大學(xué)物理實驗總結(jié)中計算機軟件運用的利弊研究

祝丹（武漢工程大學(xué)　理學(xué)院，湖北　武漢　430062）

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大學(xué)物理實驗總結(jié)中計算機軟件運用的利弊研究

祝丹
（武漢工程大學(xué)理學(xué)院，湖北武漢430062）

摘要：計算機軟件在大學(xué)物理實驗中的應(yīng)用是物理教學(xué)過程中一項十分重要的改革和嘗試.在實踐的過程當(dāng)中，計算機軟件應(yīng)用對于學(xué)生學(xué)好大學(xué)物理實驗這門課程以及學(xué)生自身的成長各有利弊.在本篇文章中，作者根據(jù)自己的觀察和思考，對這些利弊進(jìn)行了總結(jié)，希望能夠引起一線老師們的注意，發(fā)揮計算機軟件的長處，抑制其弊端，真正發(fā)揮出現(xiàn)代科技對教學(xué)的促進(jìn)作用.

關(guān)鍵詞：計算機軟件；大學(xué)物理實驗；利弊研究

計算機作為第三次科技革命的代表產(chǎn)物，標(biāo)志著人類從此進(jìn)入到了信息時代.自從計算機誕生以來，其方便、準(zhǔn)確和快捷的特點使其本身已經(jīng)滲透到了各行各業(yè)當(dāng)中.在最近幾年的教學(xué)實踐當(dāng)中，教育工作者們逐漸發(fā)現(xiàn)，計算機軟件的引入一方面使得教學(xué)更加生動有趣，方便準(zhǔn)確和交流方便，為教學(xué)模式帶來了革命性的變化；而另一方面，由于計算機軟件的引入，老師們開始變得懶惰，教學(xué)過程中的教學(xué)思路開始模糊，并且學(xué)生們用于思考的時間在不斷縮短，使得教學(xué)開始走向了一個令人生畏的方向.以大學(xué)物理實驗課程為例，我們在在下面的文章中，對計算機軟件引入的利與弊開始進(jìn)行剖析.

1　計算機軟件為大學(xué)物理實驗總結(jié)帶來的益處

計算機軟件在越來越多的場合得到應(yīng)用已經(jīng)成為了一個歷史發(fā)展的趨勢和必然，并且在近些年的發(fā)展過程中，成功進(jìn)入了各學(xué)科的教學(xué)一線.從個學(xué)科教學(xué)目前已經(jīng)發(fā)展到了實驗課程.在大學(xué)物理實驗課程中，用計算機軟件技術(shù)來進(jìn)行實驗數(shù)據(jù)的處理，實驗結(jié)果的討論以及實驗范圍的擴大，都成為計算機軟件在這一領(lǐng)域的強項.

1.1實驗數(shù)據(jù)的處理

大學(xué)物理實驗往往有很多的數(shù)據(jù)需要處理，在傳統(tǒng)的教學(xué)和實驗過程中，通過鉛筆在白紙上進(jìn)行計算的模式下，很容易讓學(xué)生產(chǎn)生厭煩的情緒，并且人工計算太多的數(shù)據(jù)容易產(chǎn)生錯誤，并且碰到開方或者計算對數(shù)時使人們陷入到無奈當(dāng)中，有時候即使運用科學(xué)計算器也于事無補.例如，大學(xué)物理中有一個關(guān)于液體粘度的測定用是落球法，需要用到一個直徑在一毫米以下的金屬小球放入到乘有某種液體的柱狀玻璃容器當(dāng)中，用秒表測出已定刻度線之間小球運動的時間，從而計算出小球運動的速度，然后根據(jù)小球受到的阻力來計算出液體的粘度.這個實驗通常要做4—5組的實驗來求取一個平均值，那么在取平均值時就有了幾個不同的數(shù)值平均，第一是在放大鏡下測量小球的直徑，然后取一個平均值，第二是下落時間的平均值，第三個是直接每一個小球在液體中運行的速度平均值，第四個是分別用四個小球測出速度并且計算出粘度再求取粘度的平均值.至于各種方法的合理性，我們通過人工的計算往往是很難得出來結(jié)論的，但是，如果引入計算機軟件以后，可以通過簡單地每一組數(shù)據(jù)輸入進(jìn)去，然后選擇所需要的結(jié)果，關(guān)于每一組方法所得到的誤差就能夠被估計出來，選擇誤差最小的計算方法，能夠得到更加準(zhǔn)確的結(jié)果.再者，如果我們要分析小球下落速度與直徑的關(guān)系，在傳統(tǒng)的分析體系中，往往是通過用圖表或者折線的方法進(jìn)行，這些對于三四個結(jié)果還好分析，如果涉及到十幾二十個結(jié)果，分析起來就十分費勁了，這對一個人的勞動量是驚人的.但是，如果我們借助于計算機軟件，只需要將測量得到的最原始的數(shù)據(jù)按順序輸入進(jìn)去，在分析框中，選出自己所要的結(jié)果類型，計算機就會自動生成一系列的表格和圖像，甚至對于曲線還能夠擬合出來相應(yīng)的曲線方程.對于不同的結(jié)果用不同的顏色進(jìn)行標(biāo)記，能夠使結(jié)果一目了然更加清晰.

