1、目錄ABSTRACT3第一章 緒論41.1信息時代的中學物理教學41.2計算機輔助中學物理教學的發展51.3計算機輔助中學物理教學的目的和意義5第二章 計算機輔助中學物理教學的特點及優勢72.1計算機輔助中學物理教學的特點72.2計算機輔助中學物理教學的優勢9第三章 計算機輔助中學物理教學的實例123.1處理實驗數據并繪制圖線123.2運動過程中的動態模擬143.3微觀現象的動態模擬24第四章 結束語29參考文獻30致謝31中文摘要計算機輔助中學物理教學是在中學物理教學過程中，運用計算機這種現代高科技手段作為主要教學媒介所進行的教學活動。它在調動學生學習的積極性、主動性、創造性，提高課堂教學效

2、率等方面都有著傳統教學手段無法比擬的優勢，可推進了中學物理教學的改革、是實施素質教育的有效途徑。本文首先對信息時代的計算機輔助中學物理教學的發展情況以及目的和意義進行了論述。接著，詳細闡述了計算機輔助中學物理教學特點及優勢。最后，就計算機輔助在中學物理教學中的應用，詳細列舉了計算機輔助中學物理教學的實例，同時，說明了計算機輔助中學物理教學在信息時代的重要作用。關鍵詞: 計算機輔助教學 中學物理 布朗運動 MatlabABSTRACT Computer-aided school physics teaching in high school physics teaching process, t

3、he use of modern high-tech means of a computer such as the main medium of instruction in teaching activities carried out. It mobilize students enthusiasm, initiative and creativity, improve teaching efficiency and other aspects of traditional teaching methods has incomparable advantages, can promote

4、 the reform school physics teaching is an effective way to implement quality education. School physics teaching, as a basis for natural science teaching, to comprehensively improve the quality of students, especially students to explore the ability of the natural sciences, namely, questions, problem

5、s and problem-solving abilities discovery has very important significance. Therefore, the full application in the teaching process model of computer technology, the reform of teaching, teaching methods and means of training personnel is particularly important in the 21st century.Key words:Computer A

6、ided Instruction Middle school physics Brownian motion第一章 緒論1.1信息時代的中學物理教學近年來，隨著計算機多媒體技術和網絡通信技術的迅速發展，人類己進入了充滿活力、富于創造的信息時代。隨著教育現代化工程的啟動，計算機正逐步走進物理課堂教學中。勿庸置疑，這種現代化教學手段的使用增強了物理課堂教學的趣味性、直觀性，增大了課堂容量，充分調動了學生的學習積極性，在許多方面是傳統的教學模式所無法比擬的。有關計算機輔助教學的應用與研究也也越來越深入。中學物理教學作為自然科學教學的基礎，對全面提高學生的素質，特別是培養學生探索自然科學的能力，即提出

7、問題、發現問題和解決問題的能力，具有非常重要的意義。因此，在教學過程中充分應用計算機技術，改革教學的模式，優化教學方法和手段，對培養21 世紀人才尤為重要。1.2計算機輔助中學物理教學的發展我國計算機輔助教育工作起步較晚。20世紀80年代初期，一些高等學校在 APPLE等微型機上開發了計算機輔助語言教學系統和各類科目的輔助教學軟件包。后來，隨著 IBM 微型機及其兼容機的普及，人們又在其上開發了一些教學軟件。1985 年召開了第一次計算機輔助教育學術交流會，1986 年，原國家教育委員會基礎教育司成立了“全國中小學計算機實驗研究中心”。高等教育司在 1993 年和 1994 年分別組織高等工科

8、院校和理科院校成立了 CAI 協作組，組織和指導高等學校 CBE 的應用和研究工作1。21世紀伊始，在教育部的統一指導下，面向全國幾千所種類高等院校，大力宣傳國家關于教育信息的方針政策，開展教師的教育技術培訓。與此同時，計算機網絡在學校的教育中發揮了作用。1.3計算機輔助中學物理教學的目的和意義利用計算機輔助物理教學，可以突破難點，突出重點，啟發想象力，吸引學生注意力，創設情境，激發學生學習興趣，加深印象，促進記憶，增加教學密度，豐富教學內容，擴大知識面，更好地提高教學效果。中學生的思維活躍，精力充沛，他們的情感和興趣容易隨外界環境的變化而變化。心理學研究表明：中學生好奇心很強，興趣廣泛，情感

