对大学物理改革的思考：用电脑模拟实验过程

1、 编号编号 学学士士学学位位论论文文对大学物理改革的思考：用电脑对大学物理改革的思考：用电脑模拟实验过程模拟实验过程学生姓名： 刘成 学 号： 20100202012 系 部： 物理系 专 业： 物理学 年 级： 2010 级 指导教师： 祁国春 完成日期： 2014 年 4 月 30 日 学学 士士 学学 位位 论论 文文 BACHELOR S THESIS中文摘要物理学是以实验为基础的学科，但由于实验条件的限制、或者因为某些实验本身的复杂性，往往会影响学生对物理现象的准确感知与把握。随着信息技术的飞速发展，以计算机技术和网络技术为核心的现代多媒体技术已开始在教育领域中广泛应用，引发了一场从

2、教育观念、教育内容、教育力法、教育手段到教育模式、教育过程等的全力位的深刻变革。本文对大学物理实验过程用电脑模拟的可行性做出分析和讨论。关键词：关键词：物理教学；物理实验；电脑模拟On the reform of university physics experiment with computer simulation of the processAbstract Physics is a subject based on experiment, but due to the limitation of experimental conditions, or because the comp

3、lexity of some experiment itself,often with students grasp the effect of accurate perception of physical phenomena. With the rapid development of information technology, modern multimedia technology with computer technology and network technology as the core have been widely applied in the field of

4、education, has caused the deep changes to a field from the education concept, education content, education method, education means and education mode, education process. This paper makes analysis and Discussion on the feasibility of university physics experiment with computer simulation .Key words：P

5、hysics Teaching；Physics experiment；Computer simulation 学学 士士 学学 位位 论论 文文 BACHELOR S THESIS 目录中文摘要.IABSTRACT.I引言.11.多媒体技术的发展和物理改革的方向.11.1 多媒体的发展对物理教学的影响.11.2 多媒体与物理教学的结合.22.电脑模拟的基本特点.22.1 电脑模拟的特点.22.2 电脑模拟的优点.33. 电脑模拟实验过程举例.33.1 平抛运动的演示.33.2 楞次定律的演示.33.3 牛顿第二定律的演示.44. 电脑模拟实验的良好效果.44.1 电脑模拟对大学物理实验教学的辅

6、助.44.2 电脑模拟系统认错性的优点.55. 对电脑模拟物理实验过程的思考.55.1 电脑模拟实验过程的局限性.55.2 电脑模拟实验过程对师生教学模式的影响.55.3 电脑模式实验无法让学生真实的体验实验过程.65.4 应多采用传统实验和电脑模拟实验相结合.66.在教学和实验演示之余，也要重视物理学史的引入.67.结语.7参考文献.7 学学 士士 学学 位位 论论 文文 BACHELOR S THESIS致谢.10 学学 士士 学学 位位 论论 文文 BACHELOR S THESIS0引言物理学是现代工业的基础，是高新技术的先导，是人类文明的根基，同时也是一门培养和提高学生科学素质、科学

7、思维方法和科学研究能力的最重要的基础课2。它的基本理论渗透在自然科学的各个领域。物理学的这种基础性，使大学物理成为高等院校各理工科专业重要的必修基础课程。经过多年的教学实践和探索，该课程已形成了较为完整的体系，它在培养学生辩证唯物主义世界观和学习能力、观察能力、实验动手能力、思维能力、创新能力等方面起着十分重要的作用，为社会各界培养着大量的人才。物理是以实验为基础的学科，由于实验条件的限制，或者因为某些实验本身的复杂性，往往会影响学生对物理现象的准确感知与把握1。譬如，一些不可为实验，危害性实验，过程性实验，原理性实验等。由于必要的直观演示不足，所以这些抽象的物理概念、物理规律未经感性认识阶段