另外，對于每一個實驗，專業(yè)的軟件往往考慮的更加全面，例如，在測定隨機誤差的實驗過程中，對于平均值，軟件可以快速計算出算數(shù)平均值，幾何平均值和算數(shù)平均值.振動周期和震動幅度等的分析在專業(yè)軟件中直接可以對震動的區(qū)間和震動長度的誤差進(jìn)行分析，還可以直接得出震動在整個系列實驗中的隨時間或者別的因素變動的各類參數(shù)等，具有很好的統(tǒng)計效果.在對大量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的時候，運用計算機軟件可以做到隨時對兩個相互關(guān)聯(lián)的因素進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，或許能夠取得很好的效果，而這一點，在傳統(tǒng)的用紙筆是無法輕易實現(xiàn)的.

1.2實驗結(jié)果的討論

如果我們將一個班級的同學(xué)分成若干個小組進(jìn)行物理的實驗，當(dāng)這些小組得出的實驗結(jié)果不同時，如果運用傳統(tǒng)的教學(xué)方式，需要將各自的結(jié)果進(jìn)行比較，其任務(wù)量是可想而知的，也就是說對學(xué)生實驗結(jié)果進(jìn)行討論是一個比較復(fù)雜的過程.運用現(xiàn)代化的軟件處理學(xué)生們獲得的實驗結(jié)果，再結(jié)合多媒體的力量，將學(xué)生的得到的結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計和處理，可以得到一個分布，然后與學(xué)生們進(jìn)行結(jié)果的討論和分析，對教學(xué)效果的提升有一定的積極意義.運用計算機軟件，能夠?qū)床坏矫恢臇|西進(jìn)行直觀的模擬，并且對很多

物理量進(jìn)行分析和對比.

在軟件中，對結(jié)果的呈現(xiàn)也是一個十分重要的優(yōu)勢，這是運用表格等傳統(tǒng)結(jié)果分析討論模式所不具備的.例如，對不同組的數(shù)據(jù)，可以采用柱狀圖或者餅狀圖的方式進(jìn)行呈現(xiàn)，更加直觀的可以發(fā)現(xiàn).加入一個年級的學(xué)生在做某一個物理實驗中，例如對長度的測量，我們可以將誤差在一個較小范圍的組記為優(yōu)秀，將誤差范圍大的記為差，中間的記為一般.那么根據(jù)統(tǒng)計軟件的出來的結(jié)果，顯示餅狀圖顯示，可以很直觀知道在整個年級中自己的實驗結(jié)果處于怎樣一個位置.如果加上多媒體的優(yōu)勢，我們可以將某一個小組的實驗結(jié)果進(jìn)行大屏幕的展示，通過學(xué)生自己的實驗結(jié)果進(jìn)行教學(xué)的推進(jìn)是一個很好的教學(xué)方式，也算是對實驗結(jié)果的討論.

1.3實驗范圍的擴大

大學(xué)物理實驗中，很多的書本知識在實驗現(xiàn)實條件下是無法進(jìn)行的.計算機軟件技術(shù)的引入使很多看似不可能的實驗變成了現(xiàn)實，使很多在實驗室不能做的實驗在虛擬的環(huán)境中展示.例如一個簡單的宇宙速度的推算，在實驗室中是無法完成的.這個想法其實是來源于一個簡單的想法.假如從山頂上平拋一塊石頭，平拋的速度越大，那么石頭會飛的越遠(yuǎn)，那么當(dāng)速度達(dá)到多大的時候，石頭的落地距離能夠超過地球的周長呢？也就是說，當(dāng)速度達(dá)到多大時，拋出去的石頭能夠永遠(yuǎn)不掉下來呢？單純地用語言來描述難免有些干癟，那么，如果我們用計算機軟件去模擬這樣一系列的實驗，我們可以逐漸增大平拋的速度，在模擬的狀況下，我們可以直觀看出石子的飛出距離，學(xué)生對這一概念的理解會深刻很多.

