計算機模擬實驗在教學中的應用論文(2)
計算機模擬實驗在教學中的應用論文篇二
《計算機教學軟件在物理模擬實驗中的應用》
摘要：本論文通過敘述用計算機教學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據處理功能。
關鍵詞：物理模擬實驗;幾何畫板;一階網絡的零輸入響應;掃描
計算機軟件模擬物理實驗可以改進傳統實驗效果。尤其是它的演示效果及強大的實驗數據處理功能，大大地提高了物理實驗課的教學效果，利用它來輔助教學，為物理課及物理實驗課的教學提供了一種新的教學模式。《幾何畫板》做出的課件很適合用于改進物理難點的教學。它在由函數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》輔助教學的課堂上，無論是學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。
計算機輔助教學的理論認為，由于教學過程不能缺少教師對學生的思想教育和情感作用，也就是教師的主導作用應與學生的主體作用并舉。所以探討多媒體教學并不是要用計算機完全取代教師，而是要利用計算機的優越功能，改進教學的模式，使教師和學生都能在課件平臺上發揮作用。《幾何畫板》做出來的物理課件就是能起到這樣的平臺作用。
如何用計算機教學軟件《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。現舉例，展開電學實驗中“一階網絡的零輸入響應”的軟件制作過程。
(一)一階網絡的零輸入響應實驗簡介：
電路原理圖如圖一左上方：
(1)實驗目的：
1、研究一階網絡的零輸入響應的基本規律極其特點，了解電路參數對相應的影響。
2、學習示波器測量脈沖信號的基本參數以及一階網絡響應的參數。
(2)儀器設備：
1、脈沖信號發生器一臺;
2、雙蹤示波器一臺;
3、動態電路板一塊。
(二)一階網絡的零輸入響應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。如：雙擊R出現對話框，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，對應的一階網絡的零輸入響應的曲線圖。同理，當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絡的零輸入響應的輸出曲線比較。
通過對比可知：時間常數RC越小，衰減越快;時間常數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象，而是可以通過連續改變某些參量，量化地探討問題的答案。
你還可以方便的改變電壓U0等參數的大小，繪出不同一階網絡的零輸入響應的輸出曲線。而在計算機軟件幾何畫板上，測量實驗數據及處理數據非常方便、快捷。我們知道：一階網絡的零輸入響應時間常數τ的幾何測量方法是：過起始點(0，U0)作一階網絡的零輸入響應的曲線的切線，與時間軸交點的橫坐標即為時間常數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)函數表達式點擊右鍵，在快捷菜單中選擇導數，得f’(x)函數表達式;(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：輸入：-2.5*X+5。最后點擊菜單：圖表---繪制函數,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)輸入新的參數則對應的一階網絡的零輸入響應的函數方程、切線方程、曲線圖像及τ的值會做相應的改變，分析起來非常方便。
《幾何畫板》課件可以按照物理公式來設定動畫，所以演示的結果比真實實驗還要準確，因此教師無需以“誤差影響”來修飾實驗結果。
(三)一階網絡的零輸入響應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備示波器圖片。建立含有上述原理圖中參數R、C、U0等參數的一階網絡的零輸入響應的輸出曲線函數。建立過程如下：
新建參數R=1000、C=0.001、U0=5(如圖一右上方)，在新建的參數表達式上點擊右鍵，選擇：屬性---值---無標簽。將參數表達式分別拖動到原理圖對應位置(如圖一)。然后選擇參數表達式建立一階網絡的零輸入響應的輸出曲線函數。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位置。考慮U0、RC的變化范圍后，適當調節坐標軸比例，再將示波器屏幕上的調節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。
函數中的f(x)代表一階網絡的零輸入響應的輸出電壓，x代表時間，先繪出一階網絡的零輸入響應函數圖像，因為函數圖像是在時間x>0時開始繪制。所以，在一階網絡的零輸入響應函數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一階網絡的零輸入響應函數圖像。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，這個系列按鈕執行后，U點的軌跡不僅可跟蹤，執行后U點可回到B點。在建立一系列按鈕，標簽為：“清除掃描軌跡”。其屬性設置為：系列動作―同時執行;此按鈕可清除示波器上的軌跡。最后將A、B、U點及函數圖像隱藏。一階網絡的零輸入響應電路實驗的模擬演示軟件就編寫完成。
通過此例，可以學會巧妙利用幾何畫板軟件的一些功能，實現制作物理電學的模擬實驗軟件。實驗中示波器上的顯示屏掃描圖像隨電路參數的改變而實時改變。并且，實驗原理圖中的所有參數都可以方便地改變(如：C，R)，實時得出對應的電壓、電流顯示值、掃描曲線及數據分析結果。
參考文獻
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[2]李瀚蓀.電路分析基礎[M].北京:高等教育出版社,1993.
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