9、豐富，對新鮮事物異常敏感。從認知規律上分析：中學生抽象邏輯思維能力日益增強，但具體形象思維仍然占有重要的地位。在物理教學過程中要通過形象思維促進抽象思維的發展，培養學生在時間、空間和微觀動態上的想象力。物理學上很多知識比較抽象，計算機輔助教學能給學生形象、直觀的動態圖像、視頻等信息有利于學生思維能力的提高。計算機輔助教學能激發學習物理興趣，這在物理教學中尤其突出。例如:物理課中發電機電動機的工作原理、帶電粒子在電場中的運動、原子的核式結構模型等，這些知識點的共同特征是比較抽象，學生不易理解，難以建構知識結構，但是運用計算機輔助課件可以化靜為動，化不可見為可見，化抽象為直觀，以直觀的形象觸發學生

10、的聯想與想象，從而達到對教學內容深層理解，激發學生學習興趣，從而提高教學的質量。計算機輔助教學能夠實現從微觀向宏觀轉移。由于條件限制，物理教學中有些物理的實驗在課堂教學中無法演示，學生只能從理論上認識了解。我們可以應用多媒體的三維動畫的進行動態的模擬演示。利用計算機多媒體強大的動畫功能可以解決許多用常規手段難以表達或可見度低的實驗，如有關波的實驗(波的獨立性、波的干涉和衍射等)、透鏡成像(成像原理、演示物體靠近或遠離透鏡時，像的動態變化等)；也可以通過計算機放大微觀世界，采用“放慢鏡頭”模擬外部環境變化等手法來演示分子運動理論、物體與物體的相互作用(如碰撞過程、物體微小形變)、氣體狀態變化等一

11、些實驗。這些畫面清晰、直觀并且可以瞬間定格、重復播放，既減少了教師的勞動強度又使學生理解快、記憶扎實。第二章 計算機輔助中學物理教學的特點及優勢2.1計算機輔助中學物理教學的特點我們知道物理學是一門比較抽象又是以實驗為基礎的自然學科。許多神奇而又奇妙的物理現象用實驗常規方法難以實現，使學生不能獲得感性理解，于是難以產生豐富的聯想，難以完成從實驗現象到物理規律的抽象。計算機輔助教學為解決這一問題提供了一種有效手段，計算機技術不但能再現或模擬各類物理現象，而且還能通過各種手段使復雜的問題簡化，將漫長或瞬間的物理演變過程成為可控、有序的演化過程，使學生在課堂上完整、清晰、形象地感知物理現象及其變化，

12、給學生提供思維過程中必須的感性材料，幫助學生充分理解教材，大大激發學生的學習興趣，很好地促進了學生認識能力的發展2。另外，在信息時代運用計算機輔助教學已經成為中學物理教師必須進行學習和研究的重要課題。特別地，在中學物理教學中使用 MATLAB軟件進行模擬仿真，數值計算、繪制物理規律圖線和實驗數據處理等都有其獨特優勢，并且簡單易學，通過模擬仿真及繪制圖線將復雜、抽象的物理過程，直觀地展現給學生，提高學生的認知和理解能力，提高課堂效率。這讓計算機輔助中學物理教學具有以下幾個突出的特點：（1） 計算機模擬物理現象這里強調的物理過程模擬，不是示意性的簡單動畫，它演示的物理過程接近于真實。如，電流是電荷

13、的定向移動，這種移動是疊加在電子無規則運動基礎上的定向移動；還有電容器充電、放電的過程；兩球碰撞時先壓縮、后恢復過程中兩球速度、加速度的變化；核裂變的過程等。（2） 繪制物理圖象例如：高中物理光的干涉一節中，介紹了著名的楊氏雙縫干涉實驗，并給出了產生雙縫干涉圖象示意圖。用計算機的高分辨繪圖功能，可以繪制出雙縫干涉示意圖。通過高分辨圖象的交替顯示，又可賦予畫面以動態感，這樣可以收到很好的教學效果。（3）計算機解物理題計算是計算機最基本的功能，任何物理計算題均可用它求解。計算題越復雜，重復計算越多，越能體現計算機解題的優越性。（4） 計算機輔助物理操練計算機輔助物理操練，其教學目的不是向學生傳授知

