電腦模擬與物理實驗教學(xué)

1、電腦模擬與物理實驗教學(xué)現(xiàn)代教育技術(shù)的開展 ,使教師組織教學(xué)活動的手段更豐富、方法更靈活、效率更高。現(xiàn)代教育技術(shù)中 ,電腦輔助教育系統(tǒng) ,由于代表最先進(jìn)的現(xiàn)代教育手段 ,成為教育教學(xué)實踐研究的新課題。一、電腦模擬對于物理實驗教學(xué)有廣闊的前景電腦輔助教育的功能分為四種 ,即電腦輔助教學(xué)、電腦管理教學(xué)、電腦模擬和電腦智力游戲。電腦模擬 ,即利用模型來研究一個系統(tǒng)的行為特征 ,在物理教學(xué)中 ,可以用來模擬實驗環(huán)境 ,以此代替或加強傳統(tǒng)的實驗手段。由于電腦模擬不受空間限制 ,可由宏觀到微觀；不受時間限制 ,可將瞬間過程延緩 ,可將長時過程縮短。電腦模擬可將抽象內(nèi)容具體化 ,又可從具表達(dá)象抽象出其本質(zhì)特征

2、；可將動態(tài)變成靜態(tài) ,利于觀察 ,又可將靜態(tài)變成動態(tài) ,利于理解。電腦模擬還可將輸給它的信息經(jīng)過邏輯推理運算 ,輸出結(jié)果 ,判定輸入輸出的關(guān)系 ,從而在輸入信息與輸出結(jié)果之間建立某種聯(lián)系。物理學(xué)是一門以觀察和實驗為根底的科學(xué) ,學(xué)生對物理知識的學(xué)習(xí) ,雖然是一種特殊的認(rèn)識活動 ,但仍要以觀察物理現(xiàn)象、進(jìn)行物理實驗作為思維的根底。電腦模擬恰好成為常規(guī)教學(xué)中難以觀察的物理現(xiàn)象、難以進(jìn)行的物理實驗的替代者。電腦模擬的上述特點 ,是其它輔助教學(xué)手段不可比較的 ,因而具有廣闊的開展前景。二、電腦模擬在物理教學(xué)中的應(yīng)用電腦模擬分為兩種情況：一電腦行為模擬所謂行為模擬 ,是告訴學(xué)生電腦程序中的模型 ,通過運

3、行這個程序 ,不斷地改變參數(shù) ,得到一系列輸出數(shù)據(jù) ,然后通過考察輸入輸出的關(guān)系 ,弄清該模型所反映出的規(guī)律或特點。牛頓第二定律 ,是物理教學(xué)中的重點和難點 ,得出牛頓第二定律的實驗在氣墊滑軌上進(jìn)行。由光電門將沿塊運動的時間傳輸?shù)焦怆姅?shù)字計時器 ,我們再將數(shù)據(jù)輸入到電腦中程序清單略 ,電腦進(jìn)行一系列加速度的計算 ,并將加速度與產(chǎn)生加速度的力進(jìn)行比較 ,將加速度與滑塊質(zhì)量進(jìn)行比較 ,得到加速度與力、加速度與質(zhì)量的關(guān)系 ,建立牛頓第二定律。學(xué)生觀察實驗過程和實驗現(xiàn)象 ,接受電腦行為模擬的結(jié)果 ,免去繁瑣的手計算過程 ,即節(jié)省了時間 ,提高了課堂效率 ,又突出加強了對牛頓第二定律的理解和記憶。注意