在某種情況之下，對實驗結(jié)果的討論必須在軟件的環(huán)境下進(jìn)行.例如，對磁場的認(rèn)識是一個看不見摸不著的實驗，在傳統(tǒng)的教學(xué)模式下，很難通過自己的描述是學(xué)生在腦海中對電磁線圈周圍的磁場強度和磁感線的排列有一個清晰的認(rèn)識.運用現(xiàn)代計算機軟件的模擬效果，將一個特定線圈和特定電流作用下產(chǎn)生的磁場進(jìn)行三維的彩色模擬，可以使學(xué)生從全方位對線圈周圍看不見的磁感線方向和密度進(jìn)行直觀的認(rèn)知，對于電磁場和電磁波的存在和傳播都能夠有很好的認(rèn)識，對于這部分實驗內(nèi)容與課本知識的結(jié)合也有很好的益處.另外，有興趣的學(xué)生還可以根據(jù)自己對電磁場的認(rèn)知，在計算機中輸入幾個相關(guān)的參數(shù)如線圈的直徑、匝數(shù)或者電流的大小，從而建立起自己的電磁場模型，讓兩組參數(shù)建立的模型進(jìn)行對比，或者對異形的電磁線圈進(jìn)行考慮，得到線圈周圍的磁感線分布.事實上，有心的學(xué)生會發(fā)現(xiàn)，例如電場、磁場、熱場等場在模擬時有很多的共通之處，這也就是現(xiàn)代物理“場論”的一個重要體現(xiàn)，對學(xué)生從整體物理學(xué)的尺度上進(jìn)行掌握和理解，對物理科學(xué)中體現(xiàn)出來的精神和思想能夠有很好的認(rèn)識.

2　計算機軟件為大學(xué)物理實驗總結(jié)帶來的弊端

計算機軟件在大學(xué)物理實驗教學(xué)中縱然帶來了很多益處，相對于傳統(tǒng)的教學(xué)模式，縱然有很多的優(yōu)勢，但并不代表計算機軟件就是萬能的.在實際的操作過程中，我們發(fā)現(xiàn)，計算機軟件在大學(xué)物理實驗中的應(yīng)用同時為我們帶來了一些弊端.

2.1老師們開始變得懶惰

計算機軟件的引入使老師們擺脫了用小黑板和粉筆來為學(xué)生一步步推導(dǎo)實驗原理和講解實驗過程的教學(xué)模式.在理論課上，直接用一張幻燈片就解決了全部的問題.實驗的原理通過圖片和旁邊的文字解說為學(xué)生呈現(xiàn)出來，老師們通過一勞永逸的方法一舉將自己從繁雜的勞動中解脫.更有甚者，有很多實驗課的老師是通過下載別人的教學(xué)課件進(jìn)行講解的，本來自己可能就一知半解，除去了一步步的推導(dǎo)過程，將實驗的原理和步驟直接暴漏給學(xué)生，學(xué)生的思維沒有根據(jù)要求一步步的形成，對于學(xué)生實驗思維和創(chuàng)造力的形成都很不利.運用軟件，省去很多的中間步驟，老師就會越來越懶惰，長期對著自己的課件進(jìn)行實驗的講解，難免造成思維的僵化，對自身業(yè)務(wù)和教學(xué)水平的提升帶來了很多不利的因素.

2.2教學(xué)思路開始模糊

大學(xué)物理實驗的設(shè)置是一個系統(tǒng)的工程，在框架內(nèi)對學(xué)生思維的鍛煉和對知識的運用是一個很大也很重要的目的.一旦使用能夠大大簡化流程的計算機軟件進(jìn)行教學(xué)，有很多老師開始對實驗或者教學(xué)的目的開始模糊，教學(xué)的思路也不像用粉筆和黑板時那么的清晰.形式的簡化雖然帶來了方便，同時也意味著思維和思路的簡化.當(dāng)實驗僅僅變成了實驗本身，如果操作不當(dāng)，實驗課程所應(yīng)起到的作用就不會那么明顯了.

2.3學(xué)生思考時間縮短

如果我們在軟件中簡單輸入幾個參數(shù)，處理的結(jié)果就會給出來，那么我們還會關(guān)注數(shù)字本身的計算過程么？在物理實驗中，計算機軟件的應(yīng)用正是起到這樣一種作用.通常一個需要間接測量方法才能夠得到的物理量，中間需要的是公式和方程式的推導(dǎo)，比如對電阻率進(jìn)行測量時，我們需要公式的轉(zhuǎn)換，但是如果運用軟件，僅僅是在輸入端輸入一組數(shù)據(jù)，被測物的電阻率曲線（電阻率與溫度的曲線）就會呈現(xiàn)出來，久而久之，可能對中間的轉(zhuǎn)換就不會那么重視.另外，老師們依據(jù)軟件的計算結(jié)果對實驗結(jié)果進(jìn)行講解，相比于一個學(xué)生一個點一個點的在方格紙上描畫所得到的體會是少了許多的，實驗過程中的個人體驗是十分重要的，在計算機軟件引入后，強烈的個人體驗開始減弱，學(xué)生對實驗的思考時間大幅度減少，為他們在實驗道路上繼續(xù)走下去埋下了隱患

總結(jié)：計算機軟件對大學(xué)物理實驗而言，既有很多的優(yōu)勢，同時也存在很多的弊端，并且這兩種截然不同的效果同樣的明顯.那么，在教學(xué)的過程中，如何更多的發(fā)揮優(yōu)勢，盡量的規(guī)避這些弊端，必然成為一個值得廣大教師思考的話題.

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中圖分類號：G642

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1673- 260X（2015）03- 0003- 02