14、識，而是讓學生通過大量的習題，達到鞏固已學知識和形成技能的目的。例如高中物理自測題庫，它包括四套難易類同的題目，學生可隨即產生一套自測題，供學生自我測試用，具有計時間、計成績、累加總分、答案判斷、正誤信息反饋等功能。(5) 計算機處理實驗數據做物理實驗，經常會得到若干數據，處理這些數據往往需要花費很多時間。若利用計算機處理實驗數據，不僅迅速，而且準確，還能自動繪制圖表，比人工處理方便得多。 2.2計算機輔助中學物理教學的優勢 從計算機輔助教學來看，計算機輔助中學物理教學有以下優勢:（1） 抽象內容形象化，激發了學習興趣。物理學是研究物質運動和變化的科學，在某些方面，用傳統的教學手段不易表現物理

15、學中“動”和“變”的特點。在物理教學中有很多難理解、抽象的概念，如力學中的動量和沖量的概念，電磁學中的電場、磁場概念，光學中干涉、衍射等，單憑語言是不易講清楚的。還有一些實驗室無法做的實驗，如粒子散射實驗，教師只能用語言講述。粒子射擊金箔的過程，學生無法看到粒子的運動情景，這樣就影響了教學效果。若采用計算機輔助教學，就可以用程序在屏幕上模擬粒子散射實驗的過程，就會使很多傳統教學無法表現的現象更生動、更形象地得以實現，提高了教學效果，促進了學生學習的積極性。眾所周知，計算機的一個顯著特點，除了它的高速運算功能外，還具有圖形功能，利用計算機的圖形功能，能夠較好地把抽象的教學內容通過圖形形象地描繪出

16、來，擴大信息傳輸的通頻帶。對于復雜的結構描述以及對于很強的動態性和微觀性的描述，利用計算機都可以做到形象化。如可以用計算機顯示波動的產生和干涉過程，用計算機來演示布朗運動和電子衍射實驗等，都能獲得令人滿意的效果。（2）實現啟發式教學，調動學習積極性。中學物理教學過程與其他學科的教學過程有所不同，其突出的特點之一是:教學過程不單純以“承受知識”的活動為主，而且要輔之以“探索知識”的活動，不但要發展一般運用知識的能力，還要發展高層次的能力創造力。在物理教學過程中，減少學生對教師的依賴，按教學階段逐步發展學生的獨立思考、獨立活動能力，這是學生進行探索性認識活動的客觀要求。但在以往的傳統教學中，往往以

17、教師為中心，學生的探索性認識活動難以開展。在計算機輔助教學中，可利用計算機來向學生提出問題、分析問題，從而解決問題，引導學生遵循教學思路掌握所學內容，通過屏幕顯示，逐步引導。此外，常規的教學是集體進行的。由于學生智能程度不同，經驗各異，在新的學習中顯示出不同的學習結果，教師應該分別對待，但傳統的教學往往很難做到點面結合。計算機輔助教學可適應不同對象、不同階段的要求，注意選擇所要學習的內容，學生學習時可重復選擇多次，直至完全掌握，這樣就不受課程教學的束縛，充分發揮了學生學習的主動性和積極性，真正可做到因材施教。(3) 學與練融為一體，提高教學效率3。采用人機對話方式，學生與計算機之間有頻繁的直接

18、通訊活動。計算機經常向學習者提出問題，學生回答后能立即得到檢驗，使學生處于比較緊張的環境中，必須集中注意力才行，這樣大大提高了學習效率。人機對話的交互式活動還為學生提供了自行控制學習速度的機會，一般來說，僅當學生作出一定的反應后，計算機才會引導他進入下一學習步驟，因此交互式活動使學生獲得自行調節、反復操練的機制。人機對話的交互式活動還意味著計算機對學生的反應提供評價的及時反饋，檢查學生對所學內容掌握的程度，立即給出評分結果，從而激發學生積極向上、奮發進取的精神，促使他們努力學習，直到完全掌握，及時鞏固所學內容，實現了自覺反饋。(4) 減輕教師負擔，避免重復性勞動。對物理課程中的某些內容，可由物

