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                    Flash開發高中物理仿真實驗系統

                    添加時間:2018/09/27 來源:山東示范大學 作者:祝玉亮
                    用雙峰干涉測量光的波長的仿真實驗和使用說明交給我的同事使用后他們都覺得,這樣的軟件試試非常使用的,可以在課堂上進行演示,也可以作為進行真實實驗之前的一個教學課件,使學生更加熟悉真實實驗的操作流程,是真實實驗的非常有效補充。
                    以下為本篇論文正文:

                    摘要

                      高中物理是普通高中科學學習領域的一門基礎課程,與九年義務教育物理或科學課程相銜接,旨在進一步提高學生的科學素養。高中物理課程有助于學生繼續學習基本的物理知識與技能;體驗科學探究過程,了解科學研究方法;增強創新意識和實踐能力,發展探索自然、理解自然的興趣與熱情。

                      由于部分實驗儀器價格高昂,有些實驗危險性比較高,使得計算機仿真實驗的設計與實現變得切實可行。隨著科技的進步,生產的發展,計算機已經走入大眾的日常生活,并且起著越來越重要的作用。計算機輔助物理實驗教學也表現出了多種形式:計算機輔助物理實驗教學管理、計算機輔助物理實過程控制與數據采集、數據處理以及計算機輔助物理實驗教學軟件。近年來,物理仿真實驗已成為物理實驗室發展的一個新方向。

                      國外對于仿真實驗的研究始于上個世紀八十年代末,當時一些研究機構試圖以計算機為工具,模擬一些復雜系統的運作,并對其加以控制。上世紀九十年代初,國內一些高校開始致力于計算機仿真實驗的開發研制,目前已取得了可喜成績。相對于仿真實驗在高校的發展狀況,由于缺少開發高中物理仿真實驗的人才,大部分現成的物理仿真實驗不太適合學校的實際情況,物理仿真實驗在普通高中階段仍然沒有很大的發展,很多高中物理仿真實驗,只是具有演示功能,離真正的交互實驗、學生自主設置實驗參數還有很大的距離。

                      本文依據教學模式的科學研究方法、建構原則和建構方法,以創新理論和創新教育理論、系統論、建構主義學習論、活動教學論和物理實驗教學論等教育教學理論為基礎,借鑒“任務型”、“因材施教”、“交互式”和“啟發式”等成功教學模式的先進教育思想和優化的教學操作程序,建構具有新的教育理念內涵的便于操作和推廣的高中物理仿真實驗。

                      仿真實驗因其仿真程度不夠高,實驗結果太過理想等原因,不能完全代替真實實驗,但是仿真實驗的優勢也是顯而易見的。比如突破時空的限制,突破真實實驗的范疇,實驗成本比真實實驗低,某些仿真實驗比真實實驗危險性低,并且仿真實驗的操作簡單且具有可重復性。仿真實驗可以營造學生自主學習的環境,在大面積開設開放性、設計性、研究性實驗教學中發揮著重要作用。因此仿真實驗更容易為學生學習物理營造一個有趣的環境,以激發學生學習物理的潛能。

                      本文首先就仿真的實驗的概念做了簡單陳述,從建構主義的角度就仿真實驗的設計與實現理論基礎,結合當前高中實驗的發展情況對仿真實驗的必要性做了簡單論述。然后結合 Flash 的優點和軟件開發的工程管理的方法,以“用雙峰干涉測量光的波長”為例對高中物理仿真實驗的設計和 Falsh 仿真實現,并對高中物理的 Flash 仿真實驗的使用做了簡單介紹。

                      關鍵詞:高中物理;仿真實驗;Flash

                    Abstract

                      Physics course is a basic scientific course in senior school. It is associated with the nine-year compulsory scientific education and aims at improving the scientific literacy of students.Physics course helps students learning basic physics knowledge and skills, experience the process of scientific inquiry, understanding the scientific method, enhancing innovation and practice ability, and developing the interest and passion to understand the nature.