8、而直接上升为抽象的理论，使得抽象思维较弱的学生难以接受与认知，从而造成了大学物理难学的被动局面。应用现代多媒体技术构建物理模型，就可以化抽象为具体。在物理教学中，一些物理现象，物理过程，物理概念和规律本身就比较抽象，教师难以用单纯的讲授、实验等传统方法向学生讲解清楚4。如果适当的用现代多媒体构建物理模型，虚拟实验过程，可以使抽象问题形象化，高速运动低速化，动态问题静态化，分散问题集中化以及宏观与微观的相互转化，使得学生难以理解的物理知识以图画、声音等易于学生感知的形式显现出来，方便学生对物理问题的理解。1.多媒体技术的发展和物理改革的方向随着科技的飞速发展，多媒体技术已经是每个学生都基本能掌握

9、的基本知识了，而物理也可以利用多媒体来在教学和实验中提供便利和改革。 1.1 多媒体的发展对物理教学的影响在多媒体技术越来越成熟的今天，多媒体教学已经普遍的进入课堂。当然， 学学 士士 学学 位位 论论 文文 BACHELOR S THESIS1在信息的新课程教学当中，如果仍然按照传统的实验教学模式“目的原理器材步骤操作记录处理数据” ，学生在实验前就知道结论，很少自己提出假设、设计实验探索实验规律活得成功的机会，实验也会失去它独有的魅力，如果配合多媒体课件、或者就用课件来代替实验实验往往效果来的更好。因此在现有的情况下，不是简单的简化实验甚至放弃实验，而是应对实验教学进行创新：创新实验教学方

10、法、创新实验内容、创新综合性实验探究、创新实际和电脑模拟实验过程 1.2 多媒体与物理教学的结合众所周知，计算机除了具各高速精确的运算功能外，还具各高度的图形处理功能。凭借这两个显著优点，计算机技术应用于物理实验教学，可将原本复杂或隐晦的物理过程转换为有序的、可控的演化过程，清晰地呈现在学生而前，弥补学生直观感觉的不足，减少其抽象思维的难度，大大改善了教学效果。用电脑多媒体模拟实验过程，能够冲破时间和空间的限制，把抽象的问题形象化，把顺便过程随意延长或者缩短，也可以把复杂的过程一步步分解成简单明了的过程。一些难以用语言表达清楚的实验，用动画或者图片就可以很直观的呈现给学生。例如驻波的形成，单缝

11、衍射和双缝干涉等内容，都是学生较难想象和理解的内容。利用电脑多媒体模拟实验过程和结果，可以用动画把这些概念展现在学生面前，是学生理解起来容易的多，极大的提高了学习物理的兴趣。2.电脑模拟的基本特点电脑模拟，即利用模型来研究一个系统的行为特征，在物理教学中，可以用来模拟实验环境，以此代替或加强传统的实验手段。 2.1 电脑模拟的特点由于电脑模拟不受空间限制，可由宏观到微观，不受时间限制，可将瞬间过程延缓，可将长时过程缩短3。电脑模拟可将抽象内容具体化，又可从具体 学学 士士 学学 位位 论论 文文 BACHELOR S THESIS2现象抽象出其本质特征；可将动态变成静态，利于观察，又可将静态变

12、成动态，利于理解。如微观及天体等一些学生难以建立相应的物理表象的现象，我们通过电脑模型化模拟，为学生提供感性认识同时通过学生自身的操作可以调动学生主动参与实验的热情，进而更加增强了学生学习的积极性，激发他们的学习兴趣。 2.2 电脑模拟的优点电脑模拟的上述特点，是其它辅助教学手段不可比拟的，因而具有广阔的发展前景。它可以突破空间界限模拟，突破时间界限模拟，实验动、静结合模拟，实现抽象与具体相互转化模拟6。3.电脑模拟实验过程举例 3.1 平抛运动的演示在研究平抛运动的规律时，用平抛仪做实验，学生通过观察只能确定平抛运动在竖直方向的分运动（自由落体运动） ，但在水平方向的分运动（匀速直线运动）从

