計算機在物理實驗教學(xué)中的應(yīng)用論文
[摘要]本文分析了計算機在物理實驗教學(xué)中的應(yīng)用，其應(yīng)用主要包括：多媒體教學(xué)，仿真物理實驗，多媒體實驗，實驗后的數(shù)據(jù)處理等幾個方面。由于計算機可以幫助解決傳統(tǒng)實驗中難以解決的問題，因此受到越來越多的歡迎。
[關(guān)鍵詞]物理實驗教學(xué) 多媒體教學(xué) 仿真物理實驗 多媒體實驗
目前，計算機在高等教育中發(fā)揮著越來越重要的作用，其在物理實驗教學(xué)中的應(yīng)用也越來越受到重視。筆者查閱了大量的文獻(xiàn)資料，并結(jié)合自己的教學(xué)實踐，對計算機在物理實驗教學(xué)中的應(yīng)用進行了研究。計算機在物理實驗教學(xué)中的應(yīng)用大體可分為以下幾個方面。
一、多媒體教學(xué)
多媒體教學(xué)作為現(xiàn)代化教學(xué)的重要形式，以其獨特的優(yōu)勢受到越來越多的歡迎，它以生動的圖象、視頻、動畫、聲音等手段創(chuàng)設(shè)情境，變靜為動，變抽象為直觀，調(diào)動了學(xué)生的積極性，豐富了課堂教學(xué)內(nèi)容，提高了教學(xué)效果。
1.演示靜態(tài)內(nèi)容，充分調(diào)動學(xué)生感官
利用多媒體，可以將實驗內(nèi)容按一定的結(jié)構(gòu)，用文字圖像等形式呈現(xiàn)在投影屏幕上，把學(xué)生的眼、耳、腦等器官充分調(diào)動起來，使學(xué)生在直觀的環(huán)境中牢固地掌握知識，培養(yǎng)學(xué)生的觀察力、想象力。同時，利用多媒體還可以“解剖”復(fù)雜的實驗儀器，讓學(xué)生了解儀器的組成、結(jié)構(gòu)特點和使用原理，使學(xué)生對常見儀器的使用有深刻的了解。例如“邁克爾遜干涉儀的調(diào)整與使用”這個實驗中，我們可以用攝像機與計算機相結(jié)合的方法，以錄像形式清楚地介紹邁克爾遜干涉儀的具體構(gòu)造，逐個展示儀器的各個部件，演示每個調(diào)節(jié)部件的調(diào)節(jié)方法、注意事項及讀數(shù)方法。
2.演示動態(tài)變化過程，使抽象的過程形象化
許多物理實驗雖然可以用實物儀器做，但物理過程速度極快，現(xiàn)象極為微小，學(xué)生無法觀察其中的奧妙所在。以“彈性碰撞”演示實驗為例，碰撞是一個在極短時間內(nèi)完成的物理過程，實驗中學(xué)生只能看到碰撞前后的情況，碰撞過程學(xué)生難以認(rèn)識。運用多媒體技術(shù)可以延長碰撞過程的時間，通過多媒體的定格慢放，可以清晰地觀察彈性碰撞的物體從接觸、擠壓、變形、產(chǎn)生彈力，然后變形逐漸消失，彈性逐漸減少，最后恢復(fù)原狀，到兩物體分離的整個過程。整個過程既形象生動，又能揭示物理的本質(zhì)。
3.再現(xiàn)微觀世界，提供形象感知
許多微觀結(jié)構(gòu)和微觀現(xiàn)象無法觀察，演示實驗也難以完成。傳統(tǒng)教學(xué)中只能靠教師板書和語言進行講授，學(xué)生普遍感到印象不深，難以理解。應(yīng)用多媒體技術(shù)配合教學(xué)，可以起到良好的效果。例如“粒子散射”實驗，由于受條件限制做不了這種實驗，就可以將粒子散射的實驗現(xiàn)象通過多媒體技術(shù)顯示出來。學(xué)生可以觀察到放射源中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，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。這樣學(xué)生在實驗條件不具備的情況下仍可通過多媒體親眼目睹粒子散射的情景，增強感性認(rèn)識，加深理解，提高學(xué)習(xí)能力。
二、仿真物理實驗
仿真物理實驗，是利用計算機強大的數(shù)據(jù)處理能力，通過理論模型復(fù)現(xiàn)實際的系統(tǒng)進行模擬實驗，得到相關(guān)的數(shù)據(jù)和結(jié)果，驗證理論模型的正確性。
計算機仿真實驗并不能代替學(xué)生做真實的實驗。然而，目前在物理實驗教學(xué)中，由于實驗儀器復(fù)雜、精密和昂貴，往往不能允許學(xué)生自行設(shè)計實驗參數(shù)、反復(fù)調(diào)整儀器，這對學(xué)生剖析儀器性能和結(jié)構(gòu)、理解實驗的設(shè)計思想和方法是很不利的。計算機仿真實驗可在相當(dāng)程度上彌補實驗教學(xué)上這方面的缺憾。
