多語種夫瑯和費單縫衍射仿真實驗的開發(fā)

馬致明　阿卜杜熱伊木?圖爾蓀　木莎?哈山　阿不都卡得?克力木

摘 要：以物理模型的數(shù)學(xué)函數(shù)形式為依據(jù)，以VB 6.0為開發(fā)工具，利用繪圖方法和顏色漸變技術(shù)開發(fā)出了維吾爾語、哈薩克語、漢語多語種夫瑯和費單縫衍射仿真實驗，用交互式手段動態(tài)模擬出該實驗中衍射條紋間距和光強隨波長和縫距的分布情況，并實現(xiàn)了參數(shù)與效果圖之間的聯(lián)動，可為相應(yīng)內(nèi)容的教學(xué)提供強有力的輔助工具。

關(guān)鍵詞：夫瑯和費單縫衍射；仿真實驗；多語種；開發(fā)；VB6.0

中圖分類號：TP311 文獻標(biāo)識碼：A

1 引言（Introduction）

“光學(xué)”是以實驗為基礎(chǔ)的科學(xué)，光在傳播過程中遇到障礙物時偏離直線傳播的現(xiàn)象稱為光的衍射，光衍射后會在背景屏幕上形成光強有規(guī)則分布的光斑，這些光斑稱為衍射圖樣或衍射條紋，平行光束受狹縫限制所產(chǎn)生的衍射稱為夫瑯和費單縫衍射，其條紋分布、光強分布跟光源波長和狹縫縫距密切相關(guān)。

條紋分布規(guī)律：

光強分布規(guī)律：

式中k=1，2，3，…，b為縫距，為波長，為偏離角度，I0是中央條紋光強的極大值。

光的衍射是光學(xué)中的重點內(nèi)容，而夫瑯和費單縫衍射規(guī)律較難理解，實際物理實驗中不同條件下的衍射條紋也不易比對。為此，我們運用VB6.0開發(fā)了維、哈、漢多語種夫瑯和費單縫衍射仿真實驗，用交互式手段動態(tài)模擬出實驗中條紋光強和間距隨波長和縫距的分布規(guī)律，并實現(xiàn)了參數(shù)與效果圖之間的極速聯(lián)動。本仿真實驗可對課堂教學(xué)和課后學(xué)習(xí)提供強有力的輔助工具，方便學(xué)生對夫瑯和費單縫衍射現(xiàn)象的理解、對相關(guān)理論知識的學(xué)習(xí)和對實驗規(guī)律的掌握。

2 總體設(shè)計思路（The overall design ideas）

教學(xué)設(shè)計（Instructional Design，簡稱ID）是運用現(xiàn)代學(xué)習(xí)與教學(xué)心理學(xué)、傳播學(xué)、教學(xué)媒體論等相關(guān)的理論與技術(shù)，來分析教學(xué)中的問題和需要，設(shè)計解決方法，試行解決方法，評價試行結(jié)果，并在評價基礎(chǔ)上改進設(shè)計的一個系統(tǒng)過程[1]。

多語種夫瑯和費單縫衍射仿真實驗是在構(gòu)建物理模型和數(shù)學(xué)模型的前提下，利用計算機編程技術(shù)和多媒體技術(shù)來模擬物理現(xiàn)象，詮釋物理規(guī)律，演示內(nèi)在過程，并由此構(gòu)建適用于新疆民漢雙語教學(xué)的模擬演示環(huán)境。因此本仿真實驗的設(shè)計既要遵循物理模型和物理規(guī)律，又要符合新疆維吾爾族、哈薩克族少數(shù)民族學(xué)生的認(rèn)知特點，更重要的是要通過交互式模擬環(huán)境將抽象繁瑣的數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換成生動形象的物理圖像，給學(xué)生提供一些常規(guī)實驗和現(xiàn)實世界中難以獲得的感性認(rèn)識，彌補傳統(tǒng)教學(xué)的不足，幫助學(xué)生克服因基礎(chǔ)薄弱所產(chǎn)生的理解困難，并順利完成向理性認(rèn)識的過渡[2]。

夫瑯和費單縫衍射仿真實驗應(yīng)具有很強的人機交互性，波長、縫距等物理參數(shù)的輸入方式要盡可能方便易用，各種光源可借助調(diào)色板進行選擇或切換。所有仿真過程都能做到參數(shù)與現(xiàn)象之間的隨調(diào)隨變、直接響應(yīng)，而不需要再去單擊其他按鈕或工具，就如同在真實儀器上操作一樣。球面光波、平行光波、子波等的傳播過程都要用逼真的動畫進行動態(tài)演示，并能隨參數(shù)的改變而進行連續(xù)的變化；為了便于少數(shù)民族學(xué)生理解和掌握，當(dāng)參數(shù)變化而引發(fā)物理現(xiàn)象的改變時，通過三種文字和用戶所選擇的配音語種進行闡述和說明，一步步提示和引導(dǎo)學(xué)生尋求和掌握其中所蘊含的物理規(guī)律。