                      Because of the high cost of some laboratory equipments and the danger of some experiments, it makes the design and implementation of computer simulation feasible. With the development of technology, computers have been common in our daily life and play a more and more important part. There are several forms in computer-aided physics teaching: computer-aided management of physics experiment teaching, computer-aided process control of physical experiment, data acquisition, data processing and computer-aided teaching software for physics experiments. Recently, physical simulation has become a new direction of physical experiment.

                      The simulation study abroad began in the late eighties of last century when some research institutions tried to simulate and control the operation of complex systems by computers. By the early nineties of last century, some domestic universities have begun to develop computer simulation and have some achievement. Compared to this, physics simulation in senior school is still developing too slowly to apply for the lack of relating talents. Most of them only have presentation function, so it has a far way to go before being real interactive experiments.

                      This article is based on scientific methods, principles and methods of construction, innovative theory and innovative education theory, system theory, cognitive constructivism learning theory, active teaching theory, the teaching theory of physics experiment and other educational theory. In this article, we create a new simulation of physical experiment for senior schools with a new philosophy of education content by referring to the "task type ", "individualized method", "interactive model", "heuristic model" and other successful teaching ideas and procedures, and it is easy to operate and promote.

                      Simulation can not completely replace the real experiment for its low degree of simulation and its idealized results. However, it has an obvious advantage such as breaking through time and space constraints, breaking through the concept of real experiments, the lower cost, the safeness, the easy operation process and the repeatability. Simulation can create independent learning environment and plays an important part in creation of a large area of open, designing and researching of experiments teaching. Therefore, simulation is easier to create a fun environment for students to study physics and stimulates students’ potential.

                      Firstly, this article makes a simple statement of the concepts of simulation experiments and the necessity of simulation experiments based on the recent development. In this article we take “the measurement of the wavelength of light with double-slit interference” as an example to make a simple statement of the design and Implementation of Flash simulation experiments combined with the advantages of Flash and software development project management methods.

                      Keywords: Physics course; Simulation Experiments; Flash

                      仿真(Simulation)是對系統某一抽象屬性的具體模仿,或者直觀演示,是以客觀的系統為基礎建立模型,并在模型的基礎上進行研究和實驗,以展現實際系統中發生的本質過程,也稱為模擬。這里的系統包括物理系統、生物系統和社會系統等各種系統。

                      這里的模型包括數學的和物理的、動態的和靜態的、離散的和連續的各種模型。

                      當所研究的系統運行成本很高,進行實驗或者測試的危險性很大,或者所需要觀察的系統參數變化需要很長的時間響應時,仿真便是一種極為有效的研究方法。仿真是一種研究系統的方法,也是一種技術。仿真一般包括建立模型、仿真實驗、數據處理、分析驗證等步驟。仿真的重要工具是計算機。

                      計算機仿真(Computer Simulation)就是利用計算機技術,建立系統模型,并在某些條件下對模型進行實驗操作,進而得出系統參數變化的一門綜合技術。它具有效率高、安全性好、可改變時空比例等優點。

                      仿真實驗(Simulation Experiment)是相對于真實實驗而言的,與真實實驗的區別在于在仿真實驗中不存在實物形態的實驗儀器與實驗對象,實驗的過程是對虛擬儀器與虛擬設備的操作。其優點在于:(1)營造多樣化的教學環境,激發學習者的學習興趣。(2)打破時空限制。(3)節約實驗成本。

                      國外對于仿真實驗的研究始于上個世紀八十年代末,當時一些研究機構試圖以計算機為工具,模擬一些復雜系統的運作,并對其加以控制。如麻省理工學院于 1988 年開發并投入使用了 WEBLAB 在線實驗室,不僅本校的學生可以隨時訪問該實驗室進行實驗,其它高校的學生也可以訪問,學生只需點擊“設備”菜單,就可以選擇合適的儀器設備。這些項目涉及力、熱、聲、光、電以及量子物理中一些簡單的物理實驗以及物理現象,其中每一個項目都盡可能做到“交互式”、“游戲式”。其主要目的是激發學生學習的興趣并幫助他們對物理概念與研以及物理原理的理解。上世紀九十年代初,國內一些高校開始致力于計算機仿真實驗的開發研制,已取得了可喜成績。目前最權威的仿真實驗教學系統是中國科技大學天文與應用物理系開發的大學物理仿真實驗教學系統。該成果在國內一些高校得到廣泛應用。這套軟件的特點在于采用面向對象技術建模,對儀器和器件實現模塊化,用數值模型建立儀器原理、實驗設計、操作的各種數學關系,用圖像模型表現操作的真實感,并用事件驅動方式將它們編制出來,使得這種軟件具有任意的操作性和真實的交互功能,實現可設計性和真實感。它通過計算機把實驗設備、教學內容、教師的指導和學生的操作有機地融合為一體,形成了一部活的、可操作的物理實驗教科書。通過仿真物理實驗學習,學生對實驗的物理思想和方法、儀器的結構及原理的理解,可達到實際實驗難以實現的效果,實現了培養動手能力,學習實驗技能,深化物理知識的目的,同時增強了學生對物理實驗的興趣,大大提高了物理實驗教學水平,是物理實驗教學改革的有力工具。

