计算机在物理实验中的应用

计算机在物理实验中的应用前言：物理实验在物理教学中具有举足轻重的作用，但受实验条件、实验设备、实验本身的限制，有的实验在常规条件下无法进行实验或是实验效果不理想，给物理教学带来很大困难。有效应用计算机进行物理仿真实验能克服常规实验的不足，起到事半功倍的效果。从计算机仿真物理实验现象、计算机仿真物理实验过程、计算机仿真物理实验规律和计算机仿真物理实验环境四个方面考虑物理教学中电脑仿真实验的应用。并以改革教学模式、提高教学效果为出发点，对计算机在大学物理实验教学中的应用层面作了详细地描述。关键词：计算机仿真；物理实验；一、课题研究的背景我国目前物理实验教学存在很大的差距，学生实验数量太少，为学生创造的真实情境不足，这从我国与其他国家初、高中物理教材在学生实验的数量方面的比较可以看出。探究性实验太少，物理实验教学质量不高。要使物理实验教学为培养具有创造力的人才服务，就必须加大实验力度，提高实验教学的质量，把探究性实验作为创造物理情境、探究物理问题的主要手段。而计算机辅助实验既可以准确快速完成演示实验，成功的导入新课，优化了教学过程，增强了学生学习兴趣，激发了学生的学习欲望，又可以在分组实验和探究性试验中培养学生的动手能力，了解现代技术如何应用于研究。为学生适应现代化的要求打下了基础。并且用计算机辅助实验可以完成一些常规仪器难以完成的实验，而且节约了时间，提高了精度。二、计算机在物理实验中应用的意义物理实验是物理教学的重要内容、方法和手段，在培养学生科学素养中具有独特的地位和全方位的功能。在普通物理实验教学中，由于受到实验仪器、实验条件、实验本身的限制，很多实验无法收到良好的教学效果。计算机的普遍应用已经成为人们生活、工作中不可或缺的得力助手，如何将计算机的应用引人到物理实验课堂教学中来，成为一种新型的教学手段，也正是物理实验教育改革的重要课题之一。在物理实验教学中，对于一些实验现象不明显、实验过程不可见、实验规律不易被观察、实验难度高的实验，利用电脑进行仿真实验可帮助学生形成对实验原理、实验现象、实验结论、仪器结构、调试技术等的整体认识，做起实验就会胸有成竹，进行起来很轻松，这样就大大提高了实验教学的质量和效率。如果利用计算机模拟辅助物理实验，将起到直观形象、重复再现、大小、远近、时空、动静、快慢都可调节等作用。如水波的干涉实验，振动加强与振动减弱区域对初学者来说不易确定，若采用动画模拟辅助实验，放慢振动频率，干涉现象将一目了然；同样在简谐运动中，观察弹簧振子的振动实验，学生很难同时观察到回复力、加速度、速度和位移四个物理量在运动过程的变化，这是教学的难点，而采用课件模拟，放慢振动频率或者使其暂停，分析四个矢量大小方向的变化，不但直观形象，同时避免了教师用大量口舌进行描述。三、计算机在物理实验中应用实验教学的现状与物理教学的性质、教育改革形势的要求和做为基础教育重要环节的地位很不相称。中学物理教学改革中，当前最突出的问题是实验教学薄弱，而众所周知物理学是一门以实验为基础的科学，物理学的实验基础、理论体系和研究方法，是现代科学和技术的基础，它们在学生智能结构的发展中将占有越来越重要的地位。纵观目前国内外教学的动态，也能给我们一些启示。在一些发达国家，实验在中学物理教学中已明显得到重视和加强。例如：根据牛津大学教育学院七十年代一份研究资料介绍，欧洲国家中学最后二年（预科班）的学生物理实验所占的比例较大，如英国约占整个教学时间的25%—50%，在中学低年级可占每堂课教学时间的70%—80%。又如西德国民教育初中课程共安排了343个实验，其中有295个由学生自己完成，由此可见，在指导思想上，中学物理教学坚持以实验为基础，在实验教学要求上，增大学生的实验比例，着重实验能力的训练；在教学形式上，更多地趋于采用边教边实验的方法。但在考虑边教边实验等教学形式时，也应该考虑到：21世纪是一个信息时代，在我们工作、学习和日常生活中需要获取和处理的信息越来越多，这对于在学校里正处于学习阶段的学生来说，如何利用计算机技术来处理大量有用信息，从而更高效地利用这些资源，必将成为学生必需的能力之一。