中學(xué)物理虛擬實(shí)驗(yàn)研究

王付軍 劉云松

摘要 通過常見的通用軟件實(shí)現(xiàn)物理虛擬實(shí)驗(yàn),對(duì)教學(xué)中一些難于用實(shí)物實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)重現(xiàn),從而提高物理教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞 虛擬實(shí)驗(yàn);通用軟件;步驟

中圖分類號(hào):G 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B 文章編號(hào):1671-489X(2009)30-0111-02

Virtual Physics Experimental Research//Wang Fujun, Liu Yunson

Abstract The physical realization of the common general purpose software, a virtual experiment in teaching some of the difficult to achieve with physical experiments to achieve reproducible, thereby enhancing the physical teaching effect.

Key words virtual experiment; general software; steps

Authors address Liaocheng University, Fairmont College, Liaocheng, Shandong, 252000, China

物理是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué),物理實(shí)驗(yàn)在中學(xué)物理課程中具有非常重要的位置。物理實(shí)驗(yàn)方法既是科學(xué)家研究問題的方法,也是學(xué)生在學(xué)習(xí)物理中常用的方法。新課標(biāo)也要求學(xué)生掌握一些探究問題的物理方法。但物理中的許多實(shí)驗(yàn)用實(shí)物無法實(shí)現(xiàn),如橫波縱波的傳播機(jī)理,光的干涉、衍射、透射中透鏡中的光路等,還有歷史的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)無法真實(shí)再現(xiàn)。計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展為用軟件實(shí)現(xiàn)中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)提供了基礎(chǔ),典型的有虛擬儀器軟件Labview、電路的仿真軟件ewb等,但這些軟件不易上手,且有較強(qiáng)的專業(yè)性,不太適合中學(xué)物理的教學(xué)實(shí)際,因此需探討基于通用軟件的中學(xué)物理虛擬實(shí)驗(yàn)。

通用軟件應(yīng)該是在任意一臺(tái)Windows操作系統(tǒng)的個(gè)人PC中使用的、大眾化的、常用的軟件,這些軟件包括Flash、Mathematica、UltraKey(數(shù)字虛擬演播室)、幾何畫板、Sketch Up等,它們便于使用,上手快,開發(fā)新的實(shí)驗(yàn)周期短,能較好地滿足物理教學(xué)的需要。下面以幾何畫板和Sketch Up為例進(jìn)行探討。

1 基于幾何畫板的虛擬實(shí)驗(yàn)

作為用于中小學(xué)平面幾何的教學(xué)工具軟件,幾何畫板的獨(dú)特動(dòng)態(tài)功能,把傳統(tǒng)的幾何教學(xué)帶入一個(gè)嶄新的領(lǐng)域。在物理學(xué)上,很多規(guī)律都有其數(shù)學(xué)模型,因而就可利用幾何畫板來模擬物理實(shí)驗(yàn)。它可以說是物理學(xué)的“模擬實(shí)驗(yàn)樓”。物理教師備課可以用它,講課可以用它,學(xué)生學(xué)習(xí)也可以用它,所以它是一個(gè)提高中學(xué)物理教學(xué)效率和教學(xué)質(zhì)量的良好工具。幾何畫板有以下幾個(gè)特點(diǎn)。

1)動(dòng)態(tài)性。用鼠標(biāo)拖動(dòng)圖形上的任一元素(點(diǎn)、線、圓),而事先給定的所有幾何關(guān)系(即圖形的基本性質(zhì))都保持不變。幾何畫板將物理規(guī)律以不同的方式完美地結(jié)合在一起。如在“凸透鏡成像”這一課題中,就可在動(dòng)態(tài)演示物距變化與像距及焦距的關(guān)系基礎(chǔ)上,再用數(shù)據(jù)把每一位置的像距、焦距、物距表示出來,套入公式驗(yàn)證,讓學(xué)生更易于理解。

2)形象性。幾何畫板能營造物理情景。上課時(shí),當(dāng)教師說“在平面上任取一點(diǎn)”時(shí),在黑板上畫出的點(diǎn)卻永遠(yuǎn)是固定的,而幾何畫板就可以讓“任意一點(diǎn)”隨意運(yùn)動(dòng),非常形象使它更容易為學(xué)生所理解。所以可以把幾何畫板看成是一塊形象的“動(dòng)態(tài)的黑板”。

