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電腦模擬與物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)
電腦模擬與物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)
現(xiàn)代教育技術(shù)的發(fā)展，使教師組織教學(xué)活動(dòng)的手段更豐富、方法更靈活、效率更高。現(xiàn)代教育技術(shù)中，電腦輔助教育系統(tǒng)，由于代表最先進(jìn)的現(xiàn)代教育手段，成為教育教學(xué)實(shí)踐研究的新課題。
一、電腦模擬對(duì)于物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)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(xué)、電腦管理教學(xué)、電腦模擬和電腦智力游戲。
電腦模擬，即利用模型來(lái)研究一個(gè)系統(tǒng)的行為特征，在物理教學(xué)中，可以用來(lái)模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，以此代替或加強(qiáng)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)手段。
由于電腦模擬不受空間限制，可由宏觀到微觀；不受時(shí)間限制，可將瞬間過(guò)程延緩，可將長(zhǎng)時(shí)過(guò)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(dòng)態(tài)變成靜態(tài)，利于觀察，又可將靜態(tài)變成動(dòng)態(tài)，利于理解。電腦模擬還可將輸給它的信息經(jīng)過(guò)邏輯推理運(yùn)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(xué)是一門(mén)以觀察和實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué)，學(xué)生對(duì)物理知識(shí)的學(xué)習(xí)，雖然是一種特殊的認(rèn)識(shí)活動(dòng)，但仍要以觀察物理現(xiàn)象、進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)作為思維的基礎(chǔ)。電腦模擬恰好成為常規(guī)教學(xué)中難以觀察的物理現(xiàn)象、難以進(jìn)行的物理實(shí)驗(yàn)的替代者。
電腦模擬的上述特點(diǎn)，是其它輔助教學(xué)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(xué)中的應(yīng)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(xué)生電腦程序中的模型，通過(guò)運(yùn)行這個(gè)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(guò)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(diǎn)。
牛頓第二定律，是物理教學(xué)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，得出牛頓第二定律的實(shí)驗(yàn)在氣墊滑軌上進(jìn)行。由光電門(mén)將沿塊運(yùn)動(dòng)的時(shí)間傳輸?shù)焦怆姅?shù)字計(jì)時(shí)器，我們?cè)賹?shù)據(jù)輸入到電腦中（程序清單略），電腦進(jìn)行一系列加速度的計(jì)算，并將加速度與產(chǎn)生加速度的力進(jìn)行比較，將加速度與滑塊質(zhì)量進(jìn)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(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)過(guò)程和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，接受電腦行為模擬的結(jié)果，免去繁瑣的手計(jì)算過(guò)程，即節(jié)省了時(shí)間，提高了課堂效率，又突出加強(qiáng)了對(duì)牛頓第二定律的理解和記憶。注意，教學(xué)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(xué)生，發(fā)揮電腦的優(yōu)點(diǎn)。下述各電腦應(yīng)用過(guò)程也要注意這一點(diǎn)。
互成角度共點(diǎn)力合成的平行四邊形法則，講授時(shí)，由教師作二力合成的投影演示實(shí)驗(yàn)。小彈簧秤底板用有機(jī)玻璃制成，分別用一個(gè)小彈簧秤和兩個(gè)小彈簧秤將橡皮條均拉到O點(diǎn)，如圖（一）、圖（二）所示。學(xué)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(gè)分力的數(shù)值，并通過(guò)固定于投影儀復(fù)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(jìn)行高分辨作圖。
由不同組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，電腦在顯示屏上先畫(huà)出表示合力（F），兩個(gè)分力（F1，F(xiàn)2）的有向線段，然后以表示兩個(gè)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(duì)角線，將此對(duì)角線與表示合力的有向線段進(jìn)行比較，如圖（三）、圖（四）所示電腦運(yùn)行結(jié)果，平行四邊形的對(duì)角線與表示合力的有向線段吻合得很好。從教學(xué)實(shí)踐看，絕大多數(shù)結(jié)果都很準(zhǔn)確，從而科學(xué)、可信地建立兩個(gè)共點(diǎn)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(shí)驗(yàn)重新進(jìn)行。
電腦作圖的精確性，減少了作圖誤差，使學(xué)生更好地接受實(shí)驗(yàn)結(jié)果。電腦作圖，節(jié)省了時(shí)間，教師在課上可作多組演示實(shí)驗(yàn)，既豐富了學(xué)生感性認(rèn)識(shí)，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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)也較科學(xué)，這就要求準(zhǔn)確操作，準(zhǔn)確讀取數(shù)據(jù)，以得到正確的結(jié)果。
像斜拋運(yùn)動(dòng)，單擺的振動(dòng)規(guī)律，光的折射定律等都可以將實(shí)驗(yàn)與電腦行為模擬結(jié)合真情行為進(jìn)行教學(xué)。
�。ǘ╇娔X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(xué)生通過(guò)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(kāi)普勒三個(gè)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(yáng)運(yùn)動(dòng)，但看不出規(guī)律，學(xué)生產(chǎn)生困惑，如圖（六）。然后鍵控，使行星在運(yùn)動(dòng)的同時(shí)顯示自己的運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖（七），行星的運(yùn)行軌跡──橢圓便清楚地顯示出來(lái)，不用解釋，學(xué)生了然于胸。然后再畫(huà)上坐標(biāo)系，太陽(yáng)呈現(xiàn)在橢圓軌道的一個(gè)焦點(diǎn)上，如圖（八）所示。這樣，清楚、明白地總結(jié)出開(kāi)普勒第一定律。
