振动和波教学辅助软件的研究

1、“振动和波”教学辅助软件的研究连平县忠信中学丘文彬（一）课题的提出随着计算机多媒体技术的迅猛发展，计算机辅助教学（cai）也逐渐成为最吸引人的现代化手段，开发高质量的计算机辅 助教学软件即cai课件是充分发挥cai优势的核心。cai的介入，无疑将改变传统物理课堂教学棊本上靠教帅口授、板巧、 演示的局而，但物理学是一门以实验为基础的学科，现在运用动画制作软件对实验过程进行仿真模拟不但可能而11“髙效”， 如何处理演示实验与计算机模拟、传统信息展示与计算机信息展示的关系。是cai课件制作和使用中不容回避的问题。随着学校破件的改善，计算机辅助教学不再是空想，现在摆在我们教师面前的问题是软件的缺乏。整

2、个中学阶段的物理 教学辅助软件是个庞人的工程，一个人是无法短期内完成这些t作的，因而我选择了振动和波作为研究教学辅助软件的起步。（二）软件的设计原则和思路作为辅助教学的软件，人们提出了可替代性原则，以防设计的软件只是实验的重复或挂图的复制。那么究竟怎样才 能设计出一套较好的软件呢？我觉得软件设计应从小处着手，对于一个业余研制软件的普通教师來说，很难冇大量的时间和高深的计算机知识， 我们只能是边学边干，从问题入手，设计出一些实用的软件。下面谈谈我设计振动和波辅助教学软件的思路。1 寻找问题把我们在教学过程屮常使用的实验、挂图、书写等教学方法解决不了或解决得不太好的问题一一罗列出来。2分析问题，找

3、出关键所在比如对振动图像的理解，学生比较难以建立振动物体与其振动图像的联系。这种联系是不可缺少的，这里关键就是 振动物体与振动图像的联系。3针对问题的关键，采取合理的手段，解决问题计算机是有强人的功能，它能变静态为动态，变抽象为肓观，让快的变慢或慢的变快,使时间暂停，使空间缩小、变 大，扭illi转向。它具有各种声音、符号、图像语言，只要我们从中找出合适的方法,就一定能解决问题。（三）软件的设计根据对振动和波这一章教材的要求，结合白己的教学经验，我发现如下7个问题，下面谈谈针对这些问题设计的软件。1. 要理解振动图像的物理意义，即弄清振动图像屮如何反映振动的规律，必须了解振动图像和物体振动的联

4、系,实验屮我们用漏沙摆振动时在一块匀速平动的平板上留下的沙迹来显示振动图像。 但是此实验屮图像形成过程学牛不能直接看见，且做好的沙图不能竖直起來讣学 生观察。为了动态直观地反映振动物体与其振动图像的联系，我设计一个软件， 在屏幕的左边模拟一弹簧振子可在竖直方向振动，右边有一肓角坐标系，其纵 轴表示振子相对于平衡位宜的位移，横轴衣示时间，且时间轴开始很短振动，随弹赞振子开始振动，吋间轴在伸长，并同时在朋标平而上记录下当吋振子的位移，这样可动态地看到振动图像的形成图二过程。（见图一）2. 为了说明波的产生，一般川绳了、弹簧等作为介质做 波的产生实验，在这些实验的基础上我做了一个用计算机模 拟实验的

5、程序。一个弹簧振了在振动，在离弹簧振了一定距 离的某一质点b,如果它们之间没有弹性介质，振子的振动是不会传递到质点b的,现在把振子与质点b用一弹性介质连接起来，弹赞振子再次振动，它就可以通过连接的弹性介质逐渐传递到 质点b,并使质点b振动起來。这一模拟实验说明振动可以通过弹性介质传递出去，而振动在4 y介质屮传播就形成了波。由于它肓观形象，可使同学们进一步加深波的产生是振动奋介质屮传.递的印象。（见图二）振动由振源a向质点b传递。4>3. 在波的产生这一节屮，要分析介质中各质点的运动情况。 . x通常是在实验的基础上用挂图进一步说明。但由于挂图是死的，图三要同学理解介质中各质点的运动就比

