計算機模擬實驗在教學(xué)中的應(yīng)用論文(2)
計算機模擬實驗在教學(xué)中的應(yīng)用論文篇二
《計算機教學(xué)軟件在物理模擬實驗中的應(yīng)用》
摘要：本論文通過敘述用計算機教學(xué)軟件制作物理模擬實驗軟件的過程，展示了利用幾何畫板制作物理模擬實驗的一些綜合技能。同時顯示了計算機模擬軟件方便的演示功能和強大的實驗數(shù)據(jù)處理功能。
關(guān)鍵詞：物理模擬實驗;幾何畫板;一階網(wǎng)絡(luò)的零輸入響應(yīng);掃描
計算機軟件模擬物理實驗可以改進傳統(tǒng)實驗效果。尤其是它的演示效果及強大的實驗數(shù)據(jù)處理功能，大大地提高了物理實驗課的教學(xué)效果，利用它來輔助教學(xué)，為物理課及物理實驗課的教學(xué)提供了一種新的教學(xué)模式。《幾何畫板》做出的課件很適合用于改進物理難點的教學(xué)。它在由函數(shù)牽動動畫的功能上獨具一格，使做出來的物理課件既似模擬實驗又可以量化地研究問題，源于實驗而勝于實驗。
由于《幾何畫板》課件在人機對話時只用鼠標操作，而不需要掌握計算機專用術(shù)語和鍵盤操作，因此專心于物理知識而缺少計算機知識的師生也很容易操作。在使用《幾何畫板》輔助教學(xué)的課堂上，無論是學(xué)生還是來聽課的老師，都感覺不到是為顯示計算機而用計算機，而是在很容易理解的物理圖景面前，大家都沉浸在思考的氣氛之中。
計算機輔助教學(xué)的理論認為，由于教學(xué)過程不能缺少教師對學(xué)生的思想教育和情感作用，也就是教師的主導(dǎo)作用應(yīng)與學(xué)生的主體作用并舉。所以探討多媒體教學(xué)并不是要用計算機完全取代教師，而是要利用計算機的優(yōu)越功能，改進教學(xué)的模式，使教師和學(xué)生都能在課件平臺上發(fā)揮作用?！稁缀萎嫲濉纷龀鰜淼奈锢碚n件就是能起到這樣的平臺作用。
如何用計算機教學(xué)軟件《幾何畫板》制作物理模擬實驗，本人在制作過程中用到了一些《幾何畫板》綜合技能，愿意與大家分享。現(xiàn)舉例，展開電學(xué)實驗中“一階網(wǎng)絡(luò)的零輸入響應(yīng)”的軟件制作過程。
(一)一階網(wǎng)絡(luò)的零輸入響應(yīng)實驗簡介：
電路原理圖如圖一左上方：
(1)實驗?zāi)康模?/p>
1、研究一階網(wǎng)絡(luò)的零輸入響應(yīng)的基本規(guī)律極其特點，了解電路參數(shù)對相應(yīng)的影響。
2、學(xué)習(xí)示波器測量脈沖信號的基本參數(shù)以及一階網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)的參數(shù)。
(2)儀器設(shè)備：
1、脈沖信號發(fā)生器一臺;
2、雙蹤示波器一臺;
3、動態(tài)電路板一塊。
(二)一階網(wǎng)絡(luò)的零輸入響應(yīng)實驗軟件演示界面及功能介紹：
打開實驗演示軟件，界面如圖一：
界面左上方實驗原理圖，右方是是示波器及測量過程中自動繪出測量的伏安特性曲線。
雙擊電路原理圖的元件(如電壓U0或電阻電容C)可輸入新的參數(shù)。如：雙擊R出現(xiàn)對話框，輸入R為2000歐姆。如圖一中下方：
點擊掃描按鈕，在示波器屏幕中，新的伏安特性曲線實時畫出。如圖一右，在示波器上可對比R=1000歐姆及R=2000歐姆時，對應(yīng)的一階網(wǎng)絡(luò)的零輸入響應(yīng)的曲線圖。同理，當(dāng)R=1000歐姆，可輸入電容的不同值，即：C=0.001微法，C=0.002微法時從示波器上看一階網(wǎng)絡(luò)的零輸入響應(yīng)的輸出曲線比較。
通過對比可知：時間常數(shù)RC越小，衰減越快;時間常數(shù)RC越大，衰減越慢。由此我們可以看到，《幾何畫板》課件并不是簡單地模擬物理現(xiàn)象，而是可以通過連續(xù)改變某些參量，量化地探討問題的答案。
你還可以方便的改變電壓U0等參數(shù)的大小，繪出不同一階網(wǎng)絡(luò)的零輸入響應(yīng)的輸出曲線。而在計算機軟件幾何畫板上，測量實驗數(shù)據(jù)及處理數(shù)據(jù)非常方便、快捷。我們知道：一階網(wǎng)絡(luò)的零輸入響應(yīng)時間常數(shù)τ的幾何測量方法是：過起始點(0，U0)作一階網(wǎng)絡(luò)的零輸入響應(yīng)的曲線的切線，與時間軸交點的橫坐標即為時間常數(shù)τ。
