物理機(jī)械波工具軟件設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

馬藝航

(鶴崗市第一中學(xué)高中三年十八班， 黑龍江 鶴崗 154100)

物理機(jī)械波工具軟件設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

馬藝航

(鶴崗市第一中學(xué)高中三年十八班， 黑龍江 鶴崗 154100)

機(jī)械波是機(jī)械運(yùn)用中相對(duì)比較復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)形式，由于機(jī)械波的產(chǎn)生與傳播都是動(dòng)態(tài)的，這一部分的內(nèi)容相對(duì)比較抽象，常規(guī)的教育教學(xué)手段沒有辦法完全展現(xiàn)出機(jī)械波的動(dòng)態(tài)過程，而且學(xué)生在學(xué)習(xí)這部分知識(shí)的時(shí)候也會(huì)遇到很大困難。針對(duì)此類現(xiàn)象，主要提出了基于整合點(diǎn)理論的工具軟件設(shè)計(jì)思路及原則，并根據(jù)實(shí)際需求設(shè)計(jì)物理機(jī)械波的平臺(tái)。

物理；機(jī)械波；工具軟件；設(shè)計(jì)；應(yīng)用；分析；研究

物理學(xué)是人類科學(xué)文化的重要組成部分。是研究物質(zhì)以及相關(guān)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的自然性質(zhì)科學(xué)，而信息技術(shù)在我國物理發(fā)展的應(yīng)用要比其他領(lǐng)域?qū)W科的應(yīng)用更加廣泛一些，但是信息技術(shù)在物理發(fā)展中的應(yīng)用不是順著傳統(tǒng)的發(fā)展理念進(jìn)行，而且實(shí)施了創(chuàng)新教學(xué)的思路，這樣才能夠?qū)ξ锢戆l(fā)展產(chǎn)生本質(zhì)的提升。

1 物理工具軟件開發(fā)和應(yīng)用存在的問題

1.1 知識(shí)內(nèi)容問題

物理軟件，顧名思義就是對(duì)物理這一領(lǐng)域的全面理解之后形成的一種信息化手段，目前大部分的物理軟件都是知識(shí)內(nèi)容的動(dòng)態(tài)化解釋，主要展現(xiàn)的是物理中的相關(guān)概念及原理，而在物理的教學(xué)階段，由于物理教師將大部分的時(shí)間和精力都放在了物理知識(shí)的講解上，對(duì)整個(gè)學(xué)習(xí)過程中的監(jiān)控以及學(xué)習(xí)者掌握方法、提高能力的支撐度是不夠的，方法論指導(dǎo)相對(duì)比較缺乏，使得學(xué)生在教學(xué)階段沒有全面的了解物理知識(shí)，導(dǎo)致后續(xù)的物理軟件設(shè)計(jì)出現(xiàn)了問題。

1.2 軟件設(shè)計(jì)問題

當(dāng)前對(duì)于物理發(fā)展，主要缺乏的就是對(duì)軟件的整體設(shè)計(jì)，現(xiàn)階段大部分的物理知識(shí)點(diǎn)都是獨(dú)立設(shè)計(jì)存在的，物理開發(fā)團(tuán)隊(duì)對(duì)整合點(diǎn)的分類不明確，一旦整合點(diǎn)出現(xiàn)不準(zhǔn)確的問題，就會(huì)直接造成軟件沒有實(shí)質(zhì)性的內(nèi)容，知識(shí)點(diǎn)與實(shí)際的生產(chǎn)生活存在脫節(jié)的現(xiàn)象。

1.3 軟件應(yīng)用問題

現(xiàn)階段，大部分的軟件主要是用來激發(fā)人們的興趣，客觀感知會(huì)體會(huì)的多一些，但是用概念來鞏固物理知識(shí)就非常少。雖然物理軟件具備一定的教育功能，但是物理軟件沒有辦法對(duì)實(shí)際情況進(jìn)行修改，說得直白一些就是物理軟件的通用性相對(duì)比較缺乏。理想化的物理工具軟件也要能夠符合教學(xué)的實(shí)際需求，滿足不同用戶需求才能夠?qū)⒅R(shí)轉(zhuǎn)化為能力，更好地促進(jìn)物理工具軟件的發(fā)展。

