仿真实验在物理实验教学中的应用分析

仿真实验在物理实验教学中的应用分析【摘要】仿真实验可以和真实实验互相取长补短，在大学物理教学和学习中共同发挥作用。本文基于仿真实验的原理，阐述了仿真实验法在大学物理教学中具体应用。【关键词】仿真实验物理实验物理教学1引言作为一门自然科学，物理是以实验为基础的。因此，大学物理教学的重要环节是实验教学和演示实验，实验环节是学生应用知识与探究并获取知识过程中的重要组成部分。仿真实验方法将教学和实验与计算机仿真技术相结合。仿真实验法在大学物理教学中正逐渐被接受，在大学物理教学中与传统实验相结合而也正被广泛地发展起来。本文将基于仿真实验的原理，阐述仿真实验法在大学物理教学中应用，旨在为基于仿真实验法的教学方式的开发奠定基础。2仿真实验系统的原理所谓仿真，指的是系统模型的建立，对一个存在的或设计中的系统进行基于模型的实验和研究。所谓物理仿真实验，指的是以基本的物理定律为准，用数字化的变量对物理体系的状态进行描述，在此基础上利用计算机的强大计算功能，对这些离散变量在基本物理定律制约下的演变进行计算，使物理过程的规律和方法得到体现。3仿真实验在物理教学中的应用分析3.1真实实验的作用与不足（1）真实实验的作用。真实实验最大的作用在于，能使实验者获取第一手感性材料。要认识物理规律和形成物理概念，首先必须在学习物理的过程中获取一定的感性认识。而真实实验和学生的生活环境提供的物理事实是这种感性认识最重要的来源。此外，真实实验真实、形象、生动的特点，有助于提高学生的操作技能，培养学生的学习兴趣，还能激发学生探索科学的欲望。对于物理实验中所涉及的大量的实验仪器和实际的器材、材料，学生都可以通过真实实验获取最直接的感性认识。（2）真实实验的不足。真实实验的不足之处在于，由于常受到仪器本身的限制，导致无法开设和进行某些实验。此外，真实实验结果会由于实验仪器本身的因素带来很大的误差，而某些具有一定危险性的真实实验，大批学生参与就不太现实。客观环境中的一些影响也容易影响到真实实验结果，而一些抽象的物理现象更是难以用真实实验使学生获得感性认识，不利于学生的探究式学习和自主学习活动。3.2仿真实验的优点与局限3.2.1仿真实验的优点。可以用仿真实验来改进甚至是取代上述真实实验存在的不足。仿真实验可以对实际的物理环境进行逼真地模拟，此外仿真实验还具备一些真实实验无法取代的优越性，主要体现在以下几个方面：（1）仿真实验由于是虚拟的，因而具有良好的可扩展性。基于计算机仿真技术的物理实验在虚拟的环境下能够突破仪器设备、教学空间的限制。仿真实验可以组合各种基本物理单元，拓展实验项目的开设范围。（2）普通物理实验受到实验仪器本身的限制,难以有尽如人意的实验效果。在计算机仿真的支持下，可以模拟一些在现实实验环境下难以完成的重要的物理实验,对常规实验仪器的不足进行了弥补,实验的演示效果得到了较大幅度的提升。（3）在计算机虚拟的环境下，现实条件下不可能完成的实验均可由仿真实验完成。例如物理系统在极高温度和极低温度下的特性，就必须借助计算机虚拟技术才能以实现。（4）仿真实验可以完成实验室无法完成的真实物理图景和真实实验无法完成的抽象的物理现象。例如电学实验中的磁场，静电场分布等等。3.2.2仿真实验的局限。与真实实验相比，尽管仿真实验有着一定的优越性，同时也具有一些难以克服的局限性，具体表现为以下几方面：（1）仿真实验只能为实验者提供虚拟的实验环境，在这种实验环境中，学生难以感受到对客观物质世界最真实的感性认识。而学生的物理知识认知必须建立在丰富的感性认识基础上，这只能由学生们在真实实验中进行积累。