13、实验中就很难观察出来，过去我们只能用牛顿运动定律从理论上进行分析推理，这样学生觉得比较抽象，理解难度大。而采用电脑模拟图示后就直观多了，我们用电脑动画设计 3 个不同颜色的小球同时运动，一个做自由落体运动，一个沿水平方向做匀速直线运动，一个做平抛运动，并模仿闪光照相机的效果，配以数据，再定时把平抛运动小球的位置与其它 2 个小球进行比较，这样，平抛运动就很形象的显示了出来。学生通过观察分析后，对平抛运动的规律也较容易理解5。 3.2 楞次定律的演示在研究楞次定律时，由于感应电流肉眼观察不到，判断感应电流的磁场与引起感应电流的磁通量的变化关系比较困难，我们用电脑动画把线圈中原磁场 学学 士士 学

14、学 位位 论论 文文 BACHELOR S THESIS3磁通量的变化和相应的感应电流的方向配图表示出来，学生利用右手定则很容易就判定出感应电流的磁场方向，进而总结出感应电流的磁场总是阻碍引起感应电流的磁通量变化的规律，难点得以突破10。 3.3 牛顿第二定律的演示在学习牛顿第二定律时，原实验装置是用光电管和毫秒计时器记录数据，可见度低，误差也大，学生不易观察，不利于分析和归纳规律。应用多媒体技术后，我们改革了实验装置，用两辆小车同时实验，并借助录像定格的方法记录数据，可见度和精确度都得到了大大提高，学生可以直接参与实验，记录数据，进行比较分析，自己归纳出牛顿第二定律10。4.电脑模拟实验的良

15、好效果 我校在物理实验教学中不断进行探索和尝试性改革、创新将“电脑模拟物理实验”作为新的实验教学手段相继在大学物理实验课程教学中进行试点，取得了良好的教学效果同学们对这种新颖的实验力式、生动的教学氛 ICI，多样的操作内容感到满意从而激发操作物理实验的兴趣，提高了对该课程的重视程度。 4.1 电脑模拟对大学物理实验教学的辅助对大多数刚进入大学的学生来说大学物理实验还是比较陌生的，所以他们在预习实验的时候，会感到书上一些概念性的介绍很抽象虫然有些仪器在书上附有图片，但是仍然显得很单调学生预习起来容易缺乏兴趣，对实验原理并不能真正的理解。作为上实验课的我们物理系学生，长期的实验让我们明显的感觉到：

16、如果我们以前用过该实验所需的仪器，即使实验内容比较新，我们熟悉和操作过程都会比较顺利。但是如果我们以前没有接触过该实验的仪器，我们就会要么拿着书对照仪器的每一个部件，甚至不了解仪器的正确使用力法而进行误操作，造成实验中断、仪器的损坏等。电脑物理实验可以提供形象直 学学 士士 学学 位位 论论 文文 BACHELOR S THESIS4观、内容丰富的学习环境，提供图文并茂、动静结合、节奏有序的实验内容，并以声音、图像等丰富的表现力帮助学生进行多感官的学习，这样无疑会增加我们的兴趣，调动学习的积极性，促进我们对实验仪器的熟悉和对实验原理的理解11。 4.2 电脑模拟系统认错性的优点自然科学前沿领域

17、的高新技术设备价格昂贵，且伴随着高校办学规模的不断扩大，受教育资金的限制，高校仪器设备的数量和种类相对匮乏，传统单一的实验教学模式已远远不能满足实验教学的需求。电脑模拟物理实验以较少的投入，更大的灵活性缓解了上述的矛盾。电脑模拟物理实验系统认错性很强，在模拟过程中学生操作一旦出错，系统立即指出调节错误如果前一步调整不好就不允许进行下一步，迫使学生反复演练直至成功。这样不仅不担心元器件的损坏，还能够引发学生大胆想象，敢于尝试，积极探索真知的动机。5.对电脑模拟物理实验过程的思考 5.1 电脑模拟实验过程的局限性大学物理实验实践性课程的核心任务是通过对仪器设各的具体操作，达到锻炼学生动手能力，培养