仿真物理實驗，可以改變傳統(tǒng)實驗中枯燥的教學(xué)方式，使教學(xué)更形象、生動；可以節(jié)約教學(xué)成本，不斷更新、優(yōu)化教學(xué)資源；可以讓學(xué)生模擬操作訓(xùn)練，通過人機交互過程獲得操作技能；可以模擬實際中很難實現(xiàn)或無法實現(xiàn)的操作環(huán)境，完成實際中無法實現(xiàn)進行的實驗項目。
我們正在使用的《大學(xué)物理仿真實驗》軟件，基本上涵蓋了我們開設(shè)的所有實驗。除此之外，還包含一些我們沒有開設(shè)或者無法開設(shè)的實驗，可以讓學(xué)生在計算機上進行模擬實驗操作。其中的真空實驗，可以很好地表現(xiàn)仿真實驗與實際操作相比的'優(yōu)越性。因為真空系統(tǒng)容易因錯誤操作而造成事故，學(xué)生做真空實驗時老師總是把實驗步驟講得很清楚，不允許學(xué)生隨便操作，這樣不但限制了學(xué)生的主動性、積極性，而且不能使他們從錯誤中吸取教訓(xùn)，難以深刻掌握真空實驗的精髓。使用仿真實驗軟件可以很好地解決這個問題，它允許學(xué)生犯各種各樣的錯誤，學(xué)生通過模擬訓(xùn)練，可以充分認(rèn)識真空系統(tǒng)的各個部件，明白各個操作步驟為什么要這樣做以及不這樣做的危害性, 從而真正掌握實驗的精髓。
三、多媒體實驗
仿真實驗具有功能全、成本低、效率高等諸多優(yōu)越性能，但它畢竟不能完全替代實物實驗。因此出現(xiàn)了一種含有仿真效果的實物實驗或者說是含有實物的仿真實驗，可稱其為多媒體實驗。利用計算機替代采集測試分析儀器，所有的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”等三大部分組成，用一定的硬件系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)采集，用基于計算機的軟件系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)分析和結(jié)果輸出。這樣可以使用相同的硬件系統(tǒng)，通過不同的軟件實現(xiàn)功能完全不同的各種測量。目前，越來越多的實驗開始利用計算機來進行數(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)變溫度測量實驗”中，將高溫超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度測定儀主機與計算機連接起來，使用配套的專用軟件可實時記錄樣品的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變曲線。對于記錄下的曲線，可以進行存盤、打印等操作，也可刪除及重新開始記錄，在計算機采樣的時候，我們可以通過選擇不同的顏色來區(qū)分降溫和升溫的曲線；在計算機記錄完畢后，可以通過鼠標(biāo)的點擊來顯示曲線上每一點的坐標(biāo)值，橫坐標(biāo)的溫度值可直接顯示對應(yīng)的溫度，不需要查表。這樣可以利用計算機物理量轉(zhuǎn)換快速、存儲方便、計時準(zhǔn)確等優(yōu)點，省時、省力、直觀地記錄超導(dǎo)轉(zhuǎn)變的全過程。
四、實驗后的數(shù)據(jù)處理
做完實驗后，通常需要對直接測得的實驗結(jié)果進行數(shù)據(jù)處理，處理過程可以使用計算機，包括利用Matlab、Origin等數(shù)據(jù)處理軟件或者利用計算機高級語言編寫程序等。
Matlab軟件是一套高性能的數(shù)值計算和可視化軟件，它集數(shù)值分析、矩陣運算、信號處理和圖形顯示于一體，因此可用于物理實驗后的數(shù)據(jù)處理。與其他的計算機高級語言相比，具有十分明顯的優(yōu)點：
(1)操作和使用方法非常簡單。
(2)豐富的內(nèi)部函數(shù)能夠解決許多基本運算。
(3)強大的圖形功能可以用圖形的方式表達(dá)計算結(jié)果，編程直觀簡潔。
Origin軟件不僅包括計算、統(tǒng)計、直線和曲線擬合等各種完善的數(shù)據(jù)分析功能，而且提供了幾十種二維和三維繪圖模板，它采用直觀的、圖形化的、面向?qū)ο蟮拇翱诓藛魏凸ぞ邫诓僮�。用Origin 處理物理實驗數(shù)據(jù)，不用編程，只要輸入測量數(shù)據(jù)，然后再選擇相應(yīng)的菜單命令，點擊相應(yīng)的工具按鈕即可。
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