在教学中必须采用现代教育技术手段，使我们推进素质教育不可或缺的手段和方法之一。因此要做好计算机辅助实验与中学课程的整合是必要的，是有利于促进教学改革的。四、课题研究的内容首先我们先从计算机仿真物理实验现象、仿真物理实验过程、仿真物理实验规律和仿真物理实验环境四个方面来讨论电脑仿真物理实验在物理教学中的应用。1、计算机仿真实验1.1、利用计算机仿真物理实验现象在物理教学中，有很多物理实验现象是难以用肉眼看清或看到的，有的即使借助先进的仪器设备也很难看到，有些物理现象出现的时间极短，学生还没来得及看清，该过程就已经结束，学生难以理解其中的本质，给教学带来困难。用计算机仿真物理实验现象，可以把一个原本无法看到或看清的现象，形象逼真地呈现在学生面前。如，天体运行、原子核裂变，把长时间的过程进行缩短，把瞬间变化用慢动作拉长，把微小的放大，把巨大的缩小，如果再加以智能化的语音提示就能使物理实验现象清楚、过程明显，起到形象、直观的效果。准确仿真物理实验现象能弥补有些物理实验不易观察的缺陷，帮助学生理解有关概念，从而极大地提高学生学习效率。如演示平抛运动，传统实验由于A、B两球下落很快，两球落地点又相隔一段距离，学生不易看清，而且也不易听清A、B两球落地后的弹跳次数。若让学生观看闪光照片，又由于教科书上所印的闪光照片不是十分清晰，效果也不理想。此时，我们就可以使用数码相机把其运动全过程拍摄下来，然后进行计算机仿真制作，只要学生按键调出编制好的仿真实验，就可在计算机屏幕上显示出自由落体运动和平抛运动的小球轨迹，通过慢动作回放，将瞬间的过程进行有限延长，就可非常清楚地看出：它们在竖直方向下落的快慢是相同的，并同时到达地面；屏幕上也显示出平抛运动在相等时间内水平方向上的位移都相等。同时，还可以利用它某一时刻的静止画面来解释它下落时的特点。计算机仿真形象直观地显现了实验现象，增强了学生对平抛运动的理解，提高了教学效果。1.2、利用计算机仿真物理实验过程在物理教学中，有些物理实验在教学中根本无法操作，学生只能从理论上了解针对这种情况，可用计算机仿真进行动态演示。如在讲核裂变时，可把中子和铀核用不同颜色进行区别，然后动画演示中子撞击铀核的过程，伴随着一声巨响，核裂变完成。学生受到激烈碰撞的震撼，自然记忆深刻，从而使枯燥的物理理论讲解得以升华，激发了学生的学习动机。在有些物理实验中，很多东西实际存在但却无法看到，如电场、磁场，物理量有变化但无法觉察，如磁通量、电场强度、磁感应强度等。要弥补这些缺陷，可以利用计算机仿真技术清楚地展现物理实验中看不到的电场、磁场以及各种物理量的动态变化。例如，在“电磁感应”这节课中，利用计算机仿真再现实验过程，把实验中本来看不到的磁感线分布及其变化规律展示在计算机屏幕上，利用多媒体技术的特长，将穿过闭合电路的磁感线用一种颜色显示，不穿过闭合电路的磁感线用另一种颜色显示，动画中线圈(或导线)移动时，可以清楚地看到穿过闭合电路的磁感线条数发生了变化，从而帮助学生得出正确结论。在计算机仿真实验室，学生还可以自己移动鼠标来控制实验过程，增强了教学的直观性。这样既可以在实验中让学生动手动脑，锻炼和培养学生的创新能力，又可充分利用现代技术手段把抽象的东西变成直观的画面，帮助学生克服学习中的难点，提高了课堂教学效果。1.3、利用计算机仿真物理实验规律在物理实验中，有些实验现象基本清晰，但对于实验过程所反映的物理规律比较抽象，学生理解困难，此时，可在做好实验的基础上，应用计算机进行仿真实验，从而为学生搭建由形象思维迈向抽象思维的“桥梁”，使学习者更深刻地理解客观物理规律及其应用。如做透镜成像规律实验时，采用计算机仿真演示焦距、物距、像距和像的变化情况，就能把几何光学有关透镜成像的问题准确、动态、直观地展现在学生面前。还可将凸透镜变为凹透镜，让学生观察实验，并让他们参与提出问题、实验观察和分析总结的全过程，使整个仿真实验过程流畅直观，从而取得良好的教学效果。