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(guī)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(guī)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(xiàn)象、計算機仿真物理實驗過程、計算機仿真物理實驗規(guī)律和計算機仿真物理實驗環(huán)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(fā)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(shù)量太少，為學生

2、創(chuàng)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(shù)量方面的比較可以看出。探究性實驗太少，物理實驗教學質(zhì)量不高。要使物理實驗教學為培養(yǎng)具有創(chuàng)造力的人才服務，就必須加大實驗力度，提高實驗教學的質(zhì)量，把探究性實驗作為創(chuàng)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(yōu)化了教學過程，增強了學生學習興趣，激發(fā)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(yǎng)學生的動手能力，了解現(xiàn)代技術如何應用于研究。為學生適應現(xiàn)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(guī)儀器難以完成的實驗，而且節(jié)約了時間，提高了精度。2 / 13二、計算

3、機在物理實驗中應用的意義物理實驗是物理教學的重要內(nèi)容、方法和手段，在培養(yǎng)學生科學素養(yǎng)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(jīng)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(xiàn)象不明顯、實驗過程不可見、實驗規(guī)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(xiàn)象、實驗結論、儀器結構、調(diào)試技術等的整體認識，做起實驗就會胸有成竹，

4、進行起來很輕松，這樣就大大提高了實驗教學的質(zhì)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(xiàn)、大小、遠近、時空、動靜、快慢都可調(diào)節(jié)等作用。如水波的干涉實驗，振動加強與振動減弱區(qū)域?qū)Τ鯇W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(xiàn)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(xiàn)狀與物理教學的性質(zhì)、教育改革形勢的要求

5、和做為基礎教育重要環(huán)節(jié)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(xiàn)代科學和技術的基礎，它們在學生智能結構的發(fā)展中將占有越來越重要的地位。縱觀目前國內(nèi)外教學的動態(tài)，也能給我們一些啟示。在一些發(fā)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(jù)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29

6、5個由學生自己完成，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(xiàn)代教育技術手段，使我們推進素質(zhì)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

7、究的內(nèi)容首先我們先從計算機仿真物理實驗現(xiàn)象、仿真物理實驗過程、仿真物理實驗規(guī)律和仿真物理實驗環(huán)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(xiàn)象在物理教學中，有很多物理實驗現(xiàn)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(xiàn)象出現(xiàn)的時間極短，學生還沒來得及看清，該過程就已經(jīng)結束，學生難以理解其中的本質(zhì)，給教學帶來困難。用計算機仿真物理實驗現(xiàn)象，可以把一個原本無法看到或看清的現(xiàn)象，形象逼真地呈現(xiàn)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

8、智能化的語音提示就能使物理實驗現(xiàn)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(xiàn)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(tǒng)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(shù)。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(shù)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(diào)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

9、常清楚地看出：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(nèi)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(xiàn)了實驗現(xiàn)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(tài)演示。如在講核裂變時，可把中子和鈾核用不同顏色進行區(qū)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(fā)了學生的學

10、習動機。在有些物理實驗中，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(xiàn)物理實驗中看不到的電場、磁場以及各種物理量的動態(tài)變化。例如，在“電磁感應”這節(jié)課中，利用計算機仿真再現(xiàn)實驗過程，把實驗中本來看不到的磁感線分布及其變化規(guī)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?qū)Ь€)移動時，可以清楚地看到穿過閉合電路的磁感線條數(shù)發(fā)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

11、制實驗過程，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(yǎng)學生的創(chuàng)新能力，又可充分利用現(xiàn)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(guī)律在物理實驗中，有些實驗現(xiàn)象基本清晰，但對于實驗過程所反映的物理規(guī)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(guī)律及其應用。如做透鏡成像規(guī)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(tài)、直觀地展現(xiàn)在學生面前。還可

12、將凸透鏡變?yōu)榘纪哥R，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(huán)境物理學的發(fā)展，大到宇宙天體，小到基本粒子，如此宏觀與微觀在常規(guī)物理實驗教學中難以再現(xiàn)，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(guī)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(xiàn)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(shù)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

13、握的信息技術手段將此過程及運動軌跡描繪出來。如此仿真物理實驗環(huán)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(diào)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(xiàn)代信息技術加強課程建設，提升教學效果，培養(yǎng)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(fā)揮其生動形象和實時反饋的特點，既可以實現(xiàn)教學資源的優(yōu)化和提高教學效率，適應教學現(xiàn)代化的需要，又能激發(fā)學生的學習興趣，提高學生的實驗技能

14、，在多方面培養(yǎng)學生的科學素質(zhì)，滿足素質(zhì)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(xiàn)象的發(fā)生，可以充分創(chuàng)造出一個有聲有色、形象逼真的教學環(huán)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(fā)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(shù)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

15、行實時控制操作。這樣可以大大減小數(shù)據(jù)的離散性，增強內(nèi)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(jù)具體任務對計算機發(fā)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(shù)據(jù)處理層面數(shù)據(jù)處理是物理實驗中的重要部分，數(shù)據(jù)處理的好環(huán)將直接影響到實驗的結果與結論。學生在處理數(shù)據(jù)的過程中，可以養(yǎng)成科學、嚴謹?shù)膶W習態(tài)度。但是，如果每個實驗都要進行大量的繁瑣的數(shù)據(jù)處理，會使學生喪失學習興趣產(chǎn)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(shù)學與邏輯運算能力，可以很精確地求出測量結

16、果的最大值、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(shù)據(jù)處理的前提是：學生必須全面準確地掌握了相關的數(shù)據(jù)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(jīng)驗篩選法為主，輔之問卷調(diào)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(nèi)外教育理論和實踐成果，結合本地區(qū)、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(xù)的考察、獲得事實材料，以取得對物理教學的特點深入

17、了解和認識。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(tǒng)的記錄、分析；并通過觀察比較兩種方式的優(yōu)缺點。3、經(jīng)驗篩選法：（1）總結先進的教學經(jīng)驗，系統(tǒng)整理經(jīng)驗。（2）對經(jīng)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(yōu)化經(jīng)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(jīng)驗和規(guī)律的東西。5、經(jīng)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(diào)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(xiàn)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(xiàn)細節(jié)變化、科學準