18、学生实验素养的日的。电脑模拟物理实验制作再精致逼真，都无法真正模拟出实际的物理实验操作环境。由于环境影响和仪器设备的稳定性能等原因，学生在实际的物理实验操作过程中会遇到各种各样意料不到的问题和困难，而学生的动手能力、应变能力及创新精神正是在这样的环境下逐步培养起来的。所以，从某种意义上来说，电脑模拟实验永远只是模拟而已，无法达到实际实践操作的效果。 5.2 电脑模拟实验过程对师生教学模式的影响尽管在电脑模拟物理实验的教学中，教师热情的为学生指导，但还是明显 学学 士士 学学 位位 论论 文文 BACHELOR S THESIS5感到师生之间的感情疏远、交流困难；师生关系和实验教师的操作指导作用

19、受到限制；双向式的教育性较低，教学活动变成了单向的知识传递；电脑的介入，淡化了师生间的直接沟通，教师的身体语言，学生的课堂反响都难以体现，师生间的情感体验也显得苍自空乏；这些都是电脑教学中存在的必然缺陷。 5.3 电脑模式实验无法让学生真实的体验实验过程由于模拟实验是在正确实验结论的指导下完成的，学生看到的都是正确的结论，这样学生就很难想象由于仪器的不精确、实验操作上的不规范及周围环境的影响而造成的偶然误差，所以学生就不会也不可能正确处理这方面的问题。如果学生实验都改成模拟实验的话，那么学生将没有接触实验仪器的机会，甚至有的学生在电脑上认识这个仪器，在生活中都可能不认识，更别说去设计实践性实验

20、7。 5.4 应多采用传统实验和电脑模拟实验相结合 多媒体的使用给物理教学带来了很大的方便，但是不能就此完全抛弃传统的教学方法。多媒体教学容易产生信息量大，进度快的问题，再加上多数学生不记笔记，常常是听明白了也容易忘记。因此，我们主张授课速度适当放慢，重点内容在黑板上有条理的写下来，便于学生做好笔记和课后复习，有些关键点可以提出问题让学生思考并课后讨论，形成互动。这样的教学过程充分利用课间避免了大量的板书、作图等工作，提高了效率，而演示实验变抽象为具体、直观，极大增强了课堂教学效果，调动了学生的学习积极性9。6.在教学和实验演示之余，也要重视物理学史的引入随着物理学理论越来越深奥，大量数学工具

21、和逻辑方法的使用，学生对物理学的成就感到敬仰，但对物理学的感觉是深奥、玄秘和枯燥。如何有效地把该学科富有成果、博大精深的科学内涵传授给青年学生，是提高其学习兴趣的关键。在讲授过程中，可以结合教学内容，融入物理学史发展方面的内容，并简要介绍相应人物和生平以及其成就，如牛顿是如何站在巨人的肩膀上的，晚年又是为何信仰了神教了；伽利略对于真理的执着和对实验的一丝不苟；亨利 学学 士士 学学 位位 论论 文文 BACHELOR S THESIS6在做他的电磁铁实验时，使用丝带裹着金属线实现绝缘的，而这些丝带是从他妻子结婚衬裙上撕下的，因为在 1829 年商店里还没有绝缘的导线；诺贝尔物理学奖获得者和他们

22、的成就等。通过这些物理学名人的介绍，同时给学生讲述这些伟人的治学精神、成才道路、研究方法等。结合讲课的内容随时插入一些科学家的名言警句，讲一个精彩的小故事，很容易活跃课堂气氛，让学生在轻松快乐的氛围中学习8。7.结语 在不断探索教学发展和改革的今天，电脑模拟物理实验过程为物理实验的教学丰富了教学手段，促进了实验教学改革，符合现代信息化教学模式的发展力向，能较好地为学生创建“真实”的实验操作环境，帮助学生更好的学习物理实验知识，但是电脑模拟实验却不能替代实验的实际操作过程。实践表明：在某一具体的实践教学中，各种教学手段各有所长，也各有其局限性，过分倚重或忽视某一教学手段都会对教学效果产生不利的影响，只有不断在实践中探索、修正、完善，把各种教学手段合理而有效地结合起来，才能收到最