1.4、利用计算机仿真物理实验环境物理学的发展，大到宇宙天体，小到基本粒子，如此宏观与微观在常规物理实验教学中难以再现，学生更难以建立起相应的物理表象。如布朗运动是形成分子热运动概念的基础实验，它表明分子无规则运动的特点，是具有典型意义的科学实验之一。如果借助计算机进行仿真实验就会清晰显现该实验效果。仿真实验时，采用显微镜将悬浮于液体的布朗颗粒的运动情况用数字投影仪投影于大屏幕上，学生通过大屏幕观察分析大量分子对大颗粒和小颗粒的碰撞、运动及其结果，并用自己掌握的信息技术手段将此过程及运动轨迹描绘出来。如此仿真物理实验环境，引导学生进行探究、尝试，改变了过去空洞描述的缺陷，促进了教学的互动，调动了学生的学习积极性。同时，还可以将这一抽象的概念清晰、直观、具体地印入学生的脑海。在当前众多的教学改革方案中，主要的指导思想就是利用现代信息技术加强课程建设，提升教学效果，培养学生能力。计算机作为信息时代的主要代表，其日趋成熟的技术与日益广泛的应用，为物理实验教学改革提供了一条可行的思路。在物理实验教学过程中使用计算机，充分发挥其生动形象和实时反馈的特点，既可以实现教学资源的优化和提高教学效率，适应教学现代化的需要，又能激发学生的学习兴趣，提高学生的实验技能，在多方面培养学生的科学素质，满足素质教育的要求。来分析下计算机在实验教学过程中应用的几个层面。2、计算机在实验教学过程中应用的几个层面。2.1、课堂演示层面在实验的课堂教学过程中，通过计算机播放多媒体课件，模拟实验仪器的使用、实验现象的发生，可以充分创造出一个有声有色、形象逼真的教学环境，使学生似乎身临相应的宏观或微观世界中，既能辅助教师形象、准确地完成实验教学，又能大大增强学生的感性认识，并激发起对物理实验的学习兴趣。2.2、仪器控制层面由于在实验过程中，许多参数必须做到相应的变化或精确度要求较高，使得物理实验尤其是近代物理实验中的很多精密仪器，都必须通过控制总线与计算机通讯，由计算机进行实时控制操作。这样可以大大减小数据的离散性，增强内容的可重复性，改善实验效果，提高实验效率。而学生可以通过提前编制的程序积极干预实验进程，或根据具体任务对计算机发出相应的操作命令。通过使用这种近代的实验方法，可以使学生以后在独立研究中，能够充分采用新的实验技术，提升实验水平。2.3、数据处理层面数据处理是物理实验中的重要部分，数据处理的好环将直接影响到实验的结果与结论。学生在处理数据的过程中，可以养成科学、严谨的学习态度。但是，如果每个实验都要进行大量的繁琐的数据处理，会使学生丧失学习兴趣产生厌烦情绪，严重的甚至会抵制物理实验。由于计算机具有很强的数学与逻辑运算能力，可以很精确地求出测量结果的最大值、最小值，计算周期性信号的频率，求出微分与积分等。从而得到精确的结果，而且速度比普通方法要快的多。当然，用计算机进行数据处理的前提是：学生必须全面准确地掌握了相关的数据处理方法。四、课题研究的方法本课题的研究主要以实验法和经验筛选法为主，辅之问卷调查法、观察法、理论研究法。1、文献法：以新课程理念为指导，广泛吸纳国内外教育理论和实践成果，结合本地区、本校的实际在校本课程中开展课题研究，在确定课题、分析研究成果、撰写实验报告时使用此方法。2、实验法与观察法：在课题研究的起始阶段、实施过程中，随意地抽取对没有实施本课题方法的教学过程、连续的考察、获得事实材料，以取得对物理教学的特点深入了解和认识。然后有目的，有计划对实施本课题方法的教学过程进行系统的记录、分析；并通过观察比较两种方式的优缺点。3、经验筛选法：（1）总结先进的教学经验，系统整理经验。（2）对经验加以分析、并制定筛选计划。（3）按照计划，对一些班级组织实施授课。（4）组织资深物理老师对实施过程进行主客观评价。（5）总结、优化经验，并重复计划和实验实施。4、行动研究法：在课题实施过程中围绕课题研究目标，开展多层次、多渠道、全方位的研究