3 夫瑯和費單縫衍射仿真實驗的開發(fā)（The

development of Fraunhofer single-slit diffraction

simulation experiments）

任何一個多媒體仿真實驗的開發(fā)都要涉及計算機科學(xué)、教育技術(shù)學(xué)、教育學(xué)、心理學(xué)及所應(yīng)用的學(xué)科，在仿真實驗開發(fā)中所倡導(dǎo)的原則是“學(xué)科教學(xué)規(guī)律的遵從、軟件工程方法的掌控、人機交互思想的滲透、教育技術(shù)理念的融合”[3]。

3.1 實驗?zāi)繕?biāo)的設(shè)定

夫瑯和費單縫衍射仿真實驗要模擬出從點光源發(fā)出的球面光波經(jīng)過凸透鏡折射后變成平行光波，遇到狹縫后又發(fā)射子波，多個子波折射后疊加形成衍射條紋的全過程。條紋的位置和光強完全按照光強分布公式計算得到；當(dāng)調(diào)整相應(yīng)物理參數(shù)時，仿真實驗裝置也做出相應(yīng)的調(diào)整，并直接呈現(xiàn)出該參數(shù)下的衍射條紋，同時用三種文字和配音給出相應(yīng)的物理解釋。仿真實驗要求運行畫面逼真、效果顯著，白光衍射后要形成彩色條紋，運行效果要便于前后對比，方便用戶分析、理解和掌握有關(guān)規(guī)律。

3.2 實驗環(huán)境的搭建

本仿真實驗界面分為上下兩部分，其中界面上方為實驗裝置和光路傳播場景，由圖片框控件PictureBox來做容器，容器內(nèi)用來呈現(xiàn)點光源、球面光波、凸透鏡1、平行光波、狹縫、子波、凸透鏡2和衍射條紋；除了點光源由形狀控件Shape來制作以外，球面光波、凸透鏡1、平行光波、狹縫、子波、凸透鏡2和衍射條紋均由程序用繪圖方法進行動態(tài)繪制。界面下方為配音控制箱、光源控制箱、縫距控制箱和結(jié)論呈現(xiàn)窗口，其中配音控制箱中提供四個單選按鈕控件OptionButton，用來提供維吾爾族、哈薩克族、漢語或無配音的選擇；光源控制箱中提供六個形狀控件Shape，用來切換紅、黃、綠、青、藍五種單色光源和白色（雜色）光源，并在旁邊用標(biāo)簽控件Label呈現(xiàn)各單色光源的波長值；縫距控制箱中提供滾動條控件HScrollBar，用來調(diào)控狹縫的縫距，并用標(biāo)簽控件Label顯示縫距的大小以及相關(guān)的分布規(guī)律公式；結(jié)論呈現(xiàn)窗口中用三個標(biāo)簽控件Label分別呈現(xiàn)三種文字的對應(yīng)結(jié)論或?qū)ΜF(xiàn)象的相關(guān)解釋。

3.3 動態(tài)光波的模擬

實驗中要模擬出球面光波、平行光波和子波的動態(tài)傳播過程，具體做法是：由計時器控件控制波形傳播的節(jié)奏和速度，在設(shè)定的時間間隔內(nèi)依據(jù)光源的顏色在相應(yīng)的位置用繪制圓弧和直線的方式繪制出球面波、平行波和子波這三種形態(tài)的波形；光源不同，波長不同，繪制出的前后兩列波的間距即峰距也不同；因白光中含有多種單色光，故白光的波形用多種單色光所對應(yīng)的波長進行繪制。在下一個計時事件中，清除以前的波形圖，波形向右移動四分之一周期后再分別繪制三種形態(tài)的波形圖，從而形成波形向右傳播的動態(tài)效果。

3.4 條紋光強的控制

衍射條紋要通過繪圖方法進行繪制，繪圖過程中要借用RGB函數(shù)控制顏色和強度。在繪制衍射條紋的分布圖及其強度前，需要按照光強分布公式計算出不同位置的光強值，因RGB函數(shù)中紅、綠、藍三原色的分量值的取值范圍是0—255，故光的強弱要通過對計算出的光強值按256個級別進行數(shù)字化，然后通過控制RGB函數(shù)中的顏色分量值在相應(yīng)位置繪制出一條一條的直線，從而形成衍射條紋。

