1、計算機在物理實驗中的應用 前言：物理實驗在物理教學中具有舉足輕重的作用，但受實驗條件、實驗設備、實驗本身的限制，有的實驗在常規條件下無法進行實驗或是實驗效果不理想，給物理教學帶來很大困難。有效應用計算機進行物理仿真實驗能克服常規實驗的不足，起到事半功倍的效果。從計算機仿真物理實驗現象、計算機仿真物理實驗過程、計算機仿真物理實驗規律和計算機仿真物理實驗環境四個方面考慮物理教學中電腦仿真實驗的應用。并以改革教學模式、提高教學效果為出發點，對計算機在大學物理實驗教學中的應用層面作了詳細地描述。關鍵詞：計算機仿真；物理實驗；一、課題研究的背景我國目前物理實驗教學存在很大的差距，學生實驗數量太少，為學生

2、創造的真實情境不足，這從我國與其他國家初、高中物理教材在學生實驗的數量方面的比較可以看出。探究性實驗太少，物理實驗教學質量不高。要使物理實驗教學為培養具有創造力的人才服務，就必須加大實驗力度，提高實驗教學的質量，把探究性實驗作為創造物理情境、探究物理問題的主要手段。而計算機輔助實驗既可以準確快速完成演示實驗，成功的導入新課，優化了教學過程，增強了學生學習興趣，激發了學生的學習欲望，又可以在分組實驗和探究性試驗中培養學生的動手能力，了解現代技術如何應用于研究。為學生適應現代化的要求打下了基礎。并且用計算機輔助實驗可以完成一些常規儀器難以完成的實驗，而且節約了時間，提高了精度。二、計算機在物理實驗

3、中應用的意義物理實驗是物理教學的重要內容、方法和手段，在培養學生科學素養中具有獨特的地位 和全方位的功能。在普通物理實驗教學中，由于受到實驗儀器、實驗條件、實驗本身的限制，很多實驗無法收到良好的教學效果。計算機的普遍應用已經成為人們生活、工作中不可或缺的得力助手，如何將計算機的應用引人到物理實驗課堂教學中來，成為一種新型的教學手段，也正是物理實驗教育改革的重要課題之一。在物理實驗教學中，對于一些實驗現象不明顯、實驗過程不可見、實驗規律不易被觀察、實驗難度高的實驗，利用電腦進行仿真實驗可幫助學生形成對實驗原理、實驗現象、實驗結論、儀器結構、調試技術等的整體認識，做起實驗就會胸有成竹，進行起來很輕

4、松，這樣就大大提高了實驗教學的質量和效率。如果利用計算機模擬輔助物理實驗，將起到直觀形象、重復再現、大小、遠近、時空、動靜、快慢都可調節等作用。如水波的干涉實驗，振動加強與振動減弱區域對初學者來說不易確定，若采用動畫模擬輔助實驗，放慢振動頻率，干涉現象將一目了然；同樣在簡諧運動中，觀察彈簧振子的振動實驗，學生很難同時觀察到回復力、加速度、速度和位移四個物理量在運動過程的變化，這是教學的難點，而采用課件模擬，放慢振動頻率或者使其暫停，分析四個矢量大小方向的變化，不但直觀形象，同時避免了教師用大量口舌進行描述。三、計算機在物理實驗中應用實驗教學的現狀與物理教學的性質、教育改革形勢的要求和做為基礎教

5、育重要環節的地位很不相稱。中學物理教學改革中，當前最突出的問題是實驗教學薄弱，而眾所周知物理學是一門以實驗為基礎的科學，物理學的實驗基礎、理論體系和研究方法，是現代科學和技術的基礎，它們在學生智能結構的發展中將占有越來越重要的地位。縱觀目前國內外教學的動態，也能給我們一些啟示。在一些發達國家，實驗在中學物理教學中已明顯得到重視和加強。例如：根據牛津大學教育學院七十年代一份研究資料介紹，歐洲國家中學最后二年（預科班）的學生物理實驗所占的比例較大，如英國約占整個教學時間的25%50%，在中學低年級可占每堂課教學時間的70%80%。又如西德國民教育初中課程共安排了343個實驗，其中有295個由學生自

6、己完成，由此可見，在指導思想上，中學物理教學堅持以實驗為基礎，在實驗教學要求上，增大學生的實驗比例，著重實驗能力的訓練；在教學形式上，更多地趨于采用邊教邊實驗的方法。但在考慮邊教邊實驗等教學形式時，也應該考慮到：21世紀是一個信息時代，在我們工作、學習和日常生活中需要獲取和處理的信息越來越多，這對于在學校里正處于學習階段的學生來說，如何利用計算機技術來處理大量有用信息，從而更高效地利用這些資源，必將成為學生必需的能力之一。在教學中必須采用現代教育技術手段，使我們推進素質教育不可或缺的手段和方法之一。因此要做好計算機輔助實驗與中學課程的整合是必要的，是有利于促進教學改革的。四、課題研究的內容首先