19、理教師、教育學者、計算機專業人員等共同編寫計算機輔助教學教材，利用計算機輔助教學。一個良好的計算機輔助教學教材，可以提供多數的教師使用，因而可節省很多教學的勞力和時間，使教師有時間去從事教學研究活動。對于有危險性或實驗有困難的教材，計算機輔助教學更表現出其獨特的優點。值得指出的是，盡管計算機輔助教學有其顯著優勢，但它的輔助教學的地位和使用過程中不可避免的存在弊端, 我們要能更好地使用計算機輔助物理教學充分發揮其積極作用，才能發揮其教學的最佳功效。第3章 計算機輔助中學物理教學的實例在計算機輔助物理教學中將MATLAB軟件應用于物理教學中，能使教學內容更加形象直觀，更能夠提高學生的學習興趣，更用

20、助于培養學生的創新能力。3.1處理實驗數據并繪制圖線物理實驗數據得出后常常要經過相應的處理才能得出相關的結論,實驗數據處理方法有很多種，在處理實驗數據時可根據需要選擇合適的一種方法表示實驗的最后結果，但是手工作圖和數據處理存在很大的誤差,因此要想得到較好的實驗數據和數據圖,經常需要使用計算機來輔助完成。例如：利用伏安法測電源電動勢E和內阻r的實驗中，通過多次改變滑動變阻器阻值大小，記錄對應電壓表示數U和電流示數I，如表3-1所示:U/V1.451.331.211.090.970.85I/A 0.020.100.180.260.340.42U/V0.730.610.490.370.250.13I

21、/A 0.500.580.660.740.820.90 表3-1 電壓和電流數據記錄表 根據U=一Ir+E關系式，可知U一I圖象滿足線性關系，對表1中的數據利用一階多項式擬合，程序如下: clf;clear all;i=0.02 0.10 0.18 0.26 0.34 0.42 0.50 0.58 0.66 0.74 0.82 0.90;u=1.45 1.33 1.21 1.09 0.97 0.85 0.93 0.61 0.49 0.37 0.25 0.13;plot(i,u,.)hold onp=polyfit(i,u,1)i1=0.02:0.02:0.90;u1=polyval(p,i1)

22、;plot(i1,u1)grid ontitle(電壓U與電流I的關系曲線,FontSize,16)xlabel(itI/A,FontSize,25)ylabel(itU/V,FontSize,25)legend(實驗數據,擬合線)p = -1.4913 1.4926 圖3-1 電壓U與電流I的關系曲線Fig.3.1 Relationship curve of voltage an 由上述可知，U一I關系式為:U=-1.4913I+ 1.4926,則電源電動勢1.4926 V，電源內阻1. 4913 。通過MATLAB繪圖可以簡單、清晰、直觀、準確的對中學物理實驗數據進行處理并進行直線擬合，使

23、得實驗數據準確和直觀化，加深了學生對實驗的理解。同時，還能讓學生對個別實驗數據的正誤有了很直觀的判斷，提高了學生對科學的興趣，加強了他們的動手能力.3.2運動過程中的動態模擬物理學中物體運動模型是非常抽象的，也是非常的重要，對解決實際問題有很大的幫助，使用MATLAB語言可以非常容易地演示這些模型，使其具體化。運用MATLAB對物體運動情況進行實時模擬演示直觀、明了、真切 ，使學生容易理解，記憶深刻，大大地提高了學習效率。例如Matlab在平拋運動和斜拋運動中的動態模擬。物理上所提到的平拋運動和斜拋運動都是一種理想化的模型，把物體看成質點，拋出后只考慮重力作用，不考慮空氣阻力。平拋運動是物體僅

24、受重力作用以一定的初速度沿水平方向拋出的運動。平拋運動可看作水平方向的勻速直線運動以及豎直方向的自由落體運動的合運動。（1） 平拋運動： 水平方向位移 （3.1） 豎直方向位移 （3.2）合位移 （3.3）位移方向與水平夾角： （3.4）運用以上公式，我們可以求得物體在任意時刻的坐標并找到物體所在位置，用平滑曲線把這些點連起來，就得到平拋運動的軌跡和以不同初速度拋出時水平和豎直方向位移的關系曲線。運用MATLAB 編程得到物體運動的曲線和以不同初速度拋出時水平和豎直方向位移的關系曲線的程序分別如下：%物體平拋運動軌跡 clf;clear all;xsd=100;t=0:0.01:10;x=xs

