI实验教学，是现代高职物理实验教学的一个重要内容，可从以下几个方面进行。
1.1 开发虚拟实验教学系统，进行实验教学和实验综合考核所谓虚拟实验教学系统，就是通过计算机实验教学软件，利用先进的实验手段，在计算机上模拟某一实验内容或某一学科、专业的内容，使实验教学以动画的形式形象地表述出来。现在，计算机较高的普及率，网络的建立，高校教师计算机水平的极大提高，为科学实施CAI实验教学创造了条件。高校教师可积极开发CAI实验教学系统软件或建立较为科学的网络实验室软件系统，使这些软件系统与现行教材、大纲和专业课紧密联系在一起，供学生结合实验学习进行模拟操作练习。尤其是对在实验室内难以完成或科技含量较高、尖端或具有前沿性的实验，其教学价值更高。
比如高职物理的理想斜面实验，虽然在中学物理中有研究，但提示的内涵和实验的本质不一样。高职物理需要从动态演绎到微量变化，需要从感官升华到动手能力培养。需要由动手操作跃迁到创新思维的培养。所有这些单靠简单的验证是很难完成教学任务的，还需要大量的、具有创新思维的、能够培养动手能力和创造才能的实验过程，需要借助计算机媒体进行模拟训练，以达到如期的教学目的。像微势能的变化、热力学定律、变质量动量定理、冲量定律、谐振子、热传导、光导纤维、光速的测定、磁力线描述、电磁辐射、纳米、原子衰变、热量的转化与能量变化、分子热运动等等都可以借助CAI虚拟实验教学系统来完成。在扩展高职物理教学的同时，赋予高职物理实验教学以新的内涵。CAI实验教学系统是现代教育手段和方法的重要体现，除帮助学生进行实验自学内容，分化课堂教学重点和难点，培养学生动手和综合能力外，还可以进行实验考核，实现网上实验操作、实验评分、结果反馈，既方便又灵活，既准确又节省时间，且考核标准统一，评分合理，真实反应学生的实验水平。
1.2 建立实验教学网站，开展网络化实验教学改革随着高等职业院校的进一步扩招，专业类别的扩大，学生实验动手能力的不断提高，在建立和完善虚拟实验教学软件系统的基础上，各高校应创造条件，挖掘现有教育资源，启动网络工程，积极创办实验教学网站，将高职院校的物理实验教学软件纳入网站系统，并入主机，与校园网连接形成一个教学整体。这样各系、各专业、各高校之间可以借助优越的校园网无障碍地进行物理教学交流和学习改革探讨。实施网络化的高校实验教学，不仅可以使教育资源共享，达到相互交流，相互学习，共同促进的目的，同时将极大地促进高职院校学生学习的积极性，促进高等职业教育健康有序的发展。
高职院校的物理是一门专业基础课，不同专业有不同的教学要求，不像普通高校那样一致，具有综合的知识空间。这一特色赋予高职物理以新内涵：1）物理实验教学网站共享，可以节约资金，扩大交流学习的空间；2）最大限度地开发实验源地，使有限的实验室教学拓展为无限的实验操作场所，是一种信息平台的应用创新；3）学生可无阻碍地网上查询和数据处理，建立网络实验平台，沟通与兄弟院校、同学的联系，活跃学习生活，交流学习经验；4）网络实验平台不仅适合实验，更重要的是适合于类似实验教学方面的其他实践性教学活动，如电子制作、航模比赛、大学生动手实践活动、社会科技调查、生产实践互动、人才开发与就业、就业与培训等。
1.3 建立教室实验室和远程实验教学系统教室实验室和远程实验教学系统是实验实体和计算机网络的结合，是现代教育思想、教育理念与传统教学方法的有机结合。实验者在计算机终端上控制某具体实验的仪器、设备等进行实验，实验结果将通过计算机网络返回到计算机终端，并由计算机系统进行检验和数据更正。随着教室实验室和远程实验教学系统建立的完善，远程大学的建立、远程实验室已被列入各高校建设规划，比较理想的远程实验教学系统也初具规模。远程实验室同网络实验一样，可以极大地突破空间、时间等因素的限制，给高职院校的物理教学带来极大的便利。
远程实验室的建立，必须贯彻科学性原则，必须加强上下级实验教学部门的密切联系，加强与当地远程实验教学网的沟通。现在，潍坊科技学院的远程实验教学平台与当地信息大篷车、市级农科网、蔬菜种子信息交流网以及信息港、教学资源网互通，彻底建立了高职院校与生产、建设、服务、流通等一线的实质性合作，走出一条高职院校为当地经济服务的新路子。
