計(jì)算機(jī)在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用論文
[摘要]本文分析了計(jì)算機(jī)在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用，其應(yīng)用主要包括：多媒體教學(xué)，仿真物理實(shí)驗(yàn)，多媒體實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)后的數(shù)據(jù)處理等幾個(gè)方面。由于計(jì)算機(jī)可以幫助解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中難以解決的問題，因此受到越來越多的歡迎。
[關(guān)鍵詞]物理實(shí)驗(yàn)教學(xué) 多媒體教學(xué) 仿真物理實(shí)驗(yàn) 多媒體實(shí)驗(yàn)
目前，計(jì)算機(jī)在高等教育中發(fā)揮著越來越重要的作用，其在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用也越來越受到重視。筆者查閱了大量的文獻(xiàn)資料，并結(jié)合自己的教學(xué)實(shí)踐，對(duì)計(jì)算機(jī)在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。計(jì)算機(jī)在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用大體可分為以下幾個(gè)方面。
一、多媒體教學(xué)
多媒體教學(xué)作為現(xiàn)代化教學(xué)的重要形式，以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)受到越來越多的歡迎，它以生動(dòng)的圖象、視頻、動(dòng)畫、聲音等手段創(chuàng)設(shè)情境，變靜為動(dòng)，變抽象為直觀，調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性，豐富了課堂教學(xué)內(nèi)容，提高了教學(xué)效果。
1.演示靜態(tài)內(nèi)容，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生感官
利用多媒體，可以將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容按一定的結(jié)構(gòu)，用文字圖像等形式呈現(xiàn)在投影屏幕上，把學(xué)生的眼、耳、腦等器官充分調(diào)動(dòng)起來，使學(xué)生在直觀的環(huán)境中牢固地掌握知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的觀察力、想象力。同時(shí)，利用多媒體還可以“解剖”復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)儀器，讓學(xué)生了解儀器的組成、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和使用原理，使學(xué)生對(duì)常見儀器的使用有深刻的了解。例如“邁克爾遜干涉儀的調(diào)整與使用”這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，我們可以用攝像機(jī)與計(jì)算機(jī)相結(jié)合的方法，以錄像形式清楚地介紹邁克爾遜干涉儀的具體構(gòu)造，逐個(gè)展示儀器的各個(gè)部件，演示每個(gè)調(diào)節(jié)部件的調(diào)節(jié)方法、注意事項(xiàng)及讀數(shù)方法。
2.演示動(dòng)態(tài)變化過程，使抽象的過程形象化
許多物理實(shí)驗(yàn)雖然可以用實(shí)物儀器做，但物理過程速度極快，現(xiàn)象極為微小，學(xué)生無法觀察其中的奧妙所在。以“彈性碰撞”演示實(shí)驗(yàn)為例，碰撞是一個(gè)在極短時(shí)間內(nèi)完成的物理過程，實(shí)驗(yàn)中學(xué)生只能看到碰撞前后的情況，碰撞過程學(xué)生難以認(rèn)識(shí)。運(yùn)用多媒體技術(shù)可以延長碰撞過程的時(shí)間，通過多媒體的定格慢放，可以清晰地觀察彈性碰撞的物體從接觸、擠壓、變形、產(chǎn)生彈力，然后變形逐漸消失，彈性逐漸減少，最后恢復(fù)原狀，到兩物體分離的整個(gè)過程。整個(gè)過程既形象生動(dòng)，又能揭示物理的本質(zhì)。
3.再現(xiàn)微觀世界，提供形象感知
許多微觀結(jié)構(gòu)和微觀現(xiàn)象無法觀察，演示實(shí)驗(yàn)也難以完成。傳統(tǒng)教學(xué)中只能靠教師板書和語言進(jìn)行講授，學(xué)生普遍感到印象不深，難以理解。應(yīng)用多媒體技術(shù)配合教學(xué)，可以起到良好的效果。例如“粒子散射”實(shí)驗(yàn)，由于受條件限制做不了這種實(shí)驗(yàn)，就可以將粒子散射的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象通過多媒體技術(shù)顯示出來。學(xué)生可以觀察到放射源中射出的粒子射到金箔原子上，絕大多數(shù)粒子沿原方向前進(jìn)，少數(shù)粒子發(fā)生較大偏轉(zhuǎn)，極個(gè)別的粒子甚至被彈回來。這樣學(xué)生在實(shí)驗(yàn)條件不具備的情況下仍可通過多媒體親眼目睹粒子散射的情景，增強(qiáng)感性認(rèn)識(shí)，加深理解，提高學(xué)習(xí)能力。
二、仿真物理實(shí)驗(yàn)
仿真物理實(shí)驗(yàn)，是利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，通過理論模型復(fù)現(xiàn)實(shí)際的系統(tǒng)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，得到相關(guān)的數(shù)據(jù)和結(jié)果，驗(yàn)證理論模型的正確性。
計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)并不能代替學(xué)生做真實(shí)的實(shí)驗(yàn)。然而，目前在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，由于實(shí)驗(yàn)儀器復(fù)雜、精密和昂貴，往往不能允許學(xué)生自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)參數(shù)、反復(fù)調(diào)整儀器，這對(duì)學(xué)生剖析儀器性能和結(jié)構(gòu)、理解實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思想和方法是很不利的。計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)可在相當(dāng)程度上彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)上這方面的缺憾。