7、我們先從計算機仿真物理實驗現象、仿真物理實驗過程、仿真物理實驗規律和仿真物理實驗環境四個方面來討論電腦仿真物理實驗在物理教學中的應用。1、計算機仿真實驗1.1、利用計算機仿真物理實驗現象在物理教學中，有很多物理實驗現象是難以用肉眼看清或看到的，有的即使借助先進的儀器設備也很難看到，有些物理現象出現的時間極短，學生還沒來得及看清，該過程就已經結束，學生難以理解其中的本質，給教學帶來困難。用計算機仿真物理實驗現象，可以把一個原本無法看到或看清的現象，形象逼真地呈現在學生面前。如，天體運行、原子核裂變，把長時間的過程進行縮短，把瞬間變化用慢動作拉長，把微小的放大，把巨大的縮小，如果再加以智能化的語音

8、提示就能使物理實驗現象清楚、過程明顯，起到形象、直觀的效果。準確仿真物理實驗現象能彌補有些物理實驗不易觀察的缺陷，幫助學生理解有關概念，從而極大地提高學生學習效率。如演示平拋運動，傳統實驗由于A、B兩球下落很快，兩球落地點又相隔一段距離，學生不易看清，而且也不易聽清A、B兩球落地后的彈跳次數。若讓學生觀看閃光照片，又由于教科書上所印的閃光照片不是十分清晰，效果也不理想。此時，我們就可以使用數碼相機把其運動全過程拍攝下來，然后進行計算機仿真制作，只要學生按鍵調出編制好的仿真實驗，就可在計算機屏幕上顯示出自由落體運動和平拋運動的小球軌跡，通過慢動作回放，將瞬間的過程進行有限延長，就可非常清楚地看出

9、：它們在豎直方向下落的快慢是相同的，并同時到達地面；屏幕上也顯示出平拋運動在相等時間內水平方向上的位移都相等。同時，還可以利用它某一時刻的靜止畫面來解釋它下落時的特點。計算機仿真形象直觀地顯現了實驗現象，增強了學生對平拋運動的理解，提高了教學效果。1.2、利用計算機仿真物理實驗過程在物理教學中，有些物理實驗在教學中根本無法操作，學生只能從理論上了解針對這種情況，可用計算機仿真進行動態演示。如在講核裂變時，可把中子和鈾核用不同顏色進行區別，然后動畫演示中子撞擊鈾核的過程，伴隨著一聲巨響，核裂變完成。學生受到激烈碰撞的震撼，自然記憶深刻，從而使枯燥的物理理論講解得以升華，激發了學生的學習動機。在有

10、些物理實驗中，很多東西實際存在但卻無法看到，如電場、磁場，物理量有變化但無法覺察，如磁通量、電場強度、磁感應強度等。要彌補這些缺陷，可以利用計算機仿真技術清楚地展現物理實驗中看不到的電場、磁場以及各種物理量的動態變化。例如，在“電磁感應”這節課中，利用計算機仿真再現實驗過程，把實驗中本來看不到的磁感線分布及其變化規律展示在計算機屏幕上，利用多媒體技術的特長，將穿過閉合電路的磁感線用一種顏色顯示，不穿過閉合電路的磁感線用另一種顏色顯示，動畫中線圈(或導線)移動時，可以清楚地看到穿過閉合電路的磁感線條數發生了變化，從而幫助學生得出正確結論。在計算機仿真實驗室，學生還可以自己移動鼠標來控制實驗過程，

11、增強了教學的直觀性。這樣既可以在實驗中讓學生動手動腦，鍛煉和培養學生的創新能力，又可充分利用現代技術手段把抽象的東西變成直觀的畫面，幫助學生克服學習中的難點，提高了課堂教學效果。1.3、利用計算機仿真物理實驗規律在物理實驗中，有些實驗現象基本清晰，但對于實驗過程所反映的物理規律比較抽象，學生理解困難，此時，可在做好實驗的基礎上，應用計算機進行仿真實驗，從而為學生搭建由形象思維邁向抽象思維的“橋梁”，使學習者更深刻地理解客觀物理規律及其應用。如做透鏡成像規律實驗時，采用計算機仿真演示焦距、物距、像距和像的變化情況，就能把幾何光學有關透鏡成像的問題準確、動態、直觀地展現在學生面前。還可將凸透鏡變為