6、较困难。利川计算机可变运动为静止，变静止为运动，变快为慢和变慢为快的能力， 我设计了一个程序，模拟传播机械波的介质屮各质点的运动情况，并在波的传递过程屮同时显示出振动传递的时间和每 个质点相对平衡位置的位移，这个程序可随时暂停波的传递过程，便于我们讲解振动是怎样通过质点带动临近另一个质 点由近向远传递出去。程序很好地把实验屮质点的动与挂图屮质点的静结合起来，既形象又方便讲解。（见图三）它显 示出从第一质点开始振动后经1个周期，振动已传递到第9个质点。4. 波图像的理解是这章的又一个难点，它实际上又是一个动静结合的问题，我设计的软件,让波从左向右传递，当振 源开始振动逐渐把振动传递出去时，只要按

7、暂停按扭即可固定这一时刻的图像，再加上肓介坐标系就形成了这一时刻的波 的图像，如果按继续按扭乂可以让波的传递继续下去，这样学住很容易理解波的图像是随时间而变化的。5. 波的衍射是波的重要特性，实验屮我们用水波来实现衍射现象，但这个实验做起来很不容易，由于水波的连续变 化较快等多种因索的干扰，学牛难以看到清晰的衍射图样。用计算机辅助教学，模拟波的衍射十分合适。我设计的软件 是川不同的颜色來表示水波的波峰和波谷，它能显示出理想化的水波衍射图样。在模拟波的衍射现彖时，还町以改变障 碍物或小孔的人小，使同学很容易了解波发生衍射的条件。6. 我们常用挂图说明波的叠加过程，但因为其为静态的图形，能农现的只

8、是相遇处同一质点位移等于两列波各白在 那一点引起振动位移的矢量和，很难表现两列波和遇时它们并不改变方向，只是相互穿过而沿原方向继续前进现象。我 设计的程序能很清楚地表现出这一过程，我川不同的颜色画出一向右的入射波及具遇到挡板后向左的反射波相遇叠加情况，相遇时叠加的波川另一种颜色表示，月屮j以改变入射波的频率、振幅、初相位挡板 的位置，得到不同的叠加情况进行比较。由于表现的是波的动态叠加过程，所以很形 象直观，只要在波的叠加过程中按何停键（空格键）即可固泄这一时刻的波的叠加图像，教师加以讲解，学牛:便能容易掌握波这 特性。如來再按继续键（s键）乂可让波的传递继续下去。（见图四）为两列波叠加时的图

9、像7. 波的干涉又是波的另一重要特性，实验室中我们用水波来实现干涉现彖，但这个实验做起来很不容易，且用发波水 槽做实验，水波的连续变化较快，学生得到的感性认识只能是模糊不清晰的。由于感性认识模糊，从波的叠加到波的干 涉，理性抽象难度较大，学生对波的干涉现象的认识是不很准0确、不深刻的。问题的关键是怎样让学生领会：“振动 加强”和“振动减弱”、“冇些区域振动始终加强”、“冇些区域振动始终减弱”、“振动加强区域和振动减弱的区域 互相间隔，形成稳定的t涉现象”。为了优化课堂教学效呆，笔者利用计算机辅助教学，模拟水波的干涉实验现象，做 到先动后静，动静结合，即两列波长相等，振幅也相等的波传播相遇时出现

10、了稳定的波的干涉现彖。两种不同颜色的线 条分别表示两列波的波峰、波谷，加强区域打色带，这样振动加强区域与减弱相互间隔就被区分得很清楚。学生更可 深刻理解波的干涉现象及其感性认识，从而达到理想的教学效果。（四）软件的制作1 利用3d max制作数字电影制：（1）单击objects标签栏，选择螺旋体工具helix后再将鼠标移到透视图中央，按住鼠标左键不放拉出一个圆， 松开鼠标左键，向上、左右移动鼠标，单击鼠标左键定义螺旋体的高度、直径，生成一条弹簧。此时右侧命令面板中显 示有当前弹簧高、肓径、圈数的数值，分别在height. diameter. turns中输入60、30、6调整弹簧形状。（2）单