教室实验室是教师将实验模拟软件搬进教室，结合课堂教学一并进行，它的最大特点是彻底解决演示实验难的问题，使理论讲述与实验验证同步进行，给学生创造一个身临其境的教学环境。它需要设备简单，操作方便，实验信息量相对较小，但其作用不可低估。目前，类似于公开课、教学能手评选、优质课的基本模型都是教室实验室的具体体现。
2 CAI物理实验教学探索
下面以《电磁感应 电磁场》为例，说明虚拟实验教学系统的应用与教学改革。
1）建立电磁感应与电磁场的终端平台，将实验室实验平台与校园网相连接，构成虚拟的实验教学系统，搭建学生实验的有效载体。
2）分步骤、分实验与实验室的实验内容相对接，最大限度地体现实验的特有功能。如法拉第的首次发现电流实验、楞次定律的验证实验，全面模拟如图1所示的实验过程和实验结论，给学生创造一个动态与静态的对比平台，让学生充分感受到当物质发生变化时与自然规律的和谐共存。电和磁的变化，其实质就是能量的变化和能量的进一步转化。物质世界如同电磁的变化，需要一定的先决条件，离开了事物的本质和外在的变化条件，任何物理规律都不可能存在。能源的变化需要人类共同维护，只有人类和谐，树立科学发展的理念，才有用之不尽的能源。
3）重点对仪器的特性、结构特征和用途作介绍，以满足学生对完成其他实验的需要和创新欲望的需要。如闭合线圈（单股、多股、双向、有源、无源）、电源（小型、中型、大型、直流、交流）、开关（推拉、刀把、按钮式等）、电流计（灵敏电流计、安培计）、磁铁（条形、马蹄形、面积宽大型）、线框、转身器、电阻器（大、中、小型号）、金属棒（不同型号、不同组成成分的金属棒）。重点介绍与上述器材相关联的实验及相近实验原理、结论、数据以及处理问题的基本方法、内含的哲理、教育的意义和完成实验的关键，以引导学生能够借助已有的实验器材独立进行新的实验，赋予实验教学新的内涵。
4）重点介绍高科技实验，如微型发电机的工作原理、三峡水电站、太阳能发电、地热发电、海水发电、核能发电、电子感应加速器、涡电流的产生及利用、电磁分离器等，以满足学生日益增长的知识需要，扩大知识面，掌握基本的技能，了解社会、生产、建设、流通、服务等行业对电的需求和电力在农业生产、国民经济中的重大作用，提高保护自然、利用自然、开发自然的意识，进行科学发展教育。
5）介绍一部分科学家，如法拉第、奥斯特、亨利、诺埃曼、麦克斯韦、楞次、克斯特等物理科学家的事迹，以教育学生学习他们的研究精神，将才智奉献给整个社会。
3 C I实验教学的作用与实际意义
CAI实验教学是现代教育思想的具体体现，是信息时代赋予高职物理实验教学的新内涵，主要体现在以下几个方面。
1）从学生自学、大众化和终身教育等方面来看，CAI实验教学不仅解决了学生自学实验内容与实验条件相矛盾的问题，同时培养了学生良好的自学习惯和自学行为。通过利用计算机网络对物理实验方法、实验内容和实验过程的学习，彻底解决了新建高职院校无实验场地、缺少实验设备、实验时间少的突出问题。由于高职院校专业开设得比较多，多用途的实验室又相对较少，这样一方面可通过计算机网络组织多专业学生同时进行物理实验的学习，了解物理实验，掌握物理实验技能；另一方面可最大限度再挖掘高职物理教育资源，使有限的物理实验资源发挥其巨大的作用。
2）帮助学生解决在物理实验学习、操作、开发中的困难，化解学习难点。CAI的实验教学系统可把实验中的一些比较抽象的概念、知识点、仪器的使用，用三维立体的形式显示出来并进行模拟演示，使实验教学达到在教室、实验室所达不到的教学效果，加大物理教学中空间、形象思维能力的培养。
3）检查学生的实验综合能力和对实验内容的掌握情况，为物理实验教学改革提供第一手材料。CAI的实验教学系统是现代教育手段和方法的重要体现，除帮助学生进行实验自学，培养学生动手和综合能力外，还可以进行实验考核。考生一人一机，整个过程可通过计算机进行数据记录、分析判断、程序控制；也可现场操作、现场评分、现场反馈，既方便又灵活，既准确又节省时间，且考核标准统一，评分合理，真实反应学生的实验水平。
4）培养高职院校学生的信息综合能力和创新能力。高职院校的学生要适应将来的信息环境，就必须培养接收、处理、开发和应用信息的能力，特别是培养综合创新能力。随着计算机虚拟实验、网络实验和远程实验室的建立，CAI实验教学将给高职学生提供大量的实验教学信息，学生通过对这些知识的掌握与学习，一方面培养实验能力，同时利用网络获取信息，培养利用计算机和网络处理信息的能力，间接地培养思维能力和创新能力，从而适应信息社会对人才的要求。