談計算機(jī)在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

李勇（湖南人文科技學(xué)院，湖南 婁底　417000）

談計算機(jī)在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

李勇
（湖南人文科技學(xué)院，湖南 婁底417000）

本文將會具體分析計算機(jī)技術(shù)在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用，計算機(jī)技術(shù)在物理實(shí)驗(yàn)中有著很多重要的應(yīng)用，并且能夠解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中難以解決的問題。本文將會從計算機(jī)技術(shù)在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中包括仿真物理實(shí)驗(yàn)，多媒體實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)后的數(shù)據(jù)處理等幾個方面的應(yīng)用進(jìn)行探討，進(jìn)一步分析計算機(jī)在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的重要性。

物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)；多媒體教學(xué)；仿真物理實(shí)驗(yàn)；多媒體實(shí)驗(yàn)

當(dāng)前，計算機(jī)在高等教育中應(yīng)用范圍越來越廣，從最基本的課件展示、多媒體教學(xué)動畫的制作，再到基于計算機(jī)軟硬件平臺搭建的物理仿真實(shí)驗(yàn)等等，其在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用也越來越受到重視。目前，對于計算機(jī)在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的研究文獻(xiàn)較多，本文將結(jié)合相關(guān)的文獻(xiàn)資料以及自身的教學(xué)實(shí)踐，對計算機(jī)在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行研究。

一、多媒體教學(xué)

多媒體教學(xué)已經(jīng)成為現(xiàn)代化教學(xué)中的重要形式，多媒體教學(xué)能夠改變傳統(tǒng)課堂的枯燥乏味，其能夠以生動的圖像、視頻、動畫、聲音等多種手段進(jìn)行情景的創(chuàng)設(shè)，進(jìn)一步提升教學(xué)內(nèi)容的生動性、直觀性，并且能夠充分的調(diào)動學(xué)生的積極性，促進(jìn)教學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

（一）演示靜態(tài)內(nèi)容，充分調(diào)動學(xué)生感官。

利用多媒體技術(shù)，可以在投影儀屏幕上將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容按照一定的結(jié)構(gòu)、順序，用文字和圖像等形式對實(shí)驗(yàn)過程、實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行直觀、生動的展現(xiàn)，從而充分的調(diào)動學(xué)生的感官，讓學(xué)生能夠在直觀的環(huán)境中掌握知識，培養(yǎng)學(xué)生的觀察力、想象力。

利用多媒體技術(shù)，還能夠?qū)σ恍?fù)雜的實(shí)驗(yàn)過程以及實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行分解，如通過對實(shí)驗(yàn)儀器的圖像、視頻展示，可以讓學(xué)生對實(shí)驗(yàn)中常用的儀器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和使用原理有一定的了解。例如在“邁克爾遜干涉儀的調(diào)整與使用”這個實(shí)驗(yàn)，由于實(shí)驗(yàn)儀器不足以及其他因素的限制，就可以借助于攝像機(jī)和計算機(jī)相結(jié)合的方式，以視頻的方式對邁克爾遜干涉儀的結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行展示，并且演示每個調(diào)節(jié)部件的調(diào)節(jié)方法、注意事項(xiàng)及讀數(shù)，從而讓學(xué)生掌握邁克爾遜干涉儀的用途及使用方法。

（二）演示動態(tài)變化過程，使抽象的過程形象化。

我們知道，一些物理規(guī)律以及物理概念都需要通過相關(guān)的物理實(shí)驗(yàn)過程才能夠更為直觀的發(fā)現(xiàn)，而物理實(shí)驗(yàn)雖然可以用實(shí)物儀器去做，但有些物理過程極快，現(xiàn)象極為微小，促使學(xué)生不能夠在短時間內(nèi)發(fā)現(xiàn)其中的物理知識。以“彈性碰撞”演示實(shí)驗(yàn)為例，物體的碰撞過程在一個極短的實(shí)踐內(nèi)就會完成，在進(jìn)行該實(shí)驗(yàn)時學(xué)生也僅僅能夠看到物體碰撞前后的情況。由于碰撞過程過于短暫，學(xué)生就無法觀察到物體碰撞過程中所發(fā)生的物理現(xiàn)象，但是通過多媒體延時技術(shù)，采用定格慢放的方式，就能夠直觀的演示出碰撞物體從接觸、擠壓、變形、產(chǎn)生彈力，然后變形消失，彈力變小，恢復(fù)原狀，到兩個物體分開的全部過程。整個過程直觀生動，有助于物理本質(zhì)的發(fā)現(xiàn)。

（三）再現(xiàn)微觀世界，提供形象感知。

對于物理學(xué)中一些微觀的物理現(xiàn)象以及微觀結(jié)構(gòu)，很多物理實(shí)驗(yàn)過程也是難以展現(xiàn)。傳統(tǒng)教學(xué)中，僅能靠教師板書和語言的將手，由于物理知識的抽象性和酷造型，教師講完后往往不能夠給學(xué)生留下比較深刻的印象，并且不能夠完全理解教師所講授的內(nèi)容。應(yīng)用多媒體技術(shù)進(jìn)行配合教學(xué)，就能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)中的不足。如在“粒子散射”的實(shí)驗(yàn)中，受到條件的限制，可能在學(xué)校實(shí)驗(yàn)室無法完成這種實(shí)驗(yàn)，此時就可以利用多媒體技術(shù)對粒子散射的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象顯示出來。學(xué)生可以通過觀察多媒體演示過程、發(fā)現(xiàn)放射源射出

