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淺談虛擬仿真實驗在大學(xué)物理教學(xué)中的運用論文
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)物理實驗是輔助大學(xué)物理教學(xué)的重要手段之一�；趥鹘y(tǒng)物理實驗不便于搬入課堂這一缺點， 討論了虛擬仿真實驗和傳統(tǒng)課堂結(jié)合的可能性�；贛ATLAB軟件作為開發(fā)平臺， 可以在課堂上以虛擬仿真實驗為基礎(chǔ)介紹大學(xué)物理理論， 使得枯燥的理論知識形象直觀， 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； 物理實驗；
物理學(xué)的基本理論滲透在自然科學(xué)各個領(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)， 也是一門實驗科學(xué)， 這就要求物理學(xué)要以實驗為依據(jù)， 同時也要接受實驗的檢驗[2]。物理實驗?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)的物理實驗由于受到實驗空間和實驗儀器設(shè)備等教學(xué)資源的限制， 不適合搬入到理論課堂中。隨著計算機網(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)用于各種實驗教學(xué)中[3]， 現(xiàn)在各個高校的多媒體教學(xué)方式的普及， 將虛擬仿真實驗引入到理論教學(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)的能動性。
1 虛擬仿真實驗概述
大學(xué)物理虛擬仿真實驗是選取了一個物理系統(tǒng)或者抽象系統(tǒng)的一些特性， 再使用另外一種方法來表現(xiàn)它們的特性的過程[4]。
隨著計算機技術(shù)的發(fā)展， 現(xiàn)在有很多的軟件可以實現(xiàn)虛擬仿真實驗的設(shè)計， 例如MATLAB軟件， 可以實現(xiàn)很多光學(xué)現(xiàn)象等的虛擬仿真；LAB—VIEW軟件功能比較強大， 在虛擬儀器構(gòu)建方面能力較強， 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]， 都具有較強的人機互動性能。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)作品可以直接通過網(wǎng)絡(luò)進行播放， 實現(xiàn)物理實驗的一些動畫設(shè)計。其中MATLAB軟件功能最為強大， 它不僅僅可以用來處理一些圖像， 對于數(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驗的制作方法。
由于物理理論各個部分特點不同， 所以在使用演示實驗配合大學(xué)物理教學(xué)過程中， 也應(yīng)該根據(jù)工具軟件的特點， 制作出相應(yīng)的虛擬仿真實驗， 保證仿真實驗?zāi)軌蛟诖髮W(xué)物理理論教學(xué)過程中能有較好的效果。
2 MATLAB制作仿真軟件
MATLAB軟件是由美國Math Works公司推出的一套具備高性能的數(shù)值計算和可視化軟件。由于MATLAB可以將矩陣運算、圖形顯示、信號處理以及數(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 衍射仿真實驗
以大學(xué)物理中波動光學(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)計出的夫瑯禾費衍射仿真系統(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， 輸入各個參數(shù)的具體數(shù)值， 最后點擊執(zhí)行仿真按鈕， 寬度和長度均為0。5mm的矩孔仿真結(jié)果。
2。2 振動系統(tǒng)仿真實驗
若以大學(xué)物理中振動波動的內(nèi)容為例， 基于各種情況下的多振動合成理論， 使用同樣的方法， 也可以設(shè)計出基于GUI的振動合成系統(tǒng)， 設(shè)計好的振動合成系統(tǒng)界面。
用戶可以根據(jù)需要選擇待合成振動的數(shù)目和合成模式， 再輸入分振動的各個參數(shù)， 如果輸入有誤， 還可以通過點擊數(shù)據(jù)清空按鈕重新輸入， 若無誤， 可直接點擊合成按鈕。
若選擇合振動個數(shù)3個， 模式為同方向， 再分別輸入三路振動參數(shù)如圖3所示， 最后點擊合成按鈕， 合成結(jié)果如圖4所示。
3 課堂上使用仿真實驗系統(tǒng)
使用各種軟件設(shè)計好了虛擬仿真實驗系統(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)計好的各種仿真實驗系統(tǒng)移植到課堂教學(xué)的計算機中， 由講授教師在課堂中操作， 并在授課的同時， 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， 邊在仿真實驗現(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)生過程， 提高學(xué)生的創(chuàng)造性思維能力和實踐動手能力。除此之外， 還可以由學(xué)生按自己的想法修改仿真實驗的一些數(shù)據(jù)， 自行總結(jié)出條件改變之后， 仿真實驗結(jié)果的改變規(guī)律。
也可以將虛擬仿真實驗系統(tǒng)通過在線教學(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)的時候自行操作。
4 結(jié)語
物理學(xué)是一門實驗科學(xué)， 大學(xué)物理的理論教學(xué)是離不開物理實驗教學(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， 通過課堂的演示實驗， 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)物理實驗的一些局限性， 使用虛擬仿真實驗代替?zhèn)鹘y(tǒng)實驗是非常有效的一個手段。它既可以幫助學(xué)生理解和掌握物理的理論知識， 還可以提高學(xué)生提出問題、分析問題和解決問題的能力。
可以看出， 使用MATLAB軟件作為仿真平臺， 基于GUI技術(shù)設(shè)計出的大學(xué)物理虛擬仿真實驗， 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， 并可將理論和實際現(xiàn)象結(jié)合起來， 激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣， 達到加深理解的目的。
參考文獻
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[3]肖瑞， 劉敏。大學(xué)物理演示實驗室的擴大建設(shè)與管理[J]。實驗室科學(xué)， 2018 （2） ：184—186。
[4]劉丹， 張進， 于曉燕， 等。大學(xué)物理實驗中仿真實驗研究[J]。貴陽學(xué)院學(xué)報 （自然科學(xué)版） ， 2017 （4） ：15—22。
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[6]尹君馳， 劉克毅�；贛ATLAB的PID控制系統(tǒng)參數(shù)調(diào)節(jié)[J]。電子測試， 2014 （3） ：98—99， 114。
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