一 、动态模拟技术的教学应用价值
模拟，又称仿真（simulation），是指利用模型复现系统的运动过程，并通过实验研究该系统性能的方法。仿真技术可用于科学研究、工程设计和人员培训等多种目的，已广泛应用于航空、航天、电力、化工、军事、交通、经济、生态、管理等各个领域。按照模型的性质，模拟可分为物理仿真（如飞机模型风洞实验）和计算机仿真（即数学仿真，如计算机地震模拟）；按照模型与环境的组合，模拟又可分为系统模型结合实际环境和条件、系统模型结合模拟环境和条件，及实际系统结合模拟环境和条件三种类型。本文所讨论的动态模拟，是指动态系统模型结合模拟环境和条件的、可通过人机界面调控模型参数的计算机数字模拟。
动态模拟的技术和思想，可以在中学多媒体教学软件的开发和应用中发挥重大作用。
在中学科学领域的学科教学中，有很多复杂的现象、过程及原理，难以直接观察，也难以实验观察（包括实验本身难以实施和实验现象不明显等，比如宇观的、微观的动态运动，瞬态的、历时的运动变化，复杂的空间结构等），由于不能直观感知而形成教学难点。在板书、挂图等传统的教学手段下，教师只能用语言描述动态的或空间的图像，学生需要领会教师的语言进行“想像”，试图在头脑中建立教师所描述的图像，因而不可避免地产生认知障碍。要解决这个问题，最有效的途径就是改变教学信息传递的媒介，通过科学动态模拟把知识图像以连续动态的直观画面呈现出来，“还原”知识的本来面目，这样，很难“讲”清楚的内容，可能很容易就“看”懂了。
除了获得直观、准确的观察，基于动态模拟的教学软件还可以作为“探究”学习的工具。动态模拟技术使我们可以通过人机交互的参数调控来控制模型的运动状态（如物理运动学模型中调控研究对象的质量、初速度、受力等参数来实时改变其运动状态等），实现定量分析。教学中，教师可以指导学生通过对受控模型的观察和测量，自主地分析、总结和发现规律。实际上，现在的科学研究都离不开模拟，甚至一些重要发现是先通过模拟和计算找到规律、得到结论，再通过实验进行验证的。
动态模拟教学软件最主要的特点就是科学性和交互性。科学性体现在其动态画面的呈现是建立在数学模型实时计算的基础上的，而交互性则体现在可以通过参数调控来控制模型的运动状态。以上两点是其区别于一般教学动画的本质所在（也是“动态模拟”常被称为“科学动态模拟”的原因），同时也决定了其适用范围是那些可以通过数学模型复现的教学内容，主要集中在数学和科学学科，如数学的几何图像和函数图像，物理的运动学、电学和光学，地理的地球运动，化学的分子结构等。
比较项目 | 一般教学动画 | 动态模拟教学软件 |
基本特点 | 示意动画模拟 | 科学动态模拟 |
科学性 | 与设计要求和实现手段有关 | 严格保证，基于数学模型实时计算 |
交互性 | 与设计要求和实现手段有关 | 强大，可实现参数调控、模型实时响应 |
实现技术 | 很多，常见的有Flash、3dmax等 | 高级语言编程，如.net、Delphi、java等 还需要2D、3D交互动画技术支持 |
适用领域 | 广泛 | 数学和科学学科 |
主用用途 | 演示教学 | 演示教学和探究教学 |
表1 动态模拟教学软件和一般教学动画的比较
二 、动态模拟教学软件设计的一般原则和方法
与应用领域广泛的通用软件不同（如office等办公软件，flash、3dmax等多媒体编辑软件，blog、webquest等社会化网络软件），教学软件是教学内容和软件功能有机结合的专业软件，既针对具体的教学内容、又支持具体的教学活动，如演示教学、探究学习或备课作课件等。因此，动态模拟教学软件的设计，应该在充分发挥技术优势的基础上，做到内容、形态和功能的和谐统一。具体地，要遵循以下三点原则。
首先是选题合理。要针对学科教学内容中，难以用其他教学手段（文字、语言、图片、视频等）表达清楚的规律原理类的难点内容，当然前提是可以用科学模型动态模拟。教学软件的设计目标不是为了代替其他某种教学手段，而是为了优化甚至突破。
其次是表现形式科学。这里科学性体现在两个层面，一是尊重科学事实，把知识模型科学地呈现出来；二是以利于学生观察分析为原则优化画面呈现形式、设计恰当的人机交互方式，如合理设计形态轮廓和使用色彩搭配来强化视觉效果，合理设计慢放、定格、动态文字提示、坐标优化、视角转换等交互控制来保证教学要点的细节观察等。
