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淺談虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在大學(xué)物理教學(xué)中的運(yùn)用論文
摘要：
物理學(xué)是理工科類學(xué)生必修的一門重要的基礎(chǔ)課程， 而大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是輔助大學(xué)物理教學(xué)的重要手段之一�；趥鹘y(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)不便于搬入課堂這一缺點(diǎn)， 討論了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)課堂結(jié)合的可能性�；贛ATLAB軟件作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)， 可以在課堂上以虛擬仿真實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)介紹大學(xué)物理理論， 使得枯燥的理論知識(shí)形象直觀， 可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣， 從而提高大學(xué)物理課程的教學(xué)質(zhì)量。
關(guān)鍵詞：
大學(xué)物理； 虛擬仿真； 物理實(shí)驗(yàn)；
物理學(xué)的基本理論滲透在自然科學(xué)各個(gè)領(lǐng)域， 應(yīng)用于生產(chǎn)技術(shù)的許多部門， 是其他自然科學(xué)和工程技術(shù)的基礎(chǔ)[1]。物理學(xué)不僅僅是一門自然科學(xué)， 也是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)， 這就要求物理學(xué)要以實(shí)驗(yàn)為依據(jù)， 同時(shí)也要接受實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)[2]。物理實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛑庇^形象的展示物理現(xiàn)象和物理規(guī)律， 是輔助教學(xué)的重要手段， 對(duì)于大學(xué)物理的理論教學(xué)具有重要的意義。
但是傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)由于受到實(shí)驗(yàn)空間和實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備等教學(xué)資源的限制， 不適合搬入到理論課堂中。隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的普及和發(fā)展， 虛擬仿真技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各種實(shí)驗(yàn)教學(xué)中[3]， 現(xiàn)在各個(gè)高校的多媒體教學(xué)方式的普及， 將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)引入到理論教學(xué)中， 不僅能激發(fā)學(xué)生的好奇心和求知欲， 還能提高學(xué)生的自主創(chuàng)新能力和學(xué)習(xí)的能動(dòng)性。
1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)概述
大學(xué)物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是選取了一個(gè)物理系統(tǒng)或者抽象系統(tǒng)的一些特性， 再使用另外一種方法來(lái)表現(xiàn)它們的特性的過(guò)程[4]。
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展， 現(xiàn)在有很多的軟件可以實(shí)現(xiàn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)， 例如MATLAB軟件， 可以實(shí)現(xiàn)很多光學(xué)現(xiàn)象等的虛擬仿真；LAB—VIEW軟件功能比較強(qiáng)大， 在虛擬儀器構(gòu)建方面能力較強(qiáng)， 主要被應(yīng)用在物理虛擬設(shè)備方面；或者采用FLASH技術(shù)或者3D MAX技術(shù)[5]， 都具有較強(qiáng)的人機(jī)互動(dòng)性能。特別是FLASH技術(shù)， 可以采用IE的內(nèi)嵌技術(shù)使得FLASH發(fā)布的相關(guān)作品可以直接通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行播放， 實(shí)現(xiàn)物理實(shí)驗(yàn)的一些動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)。其中MATLAB軟件功能最為強(qiáng)大， 它不僅僅可以用來(lái)處理一些圖像， 對(duì)于數(shù)據(jù)處理方面的表現(xiàn)也非常好， 是各大高校使用率較高的軟件之一， 所以這里以MATLAB軟件為例， 介紹大學(xué)物理中虛擬仿真做實(shí)驗(yàn)的制作方法。
由于物理理論各個(gè)部分特點(diǎn)不同， 所以在使用演示實(shí)驗(yàn)配合大學(xué)物理教學(xué)過(guò)程中， 也應(yīng)該根據(jù)工具軟件的特點(diǎn)， 制作出相應(yīng)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)， 保證仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛟诖髮W(xué)物理理論教學(xué)過(guò)程中能有較好的效果。
2 MATLAB制作仿真軟件