用幾何畫板在示波器上作圖時非常方便的。我們知道，過曲線上一點的切線方程，用點斜式作，斜率為f‘(0)，過點(0，5)的直線方程就是我們所求的切線方程。做法如下：(1)對圖一界面中的f(x)函數(shù)表達式點擊右鍵，在快捷菜單中選擇導(dǎo)數(shù)，得f’(x)函數(shù)表達式;(2)點擊菜單：度量----計算---點擊f’(x)，取x=0,求得斜率：f’(0)=-2.5。再利用點斜式建立切線方程。即：點擊菜單：圖表----新建函數(shù)：輸入：-2.5*X+5。最后點擊菜單：圖表---繪制函數(shù),過點(0，5)的f(x)的切線方程繪制出來了。再選中切線與橫軸的交點(設(shè)A點)，選擇菜單---度量---橫坐標，A點的橫坐標值XA便計算出，即τ的值。
若雙擊圖二中電路原理圖的元件(如電壓U0或電阻電容C)輸入新的參數(shù)則對應(yīng)的一階網(wǎng)絡(luò)的零輸入響應(yīng)的函數(shù)方程、切線方程、曲線圖像及τ的值會做相應(yīng)的改變，分析起來非常方便。
《幾何畫板》課件可以按照物理公式來設(shè)定動畫，所以演示的結(jié)果比真實實驗還要準確，因此教師無需以“誤差影響”來修飾實驗結(jié)果。
(三)一階網(wǎng)絡(luò)的零輸入響應(yīng)實驗演示軟件制作主要過程簡介：
首先在幾何畫板軟件窗口的左上方畫出實驗原理圖，在幾何畫板窗口右方粘貼上述實驗所需儀器設(shè)備示波器圖片。建立含有上述原理圖中參數(shù)R、C、U0等參數(shù)的一階網(wǎng)絡(luò)的零輸入響應(yīng)的輸出曲線函數(shù)。建立過程如下：
新建參數(shù)R=1000、C=0.001、U0=5(如圖一右上方)，在新建的參數(shù)表達式上點擊右鍵，選擇：屬性---值---無標簽。將參數(shù)表達式分別拖動到原理圖對應(yīng)位置(如圖一)。然后選擇參數(shù)表達式建立一階網(wǎng)絡(luò)的零輸入響應(yīng)的輸出曲線函數(shù)。如圖一(右)：
因繪出的曲線位置在示波器屏幕上，故：先將坐標原點移至示波器屏幕上適當(dāng)位置?？紤]U0、RC的變化范圍后，適當(dāng)調(diào)節(jié)坐標軸比例，再將示波器屏幕上的調(diào)節(jié)好的坐標軸的單位及刻度圖片抓取(例如用SNAGIT等軟件抓去圖片)。再在粘貼到原位置，然后隱藏坐標軸。
函數(shù)中的f(x)代表一階網(wǎng)絡(luò)的零輸入響應(yīng)的輸出電壓，x代表時間，先繪出一階網(wǎng)絡(luò)的零輸入響應(yīng)函數(shù)圖像，因為函數(shù)圖像是在時間x>0時開始繪制。所以，在一階網(wǎng)絡(luò)的零輸入響應(yīng)函數(shù)圖像上建立電壓的最低測量點A和最高測量點B(U0)兩個固定點，在其中間建一沿曲線運動的動點u見圖二。
將U點移至B點，分別選中點U、A，點擊編輯菜單-----操作類按鈕-----移動，標簽設(shè)為：“掃描”，建立移動點按鈕。再選中點u，點擊：顯示菜單---追蹤點，即可在示波器上繪出對應(yīng)一階網(wǎng)絡(luò)的零輸入響應(yīng)函數(shù)圖像。同樣分別選中點U、B點編輯菜單-----操作類按鈕-----移動，建立移動點按鈕，速度為“高速”。然后建立上述兩按鈕的系列按鈕標簽為：“掃描”按鈕，這個系列按鈕執(zhí)行后，U點的軌跡不僅可跟蹤，執(zhí)行后U點可回到B點。在建立一系列按鈕，標簽為：“清除掃描軌跡”。其屬性設(shè)置為：系列動作―同時執(zhí)行;此按鈕可清除示波器上的軌跡。最后將A、B、U點及函數(shù)圖像隱藏。一階網(wǎng)絡(luò)的零輸入響應(yīng)電路實驗的模擬演示軟件就編寫完成。
通過此例，可以學(xué)會巧妙利用幾何畫板軟件的一些功能，實現(xiàn)制作物理電學(xué)的模擬實驗軟件。實驗中示波器上的顯示屏掃描圖像隨電路參數(shù)的改變而實時改變。并且，實驗原理圖中的所有參數(shù)都可以方便地改變(如：C，R)，實時得出對應(yīng)的電壓、電流顯示值、掃描曲線及數(shù)據(jù)分析結(jié)果。
參考文獻
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