的粒子射到金箔原子上，絕大多數(shù)粒子沿原方向前進(jìn)，少數(shù)粒子發(fā)生較大偏轉(zhuǎn)，極個別的粒子甚至被彈回來。這樣，即便不能夠真實(shí)的完成“粒子散射”的實(shí)驗(yàn)過程，但學(xué)生同樣可以通過多媒體親眼目睹粒子散射的過程，提升學(xué)生感性認(rèn)識、加強(qiáng)學(xué)生對一些微觀物理原理的理解，提升學(xué)生能力。

二、仿真物理實(shí)驗(yàn)

仿真物理實(shí)驗(yàn)。是利用計算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理、運(yùn)算能力，基于物理理論模型對實(shí)際系統(tǒng)復(fù)現(xiàn)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，而得到相關(guān)數(shù)據(jù)和結(jié)果，最終驗(yàn)證物理理論模型的正確性。

計算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)并不能代替學(xué)生進(jìn)行真實(shí)的物理實(shí)驗(yàn)，但在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，由于學(xué)校實(shí)驗(yàn)器材復(fù)雜、精密、昂貴等因素的限制，促使教學(xué)在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)時，不能允許學(xué)生對實(shí)驗(yàn)參數(shù)自行設(shè)計，也不能隨便的對儀器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整。這樣的實(shí)驗(yàn)過程，不能夠讓學(xué)生深刻的剖析儀器的性能以及結(jié)構(gòu)，也不利于學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中對物理規(guī)律的發(fā)現(xiàn)。計算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)，可以在一定程度上彌補(bǔ)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中這方面的不足。

仿真物理實(shí)驗(yàn)，不僅可以改變原有的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的枯燥的教學(xué)方式，而且學(xué)生能夠在模擬仿真物理實(shí)驗(yàn)中對一些物理實(shí)驗(yàn)過程中參數(shù)進(jìn)行自主設(shè)計，讓仿真實(shí)驗(yàn)過程變得更有趣，學(xué)生也可以通過反復(fù)或者以不同的方法進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)，模擬實(shí)際中很難實(shí)現(xiàn)或無法實(shí)現(xiàn)的操作環(huán)境，完成實(shí)際中無法實(shí)現(xiàn)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，從而發(fā)現(xiàn)并深刻了解其中所蘊(yùn)含的物理學(xué)知識。在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，我們常用的軟件——《大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)》軟件，其中基本涵蓋了我們所能夠開設(shè)的所有條件，這其中也包括我們在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中沒有開設(shè)或者無法開設(shè)的實(shí)驗(yàn)。

三、多媒體實(shí)驗(yàn)

相對于實(shí)際的實(shí)驗(yàn)過程來說，仿真實(shí)驗(yàn)具有成本低、功能全、效率高等諸多優(yōu)點(diǎn)，但是它并不能代替實(shí)物實(shí)驗(yàn)。我們可以將利用計算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)利用含有仿真效果的實(shí)物實(shí)驗(yàn)或者說含有實(shí)物的仿真實(shí)驗(yàn)稱之為多媒體實(shí)驗(yàn)。利用計算機(jī)來進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集分析，所有測量儀器主要功能可由“數(shù)據(jù)采集”、“數(shù)據(jù)分析”和“結(jié)果輸出”等三部分組成，采用物理實(shí)驗(yàn)中所必備的硬件系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，在利用基于計算機(jī)軟件系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)的分析和結(jié)果輸出。這種多媒體實(shí)驗(yàn)，可以實(shí)現(xiàn)利用同樣的硬件系統(tǒng)，通過計算機(jī)不同的軟件實(shí)現(xiàn)功能完全不同的測量，由于計算機(jī)系統(tǒng)的方便性、高效率，已經(jīng)有很多物理實(shí)驗(yàn)中開始利用計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析，最終輸出結(jié)果。例如，在“高溫超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度測量實(shí)驗(yàn)”中，為獲得高溫超導(dǎo)轉(zhuǎn)變曲線，可以將高溫超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度測試儀主機(jī)與計算機(jī)相連，在利用配套的專用軟件對超導(dǎo)轉(zhuǎn)變曲線進(jìn)行記錄。在計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣過程中，我們也可以利用不同顏色對降溫和升溫曲線進(jìn)行明顯區(qū)分。計算機(jī)記錄采樣完畢后，利用鼠標(biāo)選取曲線任一點(diǎn)，就可以觀察出某一點(diǎn)的坐標(biāo)值，不需要再另外查表獲得數(shù)值。這種方式可以大大的提高物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率，并且能夠讓學(xué)生直觀的了解抽象的物理學(xué)知識。

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