                      目前,與在高等學校中的發展和應用狀況相比,物理仿真實驗在普通高中階段仍然沒有很大的發展,很多高中物理仿真實驗,只是具有演示功能,離真正的交互實驗、學生自主設置實驗參數還有很大的距離。因此很大部分的仿真實驗還不是真正的仿真!

                      缺少開發高中物理仿真實驗的人才,也是物理仿真實驗在高中鮮有應用的原因,一般情況下懂物理實驗教學的人不懂軟件開發,懂軟件開發的人不懂物理實驗教學。從市場上購買的實驗軟件價格昂貴,也不適合自己學校的現況。因此中學物理教學人員根據本校的實際情況開發物理仿真實驗并應用于教學,效果會好很多。

                      高中物理仿真實驗系統實現:

                    Flash Professional 8 操作界圖
                    Flash Professional 8 操作界圖

                    用雙縫干涉測量光的波長仿真實驗用戶操作界面圖
                    用雙縫干涉測量光的波長仿真實驗用戶操作界面圖

                    測量頭(讀數顯微鏡)動畫實現圖
                    測量頭(讀數顯微鏡)動畫實現圖

                    圖 5-6
                    圖 5-6

                    仿真實驗運行效果圖
                    仿真實驗運行效果圖

                    仿真實驗運行效果圖2
                    仿真實驗運行效果圖2

                    測量頭目鏡的視野中央位置
                    測量頭目鏡的視野中央位置

                    干涉條紋
                    干涉條紋

                    目 錄

                      摘要
                      Abstract
                      第一章 引言
                        第一節 基本概念的界定
                        第二節 仿真實驗的發展現狀
                        第三節 高中物理仿真實驗的的設計與實現的意義
                      第二章 高中物理仿真實驗設計與實現的必要性與優越性
                        第一節 仿真實驗引入高中物理實驗教學的必要性
                        第二節 仿真實驗在高中物理實驗教學中的優越性
                      第三章 高中物理仿真實驗應用探索
                        第一節 高中物理仿真實驗的目標定位分析
                        第二節 高中物理仿真實驗的應用方式探索
                      第四章 基于 Flash 的高中物理仿真實驗的設計
                        第一節 用雙縫干涉測量光的波長仿真實驗的可行性研究
                        第二節 用雙縫干涉測量光的波長實驗仿真程序系統流程圖
                        第三節 用雙縫干涉測量光的波長仿真實驗需求分析
                        第四節 開發用雙縫干涉測量光的波長仿真實驗原型系統
                        第五節 用雙縫干涉測量光的波長仿真實驗總體設計
                      第五章 用雙縫干涉測量光的波長仿真實驗的編碼實現
                        第一節 Flash Professional 8 簡介
                        第二節 用雙縫干涉測量光的波長仿真實驗的 Flash 仿真實現
                        第三節 用雙縫干涉測量光的波長仿真實驗的打包發布
                      第六章 用雙縫干涉測量光的波長仿真實驗應用案例
                        第一節 實驗:用雙縫干涉測量光的波長教學分析
                        第二節 用雙縫干涉測量光的波長仿真實驗的使用說明
                      第七章 總結
                        第一節 仿真實驗在教與學的過程中的體會
                        第二節 Flash 仿真實驗的應用前景
                      參考文獻
                      致謝

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