2 機(jī)械波工具軟件的總體設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)原則

2.1.1 可視化原則

在物理的機(jī)械波知識(shí)中，有一部分知識(shí)點(diǎn)都是在教學(xué)階段學(xué)習(xí)的，因?yàn)閷W(xué)生在日常教育活動(dòng)中看不到機(jī)械波，所以學(xué)生在現(xiàn)階段就對(duì)機(jī)械波缺乏直觀的了解，尤其是對(duì)波的傳播以及疊加等知識(shí)更是知之甚少。

2.1.2 快捷化原則

在教學(xué)階段開展機(jī)械波學(xué)習(xí)的過程中，物理教師通常會(huì)畫各種波的圖形和振動(dòng)圖像，然后再讓學(xué)生將二者進(jìn)行對(duì)比分析，這樣的教學(xué)模式雖然可以很好地發(fā)散學(xué)生的思維，但是軟件設(shè)計(jì)則能夠更加直接地讓物理學(xué)科的內(nèi)容變得更加受學(xué)生歡迎，同時(shí)也更加精準(zhǔn)，出現(xiàn)誤查的幾率會(huì)非常小。

2.2 設(shè)計(jì)思路

當(dāng)研究人員在對(duì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，首先要做的就是明確設(shè)計(jì)的目標(biāo)，只有目標(biāo)明確，才能夠理清設(shè)計(jì)的思路，然后對(duì)軟件的內(nèi)容進(jìn)行具體的分析和理解，最后在進(jìn)行教學(xué)過程的設(shè)計(jì)，找到其中的整合點(diǎn)。

2.3 目標(biāo)定位

對(duì)機(jī)械波進(jìn)行學(xué)習(xí)前，首先要為學(xué)生和用戶營造一個(gè)機(jī)械波的智能仿真模擬環(huán)境，這樣做可以讓學(xué)生和用戶真切的感受到機(jī)械波運(yùn)行的真正狀態(tài)，有助于學(xué)生和用戶對(duì)機(jī)械波進(jìn)行深入理解。而且在教學(xué)階段，教師和學(xué)生可以任意改變波環(huán)境，這樣對(duì)非常直觀的分析機(jī)械波的產(chǎn)生和傳播過程都非常有幫助，而且還能夠及時(shí)的發(fā)現(xiàn)波介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)。

2.4 內(nèi)容本體分析

2.4.1 概念本體分析

對(duì)機(jī)械波進(jìn)行分析前，由于其中的部分教學(xué)知識(shí)主要是幫助學(xué)生理解機(jī)械波的產(chǎn)生和傳播的。而研究人員也是在這樣的一種理念下建立起的機(jī)械波。另外，要會(huì)分析橫波的圖像，能夠根據(jù)波的傳播情況分析質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)情況，同時(shí)也能夠根據(jù)質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)情況來判斷波的傳播情況。二者相互促進(jìn)，相互補(bǔ)充。

2.4.2 方法本體分析

在機(jī)械波的學(xué)習(xí)過程中，除了要理解上述內(nèi)容以外，還要掌握以下方法。首先是理想化方法，這一方法就是在機(jī)械波中，將振動(dòng)物體理想化成為質(zhì)點(diǎn)的一種方法。其次就是分析法，這種方法在多個(gè)領(lǐng)域都有非常廣泛的應(yīng)用。在研究機(jī)械波的傳播問題上，一般都會(huì)用到這種方法，而且有時(shí)候根據(jù)實(shí)際情況還會(huì)用到條件分析方法和逆推方法。

3 理想機(jī)械教學(xué)設(shè)計(jì)

3.1 教學(xué)階段設(shè)計(jì)

這里所說的教學(xué)設(shè)計(jì)，主要是按照教學(xué)的實(shí)際內(nèi)容以及學(xué)習(xí)過程，在沒有考慮教學(xué)條件的前提下，實(shí)現(xiàn)的一種突破時(shí)間和空間來構(gòu)造教學(xué)課堂的步驟，這樣能夠極大的提升教學(xué)階段學(xué)生的學(xué)習(xí)質(zhì)量。而對(duì)于機(jī)械波部分的學(xué)習(xí)，最好就是能夠營造機(jī)械波的生成過程，能夠?qū)θ我庹駝?dòng)質(zhì)點(diǎn)進(jìn)行細(xì)致的觀察。首先要觀察的是波的形成過程，其次是觀察任意時(shí)刻波形的變化，再次是觀察兩列波相遇的時(shí)候出現(xiàn)的各種狀況，并做好詳細(xì)的記錄。

