電腦模擬與物理實驗教學

電腦模擬與物理實驗教學

電腦模擬與物理實驗教學

　　現代教育技術的發展，使教師組織教學活動的手段更豐富、方法更靈活、效率更高。現代教育技術中，電腦輔助教育系統，由于代表最先進的現代教育手段，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的行為特征，在物理教學中，可以用來模擬實驗環境，以此代替或加強傳統的實驗手段。
　　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容具體化，又可從具體現象抽象出其本質特征；可將動態變成靜態，利于觀察，又可將靜態變成動態，利于理解。電腦模擬還可將輸給它的信息經過邏輯推理運算，輸出結果，判定輸入輸出的關系，從而在輸入信息與輸出結果之間建立某種聯系。
　　物理學是一門以觀察和實驗為基礎的科學，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象、進行物理實驗作為思維的基礎。電腦模擬恰好成為常規教學中難以觀察的物理現象、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，因而具有廣闊的發展前景。
二、電腦模擬在物理教學中的應用電腦模擬分為兩種情況：
　�。ㄒ唬╇娔X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，得到一系列輸出數據，然后通過考察輸入輸出的關系，弄清該模型所反映出的規律或特點。
　　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到光電數字計時器，我們再將數據輸入到電腦中（程序清單略），電腦進行一系列加速度的計算，并將加速度與產生加速度的力進行比較，將加速度與滑塊質量進行比較，得到加速度與力、加速度與質量的關系，建立牛頓第二定律。學生觀察實驗過程和實驗現象，接受電腦行為模擬的結果，免去繁瑣的手計算過程，即節省了時間，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示器，將電腦處理結果清晰地呈現給學生，發揮電腦的優點。下述各電腦應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值，然后讀出圖（二）彈簧秤上兩個分力的數值，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，將這些數據輸入到電腦中（程序清單略），由電腦進行高分辨作圖。
　　　　　　　　　　　　　　
　　由不同組實驗數據，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，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，絕大多數結果都很準確，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果。電腦作圖，節省了時間，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，實驗設計也較科學，這就要求準確操作，準確讀取數據，以得到正確的結果。
　　像斜拋運動，單擺的振動規律，光的折射定律等都可以將實驗與電腦行為模擬結合真情行為進行教學。
　　（二）電腦模型化模擬
　　所謂模型化模擬，是由電腦根據程序中的模型輸出一組表示系統行為的數據或圖象，讓學生通過觀察和分析這些數據或圖象，找出它們之間的關系，建立系統的模擬。
　　　　　　　　　　　　　　　　
　　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，但看不出規律，學生產生困惑，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據總結出來的，我們利用電腦的模型化模擬，呈現給學生生動的圖象，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：物理學的發展，大到宇宙天體，小到基本粒子。而如此宏觀與微觀在常規物理實驗教學中都難以再現，學生則難以建立起相應的物理表象。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、衛星發射原理的模擬、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，如觀察沸騰現象的實驗；有的物理實驗現象展現時間很短，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，控制實驗現象展示的時間。
　　3．實驗動、靜結合的模擬：靜電感應現象、導線中電子由無規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模擬，并用鍵控程序將動態過程定格──展示物理過程的節點。
　　4．實現抽象與具體相互轉化的模擬：將抽象的物理過程經過電腦模擬而具體化，如磁化過程的模擬、電磁振蕩現象的模擬、電磁波傳播過程的模擬演示等。將具體的物理過程，去掉非本質的表象，直接將物理問題的本質抽象出來，如楞次定律教學實驗，直接模擬外磁場、感應磁場、感應電流，研究它們的關系。
三、電腦出擬與物理實驗教學的有機結合
　　所謂有機結合，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給學生，再進行電腦模擬，將電腦模擬與物理實驗結合起來。
　　無法進行的實驗，要講清實驗環境、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。在教學實踐中設計更合理的實驗過程，改進和制作物理實驗儀器，結合科學技術的發展，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。
　　（三）充分發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、哪些環節進行電腦模擬，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鍵。
　�。ǘ�）物理實驗室的構成
　　現在很多電腦應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的設置外，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揮其不可替代作用的重要保證。

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