電腦模擬與物理實驗教學

電腦模擬與物理實驗教學

　　現(xiàn)代教育技術(shù)的發(fā)展，使教師組織教學活動的手段更豐富、方法更靈活、效率更高�，F(xiàn)代教育技術(shù)中，電腦輔助教育系統(tǒng)，由于代表最先進的現(xiàn)代教育手段，成為教育教學實踐研究的新課題。
一、電腦模擬對于物理實驗教學有廣闊的前景
　　電腦輔助教育的功能分為四種，即電腦輔助教學、電腦管理教學、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，又可從具體現(xiàn)象抽象出其本質(zhì)特征；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。
　　物理學是一門以觀察和實驗為基礎(chǔ)的科學，學生對物理知識的學習，雖然是一種特殊的認識活動，但仍要以觀察物理現(xiàn)象、進行物理實驗作為思維的基礎(chǔ)。電腦模擬恰好成為常規(guī)教學中難以觀察的物理現(xiàn)象、難以進行的物理實驗的替代者。
　　電腦模擬的上述特點，是其它輔助教學手段不可比擬的，因而具有廣闊的發(fā)展前景。
二、電腦模擬在物理教學中的應(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，是告訴學生電腦程序中的模型，通過運行這個程序，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)生加速度的力進行比較，將加速度與滑塊質(zhì)量進行比較，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，教學中要采用大屏幕監(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。
　　　　　　　　　　　　
　　互成角度共點力合成的平行四邊形法則，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，F(xiàn)2）的有向線段，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。從教學實踐看，絕大多數(shù)結(jié)果都很準確，從而科學、可信地建立兩個共點力合成的平行四邊形法則。
　　　　　　　　　　　　
　　如果產(chǎn)生偶然操作誤差，如圖（五）所示，可找出誤差原因，將實驗重新進行。
　　電腦作圖的精確性，減少了作圖誤差，使學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，既豐富了學生感性認識，又突出了建立平行四邊形法則的歸納法。注意，電腦作圖很精確，實驗設(shè)計也較科學，這就要求準確操作，準確讀取數(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)合真情行為進行教學。
　�。ǘ�）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，學生了然于胸。然后再畫上坐標系，太陽呈現(xiàn)在橢圓軌道的一個焦點上，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)給學生生動的圖象，學生很容易理解和接受。
　　模型化模擬可細分成下面幾種：
　　1．突破空間界限的模擬：物理學的發(fā)展，大到宇宙天體，小到基本粒子。而如此宏觀與微觀在常規(guī)物理實驗教學中都難以再現(xiàn)，學生則難以建立起相應(yīng)的物理表象。我們通過電腦模型化模擬，為學生提供感性認識。如開普勒三定律的物理圖景的模擬、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，實驗教學中費時較多，難以進行，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、導線中電子由無規(guī)則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)�動態(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手段、電腦模擬與教師講授之間的關(guān)系。
　�。ㄒ唬╇娔X模擬不能淡化物理實驗。物理實驗是學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。
　　實驗教學中難以進行、效果不好，需用電腦模擬的實驗，要將真實的實驗呈現(xiàn)給學生，再進行電腦模擬，將電腦模擬與物理實驗結(jié)合起來。
　　無法進行的實驗，要講清實驗環(huán)境、實驗條件、實驗過程，再用電腦模擬。
　�。ǘ�）重視其它教學手段的運用
　　物理實驗教學，不言自明，物理實驗為其根本，我們必須加強實驗研究。在教學實踐中設(shè)計更合理的實驗過程，改進和制作物理實驗儀器，結(jié)合科學技術(shù)的發(fā)展，采用更先進的實驗手段。而且電腦模擬有其局限，如聲學實驗，演示噪音、樂音及其波形，除示波器外，我們要用錄音機；學習天體運動，我們用錄像機和電視機，這是電腦模擬不能達到的。有的模擬用投影、幻燈就可簡潔而形象地進行，也不必費時、費力去進行電腦模擬。
　�。ㄈ�）充分發(fā)揮教師的主導作用任何教學手段，都需要教師去安排使用、去組織教學，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)進行電腦模擬，都要由教師決定。而且這種決定要很好地促進學生所學知識的正向遷移。
四、電腦模擬于物理實驗教學所需環(huán)境
　�。ㄒ唬╇娔X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，編制出切實可行的軟件。這是電腦模擬于物理實驗教學的關(guān)鍵。
　�。ǘ�）物理實驗室的構(gòu)成
　　現(xiàn)在很多電腦應(yīng)用于物理教學的嘗試在計算機房進行，而計算機房與物理實驗室的設(shè)置是完全不同的。所以要建立新概念的物理實驗室，即物理實驗室除常規(guī)的設(shè)置外，要配備計算機主機和2—4個大屏幕終端顯示器。這是電腦模擬在物理實驗教學中發(fā)揮其不可替代作用的重要保證。

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