（2）仿真实验在事实上完全脱离了来自真实物理环境中复杂因素的影响，这就使实验结果可以直接向实验者的预期前进，这个特点的优势在于提高了实验效率，可同时也有难以克服的缺点，即实验缺少了分析客观环境的过程，缺少了评估实验结果过程中的解决问题和分析问题的相关过程，无法体现出综合能力的培养效应。4.仿真实验在高校理工科物理教学中的具体应用本文以“分光计的调节及棱镜折射率的测定”为例，阐述高校理工科物理教学仿真实验的设计与具体应用。作为大学物理实验基础物理实验部分，《分光计的调节及棱镜折射率的测定》的教学目标主要为以下几个方面，包括（1）基本物理量的测量、（2）基本实验仪器的使用、（3）基本实验技能的训练、（4）基本测量方法与误差分析等，是适合各专业的普及性实验。本文所设计的仿真实验具体阐述仿真的制作过程以及学生的具体使用。(1)具体元件的制作。在高校物理“分光计的调节及棱镜折射率的测定”实验中，涉及到不少种类的仪器设备，构造复杂，操作步骤多，构造复杂。本文以macromedia公司的flash为平台，相关的元件涉及到螺钉元件、狭缝像元件等，篇幅所限，本文选取螺钉元件为例。此元件应用于实验的望远镜高低调节、载物平台调节等等。在此以望远镜高低调节螺钉为例，螺钉元件在顺时针调节时上移，改变望远镜倾斜度，并触发在竖直方向位置的十字像移动。下面是其核心代码:on(release){if(wyj._rotation2.4){_root.szxiangl._y-=3;_root.szxiang2._y-=3;wyj_rotation+=0.20000000000000001;mj_rotation+=0.20000000000000001;ld1._y+=0.28;_root.xfxiang._y-=3;}}(2)具体场景的制作。为实现仿真实验的不同内容，可以在利用flash制作仿真实验时利用多个场景，分不同的帧来实现诸如最小偏向角测量、棱镜顶角测量、分光计的调节等内容。具体可以基于场景的时间轴新建一个“帧”，将需要的元件从“库”中拖入舞台。(3)具体实验操作的交互。在“分光计调节”之后进行“棱镜顶角测量”，采用自准直法:将望远镜转动后使之对着三棱镜的一个反射面，与分化板竖直叉丝重合，读取此时读数圆盘上的左右读数，通过重复操作，结合公式得到棱镜的顶角。以上这些操作的实现主要通过脚本代码来进行，包括帧动作添加、按钮动作添加以及影片剪辑动作等等。(4)仿真实验的使用。学生可以在客户端通过点击文字进入相应的部分学习。实验前，可以先浏览分光器的介绍，利用动画剪辑来呈现分光器的的内部结构与原理；随后进行分光计的调节，进行每一步操作时，实验者都能从目镜窗口中观察到相应的实验现象。此处设计了几组动画，包括“棱镜顶角测量”、“最小偏向角测量”，让实验者对即将进行的操作过程进行熟悉。此后可以进入“棱镜顶角测量”操作界面，学生在仿真环境从目镜中观察到实验“读数圆盘”中读数，并进行数据处理，将数据填入实验报告。5结束语与真实实验一样，仿真实验在大学物理教学中正在得到越来越广泛的应用。仿真实验突破了仪器设备、教学空间等因素的限制；成为大学物理教学的重要辅助手段，成为学生研究性学习和自主学习的不可或缺的工具。虽不能完全取代真实实验，但仿真实验可以和真实实验互相取长补短，在大学物理教学和学习中共同发挥作用。参考文献[1]代红权,陈海燕.matlab符号计算及其在大学物理中的应用[j].[2]胡守信,李柏年．基于matlab的实验[m].[3]霍剑青,王晓蒲.大学物理仿真实验的研制和教学实践[j].[4]董海宽,费英.大学物理仿真实验教学探讨[j].