4、,教學(xué)中要采用大屏幕監(jiān)示器 ,將電腦處理結(jié)果清晰地呈現(xiàn)給學(xué)生 ,發(fā)揮電腦的優(yōu)點。下述各電腦應(yīng)用過程也要注意這一點?；コ山嵌裙颤c力合成的平行四邊形法那么 ,講授時 ,由教師作二力合成的投影演示實驗。小彈簧秤底板用有機玻璃制成 ,分別用一個小彈簧秤和兩個小彈簧秤將橡皮條均拉到O點 ,如圖一、圖二所示。學(xué)生從投影屏上 ,讀出圖一彈簧秤上所示合力的數(shù)值 ,然后讀出圖二彈簧秤上兩個分力的數(shù)值 ,并通過固定于投影儀復(fù)印在膠片上的量角器 ,讀出二分力與水平線夾角值 ,將這些數(shù)據(jù)輸入到電腦中程序清單略 ,由電腦進(jìn)行高分辨作圖。由不同組實驗數(shù)據(jù) ,電腦在顯示屏上先畫出表示合力F ,兩個分力F1 ,F2的有向線段

5、 ,然后以表示兩個分力的有向線段為鄰邊 ,作出平行四邊形 ,并作出二分力所夾的對角線 ,將此對角線與表示合力的有向線段進(jìn)行比較 ,如圖三、圖四所示電腦運行結(jié)果 ,平行四邊形的對角線與表示合力的有向線段吻合得很好。從教學(xué)實踐看 ,絕大多數(shù)結(jié)果都很準(zhǔn)確 ,從而科學(xué)、可信地建立兩個共點力合成的平行四邊形法那么。如果產(chǎn)生偶然操作誤差 ,如圖五所示 ,可找出誤差原因 ,將實驗重新進(jìn)行。電腦作圖的精確性 ,減少了作圖誤差 ,使學(xué)生更好地接受實驗結(jié)果。電腦作圖 ,節(jié)省了時間 ,教師在課上可作多組演示實驗 ,既豐富了學(xué)生感性認(rèn)識 ,又突出了建立平行四邊形法那么的歸納法。注意 ,電腦作圖很精確 ,實驗設(shè)計也較科

6、學(xué) ,這就要求準(zhǔn)確操作 ,準(zhǔn)確讀取數(shù)據(jù) ,以得到正確的結(jié)果。像斜拋運動 ,單擺的振動規(guī)律 ,光的折射定律等都可以將實驗與電腦行為模擬結(jié)合真情行為進(jìn)行教學(xué)。二電腦模型化模擬所謂模型化模擬 ,是由電腦根據(jù)程序中的模型輸出一組表示系統(tǒng)行為的數(shù)據(jù)或圖象 ,讓學(xué)生通過觀察和分析這些數(shù)據(jù)或圖象 ,找出它們之間的關(guān)系 ,建立系統(tǒng)的模擬。如開普勒三個定律物理圖景的模擬程序清單略。首先 ,模擬的行星圍繞太陽運動 ,但看不出規(guī)律 ,學(xué)生產(chǎn)生困惑 ,如圖六。然后鍵控 ,使行星在運動的同時顯示自己的運動軌跡 ,如圖七 ,行星的運行軌跡橢圓便清楚地顯示出來 ,不用解釋 ,學(xué)生了然于胸。然后再畫上坐標(biāo)系 ,太陽呈現(xiàn)在橢圓

7、軌道的一個焦點上 ,如圖八所示。這樣 ,清楚、明白地總結(jié)出開普勒第一定律。開普勒第二定律如圖九 ,除顯示出“相等時間 ,行星與太陽的聯(lián)線掃過相等的面積外 ,行星的運動速度也是真實的模擬、即“近地點運動的快 ,遠(yuǎn)地點運動的慢。開普勒三定律是由大量的觀測數(shù)據(jù)總結(jié)出來的 ,我們利用電腦的模型化模擬 ,呈現(xiàn)給學(xué)生生動的圖象 ,學(xué)生很容易理解和接受。模型化模擬可細(xì)分成下面幾種：1突破空間界限的模擬：物理學(xué)的開展 ,大到宇宙天體 ,小到根本粒子。而如此宏觀與微觀在常規(guī)物理實驗教學(xué)中都難以再現(xiàn) ,學(xué)生那么難以建立起相應(yīng)的物理表象。我們通過電腦模型化模擬 ,為學(xué)生提供感性認(rèn)識。如開普勒三定律的物理圖景的模擬、