12、凹透鏡，讓學生觀察實驗，并讓他們參與提出問題、實驗觀察和分析總結的全過程，使整個仿真實驗過程流暢直觀，從而取得良好的教學效果。1.4、利用計算機仿真物理實驗環境物理學的發展，大到宇宙天體，小到基本粒子，如此宏觀與微觀在常規物理實驗教學中難以再現，學生更難以建立起相應的物理表象。如布朗運動是形成分子熱運動概念的基礎實驗，它表明分子無規則運動的特點，是具有典型意義的科學實驗之一。如果借助計算機進行仿真實驗就會清晰顯現該實驗效果。仿真實驗時，采用顯微鏡將懸浮于液體的布朗顆粒的運動情況用數字投影儀投影于大屏幕上，學生通過大屏幕觀察分析大量分子對大顆粒和小顆粒的碰撞、運動及其結果，并用自己掌握的信息技術

13、手段將此過程及運動軌跡描繪出來。如此仿真物理實驗環境，引導學生進行探究、嘗試，改變了過去空洞描述的缺陷，促進了教學的互動，調動了學生的學習積極性。同時，還可以將這一抽象的概念清晰、直觀、具體地印入學生的腦海。在當前眾多的教學改革方案中，主要的指導思想就是利用現代信息技術加強課程建設，提升教學效果，培養學生能力。計算機作為信息時代的主要代表，其日趨成熟的技術與日益廣泛的應用，為物理實驗教學改革提供了一條可行的思路。在物理實驗教學過程中使用計算機，充分發揮其生動形象和實時反饋的特點，既可以實現教學資源的優化和提高教學效率，適應教學現代化的需要，又能激發學生的學習興趣，提高學生的實驗技能，在多方面培

14、養學生的科學素質，滿足素質教育的要求。來分析下計算機在實驗教學過程中應用的幾個層面。2、計算機在實驗教學過程中應用的幾個層面。2.1、課堂演示層面在實驗的課堂教學過程中，通過計算機播放多媒體課件，模擬實驗儀器的使用、實驗現象的發生，可以充分創造出一個有聲有色、形象逼真的教學環境，使學生似乎身臨相應的宏觀或微觀世界中，既能輔助教師形象、準確地完成實驗教學，又能大大增強學生的感性認識，并激發起對物理實驗的學習興趣。2.2、 儀器控制層面由于在實驗過程中，許多參數必須做到相應的變化或精確度要求較高，使得物理實驗尤其是近代物理實驗中的很多精密儀器，都必須通過控制總線與計算機通訊，由計算機進行實時控制操

15、作。這樣可以大大減小數據的離散性，增強內容的可重復性，改善實驗效果，提高實驗效率。而學生可以通過提前編制的程序積極干預實驗進程，或根據具體任務對計算機發出相應的操作命令。通過使用這種近代的實驗方法，可以使學生以后在獨立研究中，能夠充分采用新的實驗技術，提升實驗水平。2.3、 數據處理層面數據處理是物理實驗中的重要部分，數據處理的好環將直接影響到實驗的結果與結論。學生在處理數據的過程中，可以養成科學、嚴謹的學習態度。但是，如果每個實驗都要進行大量的繁瑣的數據處理，會使學生喪失學習興趣產生厭煩情緒，嚴重的甚至會抵制物理實驗。由于計算機具有很強的數學與邏輯運算能力，可以很精確地求出測量結果的最大值、

16、最小值，計算周期性信號的頻率，求出微分與積分等。從而得到精確的結果，而且速度比普通方法要快的多。當然，用計算機進行數據處理的前提是：學生必須全面準確地掌握了相關的數據處理方法。四、課題研究的方法本課題的研究主要以實驗法和經驗篩選法為主，輔之問卷調查法、觀察法、理論研究法。 1、文獻法：以新課程理念為指導，廣泛吸納國內外教育理論和實踐成果，結合本地區、本校的實際在校本課程中開展課題研究，在確定課題、分析研究成果、撰寫實驗報告時使用此方法。2、實驗法與觀察法：在課題研究的起始階段、實施過程中，隨意地抽取對沒有實施本課題方法的教學過程、連續的考察、獲得事實材料，以取得對物理教學的特點深入了解和認識。

17、然后有目的，有計劃對實施本課題方法的教學過程進行系統的記錄、分析；并通過觀察比較兩種方式的優缺點。3、經驗篩選法：（1）總結先進的教學經驗，系統整理經驗。（2）對經驗加以分析、并制定篩選計劃。（3）按照計劃，對一些班級組織實施授課。（4）組織資深物理老師對實施過程進行主客觀評價。（5）總結、優化經驗，并重復計劃和實驗實施。4、行動研究法：在課題實施過程中圍繞課題研究目標，開展多層次、多渠道、全方位的研究，邊實踐、邊總結，不斷探索出經驗和規律的東西。5、經驗總結法：在課題研究的過程中，認真做好各類資料的收集、整理和實施情況的紀錄，及時總結各階段的成果。 6、問卷調查法五、研究成果六、結果分析與討論七、結論總之，在物理實驗教學過程中，利用計算機反震實驗來進行知識點的再現和落實，可以簡化物理研究、強化實驗條件、加速或延緩物理過程、直觀生動地展現細節變化、科學準確