如果直接按照上述量化后的顏色分量值繪制條紋，光強較弱的條紋幾乎用肉眼看不到，所以在實際繪圖過程中，還需要對不同光強范圍的弱光按照不同量級的指數(shù)形式進行放大，其中包括白光衍射后所形成的彩色條紋，從而形成與真實實驗中相同的條紋效果。

3.5 語音文字的切換

當(dāng)光源的波長或狹縫的縫距這兩個物理參數(shù)發(fā)生變化時，對應(yīng)的衍射條紋的分布情況會發(fā)生相應(yīng)的變化，本仿真實驗中既要用三種文字呈現(xiàn)變化的原因及變化的過程，同時又要用所選定的三種語言中的一種進行配音解說。具體實現(xiàn)方法是將有關(guān)的解說詞錄制成wav格式的配音文件，分別存放在對應(yīng)語種媒體文件夾中，同時也將相應(yīng)語種的解說詞放在該文件夾中；仿真實驗啟動后，根據(jù)用戶的操作所引發(fā)的物理參數(shù)的變化，由程序進行邏輯判斷并找出其中的結(jié)論，然后在結(jié)論呈現(xiàn)窗口呈現(xiàn)相應(yīng)語種的結(jié)論或?qū)ο嚓P(guān)現(xiàn)象的解釋，同時通過有關(guān)媒體播放手段播放相應(yīng)語種的配音文件。

4 運行效果（Running effect）

單色光源下條紋分布隨所選擇的光源及縫距大小的不同而不同，運行效果如圖1所示。

圖1 單色光源下的運行效果

Fig.1 Operating effect of monochromatic light source

白色光源下形成的彩色條紋分布隨縫距大小的不同而不同，運行效果如圖2所示。

圖2 白色光源下的運行效果

Fig.2 Operation effect of white light source

5 結(jié)論（Conclusion）

仿真實驗可以減少實驗的成本，有效提高學(xué)生實驗學(xué)習(xí)的主動性，提高學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣、開闊他們的視野，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新意識和運用媒體技術(shù)的綜合素養(yǎng)，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新能力[4]。本仿真實驗完全按照物理規(guī)律呈現(xiàn)相應(yīng)的現(xiàn)象，并用三種文字和配音給出對應(yīng)現(xiàn)象的物理解釋，實驗交互性好，使用方便，響應(yīng)迅捷，能實現(xiàn)參數(shù)與效果圖之間的隨改隨變，可作為光學(xué)課程中相應(yīng)內(nèi)容有力的教學(xué)輔助工具。

開發(fā)和應(yīng)用多語種仿真實驗是解決少數(shù)民族地區(qū)教育資源不足、教育觀念相對滯后、教育改革進程緩慢等問題的有效手段，也是改善辦學(xué)條件、推進民族教育手段現(xiàn)代化進程、提高少數(shù)民族教育質(zhì)量的重要途徑。希望能有更多的有識之士參與到多語種仿真實驗的開發(fā)和應(yīng)用當(dāng)中，為提高少數(shù)民族教育質(zhì)量，促進教學(xué)手段現(xiàn)代化做出應(yīng)有的貢獻。

參考文獻（References）

[1] 皮連生.教學(xué)設(shè)計——心理學(xué)的理論與技術(shù)[M].北京：高等教

育出版社，2000.

[2] 宋清.大學(xué)物理計算機模擬實驗的MATLAB開發(fā)[J].高等函授

教育（自然科學(xué)版），2005（8）：5-8.

[3] 宋繼華等.對外漢語教學(xué)網(wǎng)絡(luò)課程開發(fā)的理論原則[J].北京師

范大學(xué)學(xué)報（社科版），2004（2）：113-118.

[4] 尹合棟.基于Web3D的中學(xué)物理仿真實驗輔助學(xué)習(xí)系統(tǒng)的設(shè)

計與應(yīng)用[J].電化教育研究，2012（2）：78-83.

作者簡介：

馬致明（1964-），男，碩士，教授.研究領(lǐng)域：計算機教育，軟

件開發(fā).

阿卜杜熱伊木·圖爾蓀（1993-），男，本科生.研究領(lǐng)域：計算

機科學(xué)與技術(shù).

木莎·哈山（1978-），男，本科，一級教師.研究領(lǐng)域：中學(xué)信

息技術(shù)教育.

阿不都卡得·克力木（1991-），男，碩士生.研究領(lǐng)域：軟件

工程.