MATLAB軟件是由美國(guó)Math Works公司推出的一套具備高性能的數(shù)值計(jì)算和可視化軟件。由于MATLAB可以將矩陣運(yùn)算、圖形顯示、信號(hào)處理以及數(shù)值分析集于一體， 構(gòu)造出的用戶環(huán)境使用方便、界面友好， 因此MATLAB受到眾多科研工作者的歡迎[6]。
2。1 衍射仿真實(shí)驗(yàn)
以大學(xué)物理中波動(dòng)光學(xué)的內(nèi)容為例， 基于各種衍射現(xiàn)象的理論， 借助惠更斯—菲涅爾原理， 使用MATLAB軟件， 并且基于該軟件內(nèi)嵌的GUI技術(shù)， 設(shè)計(jì)出的夫瑯禾費(fèi)衍射仿真系統(tǒng)界面如圖1所示。在仿真系統(tǒng)中， 學(xué)生可以根據(jù)需要先選擇衍射類型， 然后輸入合適的參數(shù)， 最后點(diǎn)擊執(zhí)行仿真按鈕， 即可查看需要的衍射結(jié)果。
例如在上圖中選擇矩孔衍射， 輸入各個(gè)參數(shù)的具體數(shù)值， 最后點(diǎn)擊執(zhí)行仿真按鈕， 寬度和長(zhǎng)度均為0。5mm的矩孔仿真結(jié)果。
2。2 振動(dòng)系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)
若以大學(xué)物理中振動(dòng)波動(dòng)的內(nèi)容為例， 基于各種情況下的多振動(dòng)合成理論， 使用同樣的方法， 也可以設(shè)計(jì)出基于GUI的振動(dòng)合成系統(tǒng)， 設(shè)計(jì)好的振動(dòng)合成系統(tǒng)界面。
用戶可以根據(jù)需要選擇待合成振動(dòng)的數(shù)目和合成模式， 再輸入分振動(dòng)的各個(gè)參數(shù)， 如果輸入有誤， 還可以通過(guò)點(diǎn)擊數(shù)據(jù)清空按鈕重新輸入， 若無(wú)誤， 可直接點(diǎn)擊合成按鈕。
若選擇合振動(dòng)個(gè)數(shù)3個(gè)， 模式為同方向， 再分別輸入三路振動(dòng)參數(shù)如圖3所示， 最后點(diǎn)擊合成按鈕， 合成結(jié)果如圖4所示。
3 課堂上使用仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
使用各種軟件設(shè)計(jì)好了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)以后， 利用各大高校已經(jīng)建設(shè)好的多媒體教學(xué)設(shè)備， 可以將MATLAB設(shè)計(jì)好的各種仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)移植到課堂教學(xué)的計(jì)算機(jī)中， 由講授教師在課堂中操作， 并在授課的同時(shí)， 演示給學(xué)生， 可以大大激發(fā)學(xué)生在課堂上的學(xué)習(xí)積極性。學(xué)生邊學(xué)習(xí)物理理論知識(shí)， 邊在仿真實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的基礎(chǔ)上， 使用學(xué)習(xí)到的理論去分析該現(xiàn)象的產(chǎn)生原因和產(chǎn)生過(guò)程， 提高學(xué)生的創(chuàng)造性思維能力和實(shí)踐動(dòng)手能力。除此之外， 還可以由學(xué)生按自己的想法修改仿真實(shí)驗(yàn)的一些數(shù)據(jù)， 自行總結(jié)出條件改變之后， 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果的改變規(guī)律。
也可以將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)通過(guò)在線教學(xué)的模式上傳至相應(yīng)的教學(xué)網(wǎng)站， 由學(xué)生在課前預(yù)習(xí)， 或者課后復(fù)習(xí)的時(shí)候自行操作。
4 結(jié)語(yǔ)
物理學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)， 大學(xué)物理的理論教學(xué)是離不開(kāi)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的， 所以物理的演示教學(xué)在課堂教學(xué)中也是必不可少的重要手段， 通過(guò)課堂的演示實(shí)驗(yàn)， 可以使具體的物理理論形象化， 枯燥的課堂氣氛活躍化。但是基于傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)的一些局限性， 使用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)代替?zhèn)鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)是非常有效的一個(gè)手段。它既可以幫助學(xué)生理解和掌握物理的理論知識(shí)， 還可以提高學(xué)生提出問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。
可以看出， 使用MATLAB軟件作為仿真平臺(tái)， 基于GUI技術(shù)設(shè)計(jì)出的大學(xué)物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)， 可以在課堂上利用現(xiàn)代化多媒體教學(xué)技術(shù)， 形象生動(dòng)直觀的給學(xué)生們展示出各種不同的物理現(xiàn)象， 使得不具備MATLAB技術(shù)的學(xué)生也可以輕松掌握， 并可將理論和實(shí)際現(xiàn)象結(jié)合起來(lái)， 激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣， 達(dá)到加深理解的目的。
參考文獻(xiàn)
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