3)操作簡單。一切操作都只靠工具欄和菜單實(shí)現(xiàn),而無需編制任何程序。在幾何畫板中,一切都要借助于幾何關(guān)系來表現(xiàn),因此用它設(shè)計(jì)軟件,最關(guān)鍵的是“把握幾何關(guān)系”,而這正是教師所擅長的;但同時(shí)這也是它的局限性:它只適用于能夠用幾何模型來描述的內(nèi)容,如幾何問題,部分物理、天文問題等。

例如幾何畫板動(dòng)態(tài)演示力的分解,可以按以下步驟制作:1)構(gòu)造小球,如圖1所示;2)構(gòu)造重力矢量圖,如圖2所示;3)完善課件,如圖3所示。

2 基于Sketch Up的中學(xué)物理虛擬實(shí)驗(yàn)

Sketch Up是一款建筑和室內(nèi)裝修建模軟件,官方網(wǎng)站將它比喻為電子設(shè)計(jì)中的“鉛筆”。Sketch Up具有應(yīng)用簡便,可以快速上手的特點(diǎn)。Sketch Up命令不多,很多命令都是一令多能、一令多用,所以界面簡潔,效率很高。一般而言,幾天就能初步入門,認(rèn)真做上幾個(gè)模型,很快就能樂在其中。另外,Sketch Up還具有“所見即所得”和“組件替換”的特點(diǎn)。所謂“所見即所得”,就是屏幕操作所見即最終所得,這就使得設(shè)計(jì)者的心理基本上處于被解放的狀態(tài),而不是處處擔(dān)心軟件的掣肘?！敖M件替換”能力則使得設(shè)計(jì)師可以從很粗的模型開始,不斷細(xì)化各個(gè)細(xì)部構(gòu)件,同時(shí)也可以把同樣的構(gòu)件做成不同的方案,隨時(shí)通過組件代換比較效果。

條形磁鐵的磁場分布,演示實(shí)驗(yàn)有很多種方法,但都是平面的,而真實(shí)的磁場是三維的。下面看如何用Sketch Up來實(shí)現(xiàn):1)打開Sketch Up軟件,可以看到常用的工具都以圖形的方式放在窗口(圖4);2)首先用“繪制弧線”工具畫一組弧線(圖5);3)用“平移”工具將一組磁場線“復(fù)制”“粘貼”為不同角度的8組磁場線(當(dāng)然,這只是有代表性的8個(gè)角度而已)(圖6);4)利用“繪制正方形”工具與“2D轉(zhuǎn)3D”畫出立方體,再將立方體用“平移”鍵移到恰當(dāng)?shù)奈恢?圖7);5)利用“材質(zhì)”工具給磁鐵上色,一組可觀看條形磁鐵磁場分布的虛擬實(shí)驗(yàn)便完成了;6)單擊“漫游鍵”,可以得多方位多角度的觀察圖。用同樣的方法可以做出高中階段絕大部分的磁場、電場3D分布圖(圖8)。

3 結(jié)語

由于技術(shù)、成本及不可抗因素,虛擬實(shí)驗(yàn)總是與實(shí)物實(shí)驗(yàn)有一定差距,虛擬實(shí)驗(yàn)只是用來學(xué)習(xí)物理理論的,在實(shí)驗(yàn)的過程當(dāng)中無法產(chǎn)生真實(shí)的問題情境變換。比如說同樣看到蜂窩,生物學(xué)家看到的是它的功能;化學(xué)家看到的是它的成分;藝術(shù)家看到的是它的顏色、光影;詩人有感而發(fā)開始贊美;物理學(xué)家呢?當(dāng)然想的是它的結(jié)構(gòu)。物理虛擬實(shí)驗(yàn)不可能全息地反映一個(gè)實(shí)驗(yàn),當(dāng)然也就失去二次發(fā)現(xiàn)的機(jī)會(huì)。所以能用實(shí)物實(shí)驗(yàn)的,應(yīng)盡量用實(shí)物實(shí)驗(yàn)。虛擬實(shí)驗(yàn)也有自己獨(dú)特的優(yōu)勢,合理地利用能更好地為教學(xué)服務(wù)。

參考文獻(xiàn)

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