最后是界面设计要贯彻“积件”思想。一是合理分解和组织动态场景，对于复杂的内容，要尽可能合理地分解成多个小的场景，并组织成可随时切换的非线性结构；二是合理设计操控功能，如观察控制、参数控制、提示控制等，以利于使用者的选择性使用，满足其个性化需求。
软件设计的过程是一个将需求转变为软件陈述的过程。在需求分析的基础上， 通过逐步求精使得设计陈述逐渐接近源代码。一般地，初步设计将需求转换成数据和软件框架，详细设计将框架逐步求精细化为具体的数据结构和软件的算法表达，最后通过界面设计建立程序布局和人机交互机制。
动态模拟教学软件的设计过程，要把上述的一般方法迁移到对教学内容的教学分析和对教学过程的教学设计上来。
教学分析的过程，首先要明确教学目标要求，即明确要求学生认识、理解和掌握的具体指标；然后分析一切其他可能的教学手段下，学生达到目标要求可能存在的认知困难，以及造成认知障碍的原因；最后分析应用动态模拟技术解决这些问题的可行性。
教学设计的过程，首先是动态模型设计，尝试通过动态模拟技术建立知识模型，结合恰当的交互动画技术设计模型的呈现形态和基本的运动效果，并分析和评估教学效果；然后是模型的详细设计，这部分工作内容较多，基础是数学模型的定型、接口参数设计、算法设计，以及模型动态输出的技术选型和算法设计、动态场景的观察接口参数设计，主体是程序的整体系统结构设计、主要操控功能的规划和流程设计，数据结构的设计；最后是人机界面的设计，这里主要模拟实际的教学应用过程，评估使用者操控的有效性和便捷性。
到此为止，就可以形成完备的设计文档、进入编码调试阶段了。这个过程虽然遵循软件工程的一般程序，但如何有效地整合教学经验和软件工程经验，对设计工作而言则是很重要也是很困难的部分。
三 、一个设计实例——横波的叠加
这是高中物理的一个教学难点，要求学生理解“两列波相遇后都保持各自的状态继续传播，相互通过；在二波重叠区域里，介质中任何一质点的总位移均等于各列波分别引起的位移的矢量和”两个知识点。
两列反向传播的波相遇、叠加，是一个动态的过程。波叠加的演示实验比较难做，而且一般用绳波演示的效果也较差，学生很难看清楚，更谈不上通过有效观察进行分析和定量研究了。教师一般用一组静态的分解示意图进行讲解，引导学生想象动态图像，效果自然不理想。 无法清晰观察到动态的波叠加过程是造成上述教学困难的本质原因之一，但更重要的是：波叠加时每列波都淹没在叠加的波中，叠加区的质点在两列波的合作用下运动，因此即便观察到波叠加的动态图像也很难直观感受波的独立性和每列波对叠加的贡献。
利用动态模拟技术，可以在介质系统的波叠加运动中把两列原波分解并且同步地显示出来，通过对比观察叠加波和原波，使复杂的物理过程大大简化，让学生在动态的波叠加图像中直接看到波的独立性，甚至可以度量任意质点的叠加运动，教学难点迎刃而解。具体地，软件可以实现以下三个主要功能：
一是分解动态的波叠加图像，获得原波独立传播的直观观察。在动态的波叠加图像中将两列反向传播的原波分解出来，分别用不同的颜色显示，通过与叠加波的同步对比显示，可以直观地观察到在介质系统叠加运动中隐含的原波的独立传播的动态图像。通过任意调整两列波的参数，可以让学生进一步理解波的独立性是横波传播的普遍规律。为了加深学生的理解，可以设计脉冲波，让学生更清晰地看到两个反向传播的脉冲波相互穿过，互不干扰的情景。
二是定量研究波的叠加原理。在波叠加的动态情景上，可以选择任意的质点进行定量研究。利用背景网格观察质点的位移和质点在两列原波上的“位移”，利用暂停、步进、步退功能在运动中对比研究它们之间的关系，直观地得出结论。为了使研究更具普遍性，可以改变两列波的参数重复观察。
三是动态展示波的干涉情景。调整两列波的频率，观察波叠加的动态图像的变化。当二波频率相同时，观察到稳定的干涉图像，使用显示波形轨迹功能显示叠加波的轮廓，可以更清晰地看到干涉图像，加强区与减弱区的位置一目了然，这也为后面学习水面波干涉打下了很好的基础。
图1.直接观察叠加波和源波、任意点定量分析
图2.观察波的干涉图样及形成条件
对于动态模拟教学软件的开发，技术和设计同样重要，动态模拟技术是基础，结合教学内容和教学过程的设计是保障。目前，动态模拟技术在中学教学中的应用价值还远没有充分发挥出来，相信随着信息技术教学应用的普及，基于动态模拟的多媒体教学软件会成为日常教学中突破教学难点的有效工具。
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