25、d*t;y=-(9.8*t.2)/2;plot(t,y,.)grid ontitle(物體平拋運動軌跡,FontSize,16)xlabel(itt/s,FontSize,25)ylabel(ity/m,FontSize,25) %水平位移與豎直位移關系曲線 clf;clear all;t=0:0.25:10;v0=10:5:25;y=-(9.8*t.2)/2;x1=v0(1)*t;x2=v0(2)*t;x3=v0(3)*t;x4=v0(4)*t;plot(x1,y,-,x2,y,o-,x3,y,s-,x4,y,kp-,LineWidth,1.6)h=legend(v0=10,v0=15,v0

26、=20,v0=25)set(h,FontSize,18) %放大圖例grid ontitle(水平位移與豎直位移關系曲線,FontSize,20)xlabel(水平位移x/m,FontSize,20)ylabel(豎直位移y/m,FontSize,20) 運行結果如圖3-2、圖3-3所示。圖3-2 物體平拋軌跡曲線Fig.3.2 Objects thrown fl 圖3-3 水平位移與豎直位移關系曲線 Fig.3.3 Horizontal displacement and vertical displacement curve斜拋運動是物體以一定的初速度斜向射出去，在空氣阻力可以忽略的情況下物

27、體所做的運動。 斜拋運動正交分解為沿水平方向的勻速直線運動和沿豎直方向的豎直上拋運動。物體拋出方向與X軸正方向之間的夾角稱為拋射角，用表示。小球能達到的最大高度叫做射高，數學分析如下：（2）斜拋運動：水平方向速度 （3.5）豎直方向速度 （3.6）水平方向位移 （3.7）豎直方向位移 （3.8） 拋射能達到的最大高度 （3.9）其到達最大高度所需時間為 （3.10）空中飛行時間為 （3.11）拋射體的最大射程為 （3.12）從分析中可知在初速度不變的情況下，隨著拋射角的增大，拋射最大高度和射程也隨著增大，當時，射程達到最大值，以后隨著拋射角的增大，射程減小。利用MATLAB的繪圖功能，可以更直

28、觀的體現上述結論，其程序如下： % 圖3-4斜拋運動軌跡 clf;clear all;v0=30; % 初速度g=9.8; theta=75:-15:15*pi/180; % 75度 60度 45度 30度 15度 共5個角度x=linspace(0,100,30); % 水平坐標向量y1=x.*tan(theta(1)-1/2*g*x.2./(v0*cos(theta(1).2; %高度位置矩陣y2=x.*tan(theta(2)-1/2*g*x.2./(v0*cos(theta(2).2; %高度位置矩陣y3=x.*tan(theta(3)-1/2*g*x.2./(v0*cos(theta

29、(3).2; %高度位置矩陣y4=x.*tan(theta(4)-1/2*g*x.2./(v0*cos(theta(4).2; %高度位置矩陣y5=x.*tan(theta(5)-1/2*g*x.2./(v0*cos(theta(5).2; %高度位置矩陣plot(x,y1,-,x,y2,o-,x,y3,s-,x,y4,kp-,x,y5,bd-,LineWidth,1.6)h=legend(fontnameTimes New Romanalpha=75,fontnameTimes New Romanalpha=60,. fontnameTimes New Romanalpha=45,fontn

30、ameTimes New Romanalpha=30,fontnameTimes New Romanalpha=15);set(h,FontSize,18) %放大圖例grid ontitle(斜拋軌跡,FontSize,20)xlabel(水平距離x/m,FontSize,20) %顯示x坐標ylabel(高度y/m,FontSize,20) %顯示y坐標axis(0 100 0 50) %曲線范圍set(gca,xtick,0:20:100,ytick,0:10:50,fontname,Times New Roman,FontSize,18) % 圖3-5拋體最大高度隨角度變化曲線 a=l

31、inspace(0,pi/2); % 角度alpha=180*a/pi; % 裝換成弧度g=9.8;v0=30;vy=v0*sin(a);y=(vy.2)/2/g;plot(alpha,y,LineWidth,2)title(拋體最大高度變化曲線,FontSize,16)xlabel(fontnameTimes New Romanalpha/(),FontSize,20)ylabel(itfontnameTimes New Romany_m_a_x/m,FontSize,20)set(gca,xtick,0:15:90,ytick,0:10:50,fontname,Times New Roma