11、击“main toolbar"标签栏，选择工具栏中的旋转按钮将弹簧旋转180度。打开动価控制按钮，确定帧滑 动杆处于第一帧的位置,此时弹簧的高为60,将滑动杆移到第40、80、120、160帧时分别在height框输入30、60、90、 60o单击动画控制按钮关闭它。（3）单击工具栏中的track view （轨迹视窗）按钮，在track view的层级列表中单击objects项fi旁边的卜图标 将出现“弹簧”对象，进一步单击该对象旁边的图标。单击轨迹视窗窗i上方的功能曲线按钮，在弹出para curve out-of-range types对话框屮单击cyc lo方式，然后单击ok

12、按钮，此时弹簧更可做简谐振动。（4）用以上类似方法再制作圆柱体（连杆）、小球（振了），再单击工具栏屮的select and link（连接且选择）按钮，将弹簧、连杆振子连接起來。（5）单击菜单栏中的rendering（渲染）'render命令，弹出渲染设置对话框。在time output （输出时间）栏单击activetime se gment 0 to 160;在output size（输出大小）栏中单击320*240;在render output栏中单击files按钮，在弹出的选择对话框屮输入要保存的文件名，比如说:c:3dsmax1mages目录下的qwbl. avi （或qwb

13、l. flc）。单击render按钮进行演 authorware中儿个主要部件的制作过程。染。至此以ewi或flc为扩展名的数字电影制作完成。对于本课件屮的具它数字电影可采川以上类似的方法制作。3. authorware 制作课程演示tsl欢迎组在authorware中，课件设计结构布局分三大组类：欢迎组、课程演示和退出组。（见图五）下 而简单谈谈/ ooooo oooo 由由由由由由血由血w退岀组图五象生况象加射涉 图产悟0叠衍干 出动的动的的的的习 退振波运®ii（1）用鼠标拖动二个群组图标和一个交互图标到设计窗口的流程线上，再拖8个群组图标曳到交互图标的右而，创 建按钮响应。给

14、它们依次命名为欢迎组、课程演示、退出、振动图像、波的产生、运动情况、波的图像、波的叠加、波 的衍射、波的干涉、练习、退出组。（如图五所示）（2）设置“欢迎组”第二级中的图标。双击打开群组图标，用鼠标分别拖动计算、显示、数字电影、声音、等待、 擦除等图标到第二级设计窗口。在计算、显示、数字电影、声音、等待、擦除等图标中输入木课件需要的内容。例如：1 ）双击打开计算图标对话框，输入resizewindow（800, 600）定义窗口大小。2 ）先双击数字电影图标，打开其对话框，单击对话框中的tmport按钮，打开加载数字电影文件的tmport which file 对话框，从中选择要加载数字电影文

15、件的类型和文件，如qwbl. avio再设置数字电影图标的属性，单击timing选项，打开 timing设置框。在concurrency框中选择concurcnt （同时性），在play框中选择fixed number of times （固定播放次数）, 播放次数设为1，在rate（播放速度）输入30； movie和layout设置框中的选项按照系统的默认值进行设置。单击ok按 钮退出数字电影属性设置对话框。（3）设置退出、振动图像、波的产生、运动情况、波的图像、波的叠加、波的衍射、波的干涉、练习、退出组第二 级中的图标方法类似第步。振动和波的这一教学软件我采用/ authorwarcb.o, 3d max等程序设计语言开发的，因为这儿种软件比较容易学习， 且可视化程度高,交互能力强，对我们这样的业余编者较合适。（五）几点体会1. 多媒体辅助物理教学的效果，己为很多教师叹服，棊木形成共识。它的动态模拟的特长，尤其能辅助教学，优化 效果。它有利于学生对物理现象、物理过程的观察、分析、理解和思考，启利于培养和发展学生的观察能力，形象思维 能力与透过现象抓本质的抽象思维能力。2. 多媒体技术虽然能模拟各种实验，“展示”各种物理现象,但毕竟是模拟，缺乏真实性。物理教学必须从分析现象 看手，丿ij物理实验作为主要媒体展示教学，决不能抛开物理实验，用多媒体模拟取代真实的实验