3.2 整合點(diǎn)分析

在完成教學(xué)階段設(shè)計(jì)之后，還要及時(shí)診斷出教學(xué)過程中存在的相關(guān)整合點(diǎn)，對(duì)于機(jī)械部分來說，波的形成過程以及任意時(shí)刻對(duì)波形的觀察和分析都是非常重要的。除此之外，還要注意的是簡(jiǎn)諧振動(dòng)過程中各物理量變化難以直觀呈現(xiàn)。再就是教學(xué)過程中，教師繪圖不是特別的直觀，學(xué)生觀察不到實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況，所以很多的學(xué)生只能是依靠想象力來完成相關(guān)的學(xué)習(xí)任務(wù)。而且手繪圖像必定會(huì)出現(xiàn)較大的誤差，只要是出現(xiàn)了誤差，無論大小都會(huì)對(duì)最終的教學(xué)效果產(chǎn)生誤導(dǎo)。

4 功能設(shè)計(jì)

此次設(shè)計(jì)的機(jī)械波平臺(tái)主要提供的是機(jī)械波的圖像和質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)情況。總體設(shè)計(jì)情況如圖1所示。

圖1 機(jī)械波平臺(tái)總體設(shè)計(jì)Fig.1 Overall design of mechanical wave platform

4.1 機(jī)械波

在整個(gè)機(jī)械波運(yùn)行過程中，主要提供的是振子和坐標(biāo)系，因?yàn)樵谌我庖粋€(gè)波形中，機(jī)械波都可以對(duì)振幅、頻率等組成結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)置，能夠顯示振子的位移、加速度、速度等物理量。而且為了能夠觀察振子的振動(dòng)情況，研究人員還將輔助線進(jìn)行了顯示。這樣一來，就可以更好地為廣大用戶理解波傳遞的知識(shí)能量。

4.2 振動(dòng)圖像

為了能夠更好地理解某一振子的振動(dòng)情況，還要對(duì)機(jī)械波中的任意一個(gè)振子進(jìn)行觀察，在振動(dòng)圖像中要能提供相位和坐標(biāo)軸。

5 結(jié)語

在物理機(jī)械波工具軟件的設(shè)計(jì)及應(yīng)用中，技術(shù)只是一種手段，而工具軟件的出現(xiàn)正好是與技術(shù)的有機(jī)整合。在設(shè)計(jì)工具軟件時(shí)，不僅要對(duì)其有詳細(xì)的了解，還要理解教學(xué)內(nèi)容，掌握教學(xué)方法。這樣的工具軟件才能真正地有利于物理機(jī)械波工具軟件的設(shè)計(jì)，將其更好地運(yùn)用在實(shí)際的生產(chǎn)生活中，為社會(huì)創(chuàng)造真正的價(jià)值。

[1] 鐘紹春，張琢，李吉南，等.信息技術(shù)與課程有效整合的方法與實(shí)踐[J].中國電化教育，2007，(10)：129-130.

[2] 舒炎保.高中物理“機(jī)械波”教學(xué)中的疑難問題淺析[C]//湖北省物理學(xué)會(huì)、武漢物理學(xué)會(huì)2004’學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.2004.

Research on design and application of physical mechanical wave tool software

MA Yi-hang

(Hegang No.1 High School, Class 18 Grade 3, Hegang 154100, China)

Mechanical wave is a relatively complex form of motion in mechanical application. Since the generation and propagation of mechanical wave is dynamic, the content of this part is relatively abstract. The conventional teaching method can not fully show the dynamic process of mechanical wave, and students will also encounter great difficulties in learning this part of the knowledge. The design idea and principles of tool software based on integration point theory are proposed, and the platform of physical mechanical wave is designed according to the actual demand.

Physics; Mechanical wave; Tool software; Design; Application; Analysis; Research

2016-09-23

馬藝航(1999-)，女，高中學(xué)生。

G634

B

1674-8646(2016)23-0036-02