開(kāi)普勒第二定律如圖（九），除顯示出“相等時(shí)間，行星與太陽(yáng)的聯(lián)線掃過(guò)相等的面積”外，行星的運(yùn)動(dòng)速度也是真實(shí)的模擬、即“近地點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的快，遠(yuǎn)地點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的慢”。
開(kāi)普勒三定律是由大量的觀測(cè)數(shù)據(jù)總結(jié)出來(lái)的，我們利用電腦的模型化模擬，呈現(xiàn)給學(xué)生生動(dòng)的圖象，學(xué)生很容易理解和接受。
模型化模擬可細(xì)分成下面幾種：
1．突破空間界限的模擬：物理學(xué)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(shí)驗(yàn)教學(xué)中都難以再現(xiàn)，學(xué)生則難以建立起相應(yīng)的物理表象。我們通過(guò)電腦模型化模擬，為學(xué)生提供感性認(rèn)識(shí)。如開(kāi)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(shí)驗(yàn)的示意模擬、核裂變的模擬、光電效應(yīng)的模擬等。
2．突破時(shí)間界限的模擬：有的物理實(shí)驗(yàn)用時(shí)較長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)中費(fèi)時(shí)較多，難以進(jìn)行，如觀察沸騰現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)；有的物理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象展現(xiàn)時(shí)間很短，學(xué)生難以觀察清楚，如牛頓管中自由落體運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)。我們用模型化模擬，控制實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象展示的時(shí)間。
3．實(shí)驗(yàn)動(dòng)、靜結(jié)合的模擬：靜電感應(yīng)現(xiàn)象、導(dǎo)線中電子由無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)到電場(chǎng)作用下的定向移動(dòng)過(guò)程、電容的充放電過(guò)程等，建立物理圖景的動(dòng)態(tài)模擬，并用鍵控程序?qū)?dòng)態(tài)過(guò)程定格──展示物理過(guò)程的節(jié)點(diǎn)。
4．實(shí)現(xiàn)抽象與具體相互轉(zhuǎn)化的模擬：將抽象的物理過(guò)程經(jīng)過(guò)電腦模擬而具體化，如磁化過(guò)程的模擬、電磁振蕩現(xiàn)象的模擬、電磁波傳播過(guò)程的模擬演示等。將具體的物理過(guò)程，去掉非本質(zhì)的表象，直接將物理問(wèn)題的本質(zhì)抽象出來(lái)，如楞次定律教學(xué)實(shí)驗(yàn)，直接模擬外磁場(chǎng)、感應(yīng)磁場(chǎng)、感應(yīng)電流，研究它們的關(guān)系。
三、電腦出擬與物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有機(jī)結(jié)合
所謂有機(jī)結(jié)合，即處理好電腦模擬與物理實(shí)驗(yàn)、電腦模擬與其它教學(xué)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(shí)驗(yàn)。物理實(shí)驗(yàn)是學(xué)生獲得物理知識(shí)最直接的手段、最真實(shí)的經(jīng)驗(yàn)和最好的感性材料。電腦模擬只能逼真，而不可能真實(shí)，不能試圖用電腦模擬去代替物理實(shí)驗(yàn)。
實(shí)驗(yàn)教學(xué)中難以進(jìn)行、效果不好，需用電腦模擬的實(shí)驗(yàn)，要將真實(shí)的實(shí)驗(yàn)呈現(xiàn)給學(xué)生，再進(jìn)行電腦模擬，將電腦模擬與物理實(shí)驗(yàn)結(jié)合起來(lái)。
無(wú)法進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，要講清實(shí)驗(yàn)環(huán)境、實(shí)驗(yàn)條件、實(shí)驗(yàn)過(guò)程，再用電腦模擬。
�。ǘ┲匾暺渌虒W(xué)手段的運(yùn)用
物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，不言自明，物理實(shí)驗(yàn)為其根本，我們必須加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)研究。在教學(xué)實(shí)踐中設(shè)計(jì)更合理的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，改進(jìn)和制作物理實(shí)驗(yàn)儀器，結(jié)合科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，采用更先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)手段。而且電腦模擬有其局限，如聲學(xué)實(shí)驗(yàn)，演示噪音、樂(lè)音及其波形，除示波器外，我們要用錄音機(jī)；學(xué)習(xí)天體運(yùn)動(dòng)，我們用錄像機(jī)和電視機(jī)，這是電腦模擬不能達(dá)到的。有的模擬用投影、幻燈就可簡(jiǎn)潔而形象地進(jìn)行，也不必費(fèi)時(shí)、費(fèi)力去進(jìn)行電腦模擬。
�。ㄈ┏浞职l(fā)揮教師的主導(dǎo)作用任何教學(xué)手段，都需要教師去安排使用、去組織教學(xué)，電腦模擬手段也不能例外。是否用電腦模擬，什么時(shí)機(jī)、哪些環(huán)節(jié)進(jìn)行電腦模擬，都要由教師決定。而且這種決定要很好地促進(jìn)學(xué)生所學(xué)知識(shí)的正向遷移。
四、電腦模擬于物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)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(duì)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(duì)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(shí)，需要專業(yè)人員和物理教師針對(duì)物理實(shí)驗(yàn)的空白和薄弱之處，編制出切實(shí)可行的軟件。這是電腦模擬于物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的關(guān)鍵。
�。ǘ┪锢韺�(shí)驗(yàn)室的構(gòu)成
現(xiàn)在很多電腦應(yīng)用于物理教學(xué)的嘗試在計(jì)算機(jī)房進(jìn)行，而計(jì)算機(jī)房與物理實(shí)驗(yàn)室的設(shè)置是完全不同的。所以要建立新概念的物理實(shí)驗(yàn)室，即物理實(shí)驗(yàn)室除常規(guī)的設(shè)置外，要配備計(jì)算機(jī)主機(jī)和2—4個(gè)大屏幕終端顯示器。這是電腦模擬在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中發(fā)揮其不可替代作用的重要保證。
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