8、衛(wèi)星發(fā)射原理的模擬、盧瑟福a粒子散射實驗的示意模擬、核裂變的模擬、光電效應(yīng)的模擬等。2突破時間界限的模擬：有的物理實驗用時較長 ,實驗教學(xué)中費時較多 ,難以進(jìn)行 ,如觀察沸騰現(xiàn)象的實驗；有的物理實驗現(xiàn)象展現(xiàn)時間很短 ,學(xué)生難以觀察清楚 ,如牛頓管中自由落體運動實驗。我們用模型化模擬 ,控制實驗現(xiàn)象展示的時間。3實驗動、靜結(jié)合的模擬：靜電感應(yīng)現(xiàn)象、導(dǎo)線中電子由無規(guī)那么熱運動到電場作用下的定向移動過程、電容的充放電過程等 ,建立物理圖景的動態(tài)模擬 ,并用鍵控程序?qū)討B(tài)過程定格展示物理過程的節(jié)點。4實現(xiàn)抽象與具體相互轉(zhuǎn)化的模擬：將抽象的物理過程經(jīng)過電腦模擬而具體化 ,如磁化過程的模擬、電磁振蕩現(xiàn)象的

9、模擬、電磁波傳播過程的模擬演示等。將具體的物理過程 ,去掉非本質(zhì)的表象 ,直接將物理問題的本質(zhì)抽象出來 ,如楞次定律教學(xué)實驗 ,直接模擬外磁場、感應(yīng)磁場、感應(yīng)電流 ,研究它們的關(guān)系。三、電腦出擬與物理實驗教學(xué)的有機結(jié)合所謂有機結(jié)合 ,即處理好電腦模擬與物理實驗、電腦模擬與其它教學(xué)手段、電腦模擬與教師講授之間的關(guān)系。一電腦模擬不能淡化物理實驗。物理實驗是學(xué)生獲得物理知識最直接的手段、最真實的經(jīng)驗和最好的感性材料。電腦模擬只能逼真 ,而不可能真實 ,不能試圖用電腦模擬去代替物理實驗。實驗教學(xué)中難以進(jìn)行、效果不好 ,需用電腦模擬的實驗 ,要將真實的實驗呈現(xiàn)給學(xué)生 ,再進(jìn)行電腦模擬 ,將電腦模擬與物理

10、實驗結(jié)合起來。無法進(jìn)行的實驗 ,要講清實驗環(huán)境、實驗條件、實驗過程 ,再用電腦模擬。二重視其它教學(xué)手段的運用物理實驗教學(xué) ,不言自明 ,物理實驗為其根本 ,我們必須加強實驗研究。在教學(xué)實踐中設(shè)計更合理的實驗過程 ,改良和制作物理實驗儀器 ,結(jié)合科學(xué)技術(shù)的開展 ,采用更先進(jìn)的實驗手段。而且電腦模擬有其局限 ,如聲學(xué)實驗 ,演示噪音、樂音及其波形 ,除示波器外 ,我們要用錄音機；學(xué)習(xí)天體運動 ,我們用錄像機和電視機 ,這是電腦模擬不能到達(dá)的。有的模擬用投影、幻燈就可簡潔而形象地進(jìn)行 ,也不必費時、費力去進(jìn)行電腦模擬。三充分發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用任何教學(xué)手段 ,都需要教師去安排使用、去組織教學(xué) ,電腦模擬手段也不能例外。是否用電腦模擬 ,什么時機、哪些環(huán)節(jié)進(jìn)行電腦模擬 ,都要由教師決定。而且這種決定要很好地促進(jìn)學(xué)生所學(xué)知識的正向遷移。四、電腦模擬于物理實驗教學(xué)所需環(huán)境一電腦模擬軟件的編制電腦模擬手段的引入 ,對物理教師提出了更高要求 ,既要深入鉆研教材 ,又要具有編制軟件的能力。對專業(yè)人員編制的軟件 ,物理教師要有改造和使用能力。同時 ,需要專業(yè)人員和物理教師針對物理實驗的空白和薄弱之處 ,編