仿真物理實(shí)驗(yàn)，可以改變傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中枯燥的教學(xué)方式，使教學(xué)更形象、生動(dòng)；可以節(jié)約教學(xué)成本，不斷更新、優(yōu)化教學(xué)資源；可以讓學(xué)生模擬操作訓(xùn)練，通過人機(jī)交互過程獲得操作技能；可以模擬實(shí)際中很難實(shí)現(xiàn)或無法實(shí)現(xiàn)的操作環(huán)境，完成實(shí)際中無法實(shí)現(xiàn)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。
我們正在使用的《大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)》軟件，基本上涵蓋了我們開設(shè)的所有實(shí)驗(yàn)。除此之外，還包含一些我們沒有開設(shè)或者無法開設(shè)的實(shí)驗(yàn)，可以讓學(xué)生在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)操作。其中的真空實(shí)驗(yàn)，可以很好地表現(xiàn)仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)際操作相比的'優(yōu)越性。因?yàn)檎婵障到y(tǒng)容易因錯(cuò)誤操作而造成事故，學(xué)生做真空實(shí)驗(yàn)時(shí)老師總是把實(shí)驗(yàn)步驟講得很清楚，不允許學(xué)生隨便操作，這樣不但限制了學(xué)生的主動(dòng)性、積極性，而且不能使他們從錯(cuò)誤中吸取教訓(xùn)，難以深刻掌握真空實(shí)驗(yàn)的精髓。使用仿真實(shí)驗(yàn)軟件可以很好地解決這個(gè)問題，它允許學(xué)生犯各種各樣的錯(cuò)誤，學(xué)生通過模擬訓(xùn)練，可以充分認(rèn)識(shí)真空系統(tǒng)的各個(gè)部件，明白各個(gè)操作步驟為什么要這樣做以及不這樣做的危害性, 從而真正掌握實(shí)驗(yàn)的精髓。
三、多媒體實(shí)驗(yàn)
仿真實(shí)驗(yàn)具有功能全、成本低、效率高等諸多優(yōu)越性能，但它畢竟不能完全替代實(shí)物實(shí)驗(yàn)。因此出現(xiàn)了一種含有仿真效果的實(shí)物實(shí)驗(yàn)或者說是含有實(shí)物的仿真實(shí)驗(yàn)，可稱其為多媒體實(shí)驗(yàn)。利用計(jì)算機(jī)替代采集測(cè)試分析儀器，所有的測(cè)量儀器主要功能可由“數(shù)據(jù)采集”、“數(shù)據(jù)分析”和“結(jié)果輸出”等三大部分組成，用一定的硬件系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)采集，用基于計(jì)算機(jī)的軟件系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)分析和結(jié)果輸出。這樣可以使用相同的硬件系統(tǒng)，通過不同的軟件實(shí)現(xiàn)功能完全不同的各種測(cè)量。目前，越來越多的實(shí)驗(yàn)開始利用計(jì)算機(jī)來進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析，最終輸出結(jié)果。
例如，在“高溫超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度測(cè)量實(shí)驗(yàn)”中，將高溫超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度測(cè)定儀主機(jī)與計(jì)算機(jī)連接起來，使用配套的專用軟件可實(shí)時(shí)記錄樣品的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變曲線。對(duì)于記錄下的曲線，可以進(jìn)行存盤、打印等操作，也可刪除及重新開始記錄，在計(jì)算機(jī)采樣的時(shí)候，我們可以通過選擇不同的顏色來區(qū)分降溫和升溫的曲線；在計(jì)算機(jī)記錄完畢后，可以通過鼠標(biāo)的點(diǎn)擊來顯示曲線上每一點(diǎn)的坐標(biāo)值，橫坐標(biāo)的溫度值可直接顯示對(duì)應(yīng)的溫度，不需要查表。這樣可以利用計(jì)算機(jī)物理量轉(zhuǎn)換快速、存儲(chǔ)方便、計(jì)時(shí)準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，省時(shí)、省力、直觀地記錄超導(dǎo)轉(zhuǎn)變的全過程。
四、實(shí)驗(yàn)后的數(shù)據(jù)處理
做完實(shí)驗(yàn)后，通常需要對(duì)直接測(cè)得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，處理過程可以使用計(jì)算機(jī)，包括利用Matlab、Origin等數(shù)據(jù)處理軟件或者利用計(jì)算機(jī)高級(jí)語言編寫程序等。
Matlab軟件是一套高性能的數(shù)值計(jì)算和可視化軟件，它集數(shù)值分析、矩陣運(yùn)算、信號(hào)處理和圖形顯示于一體，因此可用于物理實(shí)驗(yàn)后的數(shù)據(jù)處理。與其他的計(jì)算機(jī)高級(jí)語言相比，具有十分明顯的優(yōu)點(diǎn)：
(1)操作和使用方法非常簡單。
(2)豐富的內(nèi)部函數(shù)能夠解決許多基本運(yùn)算。
(3)強(qiáng)大的圖形功能可以用圖形的方式表達(dá)計(jì)算結(jié)果，編程直觀簡潔。
Origin軟件不僅包括計(jì)算、統(tǒng)計(jì)、直線和曲線擬合等各種完善的數(shù)據(jù)分析功能，而且提供了幾十種二維和三維繪圖模板，它采用直觀的、圖形化的、面向?qū)ο蟮拇翱诓藛魏凸ぞ邫诓僮鳌Ｓ肙rigin 處理物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，不用編程，只要輸入測(cè)量數(shù)據(jù)，然后再選擇相應(yīng)的菜單命令，點(diǎn)擊相應(yīng)的工具按鈕即可。
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