32、n,FontSize,15)% 圖3-6拋體最大射程隨角度變化曲線x=linspace(0,pi/2);xx=180*x/pi; % 裝換成弧度g=9.8;v0=30;y=(v0.2*sin(2*x)/g;plot(xx,y,LineWidth,2)title(拋體最大射程,FontSize,16)xlabel(fontnameTimes New Romanalpha/(),FontSize,20)ylabel(itfontnameTimes New Romanx/m,FontSize,20)set(gca,xtick,0:15:90,ytick,0:20:100,fontname,Times

33、 New Roman,FontSize,15)圖3-4 斜拋運動軌跡(初速度v0=30m/s)Fig.3.4 Projectile trajectory (initial velocity v0 = 30m / s)a圖3-5 拋體最大高度隨角度變化曲線 Fig.3.5 Projectile angle curve with a ma 圖3-6拋體的最大射程隨角度變化曲線 Fig.3.6 Projectile angle curve with a maximum range運行結果如圖3-4、圖3-5、圖3-6所示，利用MATLAB的繪圖功能，可以更直觀演示物理運動的過程使問題圖象化，簡單化，

34、讓學生深刻領會其物理規律，提高課堂教學效率。3.3微觀現象的動態模擬中學生的抽象思維能力、空間想象能力都較低，加之目前我國實驗教學條件的限制，因此在分子的熱運動教學中一直存在兩大難題：一是布朗運動的實驗現象不易觀察；二是對表示布朗運動成因的微觀模型學生常常感到難以理解。布朗運動是懸浮微粒永不停息地做無規則運動的現象。例如，在顯微鏡下觀察懸浮在水中的藤黃粉、花粉微粒，或在無風情形觀察空氣中的煙粒、塵埃時都會看到這種運動。溫度越高，運動越激烈。布朗運動是大量分子做無規則運動對懸浮的固體微粒各個方向撞擊作用的不均衡性造成的，所以布朗運動是大量液體分子集體行為的結果。在傳統教學手段（幻燈、掛圖、模型等

35、)的限制下，對于液體分子撞擊固體微粒的運動情景，課堂上教師只能用語言解說或使用靜物演示，無法在學生的頭腦中形成真正的動態物理圖像，這障礙學生對布朗運動成因的理解。針對布朗運動的實驗現象不易觀察和成因內容比較抽象的難題，可通過軟件將布朗運動的真實情景演示出來。利用Matlab軟件繪制相應的圖形，可以清晰直觀的觀察布朗運動分別在一維、二維、三維情況下的隨機現象，其實現程序如下：一維布朗運動：function t,w=br1(t0,tf,h)（m文件函數)t=t0:h:tf;t=t;x=randn(size(t);w(1)=0;for k=1:length(t)-1; w(k+1)=w(k)+x(k

36、);end;w=sqrt(h)*w;w=w(:) t0=0;（窗體）tf=10;h=0.01;t,w=br1(t0,tf,h)plot(t,w);title(布朗運動一維模擬,FontSize,16)xlabel(t);圖3-7 布朗運動一維模擬圖 Fig.3.7 Brownian motion of one-dimensional simulation map二維布朗運動：functionx,y,m,n=br2(x0,xf,y0,yf,h)x=x0:h:xf;y=y0:h:yf;a=randn(size(x);b=randn(size(y);m(1)=0;n(1)=0;for k=1:len

37、gth(x)-1; m(k+1)=m(k)+a(k); n(k+1)=n(k)+b(k);end; x0=0;xf=10;h=0.01;y0=0;yf=10;x,y,m,n=br2(x0,xf,y0,yf,h)plot(m,n)title(布朗運動二維模擬圖,FontSize,16)xlabel(m);ylabel(n)圖3-8 布朗運動二維模擬圖 Fig.3.8 Brownian motion of a two-dimensional simulation map三維布朗運動：function x,y,z,m,n,l=br3(x0,xf,y0,yf,z0,zf,h)x=x0:h:xf;y=y0:h:yf;z=z0:h:z