祝丹（武漢工程大學(xué)　理學(xué)院，湖北　武漢　430062）

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大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)總結(jié)中計(jì)算機(jī)軟件運(yùn)用的利弊研究

祝丹
（武漢工程大學(xué)理學(xué)院，湖北武漢430062）

摘要：計(jì)算機(jī)軟件在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用是物理教學(xué)過(guò)程中一項(xiàng)十分重要的改革和嘗試.在實(shí)踐的過(guò)程當(dāng)中，計(jì)算機(jī)軟件應(yīng)用對(duì)于學(xué)生學(xué)好大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)這門(mén)課程以及學(xué)生自身的成長(zhǎng)各有利弊.在本篇文章中，作者根據(jù)自己的觀察和思考，對(duì)這些利弊進(jìn)行了總結(jié)，希望能夠引起一線(xiàn)老師們的注意，發(fā)揮計(jì)算機(jī)軟件的長(zhǎng)處，抑制其弊端，真正發(fā)揮出現(xiàn)代科技對(duì)教學(xué)的促進(jìn)作用.

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)軟件；大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)；利弊研究

計(jì)算機(jī)作為第三次科技革命的代表產(chǎn)物，標(biāo)志著人類(lèi)從此進(jìn)入到了信息時(shí)代.自從計(jì)算機(jī)誕生以來(lái)，其方便、準(zhǔn)確和快捷的特點(diǎn)使其本身已經(jīng)滲透到了各行各業(yè)當(dāng)中.在最近幾年的教學(xué)實(shí)踐當(dāng)中，教育工作者們逐漸發(fā)現(xiàn)，計(jì)算機(jī)軟件的引入一方面使得教學(xué)更加生動(dòng)有趣，方便準(zhǔn)確和交流方便，為教學(xué)模式帶來(lái)了革命性的變化；而另一方面，由于計(jì)算機(jī)軟件的引入，老師們開(kāi)始變得懶惰，教學(xué)過(guò)程中的教學(xué)思路開(kāi)始模糊，并且學(xué)生們用于思考的時(shí)間在不斷縮短，使得教學(xué)開(kāi)始走向了一個(gè)令人生畏的方向.以大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程為例，我們?cè)谠谙旅娴奈恼轮?，?duì)計(jì)算機(jī)軟件引入的利與弊開(kāi)始進(jìn)行剖析.

1　計(jì)算機(jī)軟件為大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)總結(jié)帶來(lái)的益處

計(jì)算機(jī)軟件在越來(lái)越多的場(chǎng)合得到應(yīng)用已經(jīng)成為了一個(gè)歷史發(fā)展的趨勢(shì)和必然，并且在近些年的發(fā)展過(guò)程中，成功進(jìn)入了各學(xué)科的教學(xué)一線(xiàn).從個(gè)學(xué)科教學(xué)目前已經(jīng)發(fā)展到了實(shí)驗(yàn)課程.在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程中，用計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的討論以及實(shí)驗(yàn)范圍的擴(kuò)大，都成為計(jì)算機(jī)軟件在這一領(lǐng)域的強(qiáng)項(xiàng).

1.1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)往往有很多的數(shù)據(jù)需要處理，在傳統(tǒng)的教學(xué)和實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)鉛筆在白紙上進(jìn)行計(jì)算的模式下，很容易讓學(xué)生產(chǎn)生厭煩的情緒，并且人工計(jì)算太多的數(shù)據(jù)容易產(chǎn)生錯(cuò)誤，并且碰到開(kāi)方或者計(jì)算對(duì)數(shù)時(shí)使人們陷入到無(wú)奈當(dāng)中，有時(shí)候即使運(yùn)用科學(xué)計(jì)算器也于事無(wú)補(bǔ).例如，大學(xué)物理中有一個(gè)關(guān)于液體粘度的測(cè)定用是落球法，需要用到一個(gè)直徑在一毫米以下的金屬小球放入到乘有某種液體的柱狀玻璃容器當(dāng)中，用秒表測(cè)出已定刻度線(xiàn)之間小球運(yùn)動(dòng)的時(shí)間，從而計(jì)算出小球運(yùn)動(dòng)的速度，然后根據(jù)小球受到的阻力來(lái)計(jì)算出液體的粘度.這個(gè)實(shí)驗(yàn)通常要做4—5組的實(shí)驗(yàn)來(lái)求取一個(gè)平均值，那么在取平均值時(shí)就有了幾個(gè)不同的數(shù)值平均，第一是在放大鏡下測(cè)量小球的直徑，然后取一個(gè)平均值，第二是下落時(shí)間的平均值，第三個(gè)是直接每一個(gè)小球在液體中運(yùn)行的速度平均值，第四個(gè)是分別用四個(gè)小球測(cè)出速度并且計(jì)算出粘度再求取粘度的平均值.至于各種方法的合理性，我們通過(guò)人工的計(jì)算往往是很難得出來(lái)結(jié)論的，但是，如果引入計(jì)算機(jī)軟件以后，可以通過(guò)簡(jiǎn)單地每一組數(shù)據(jù)輸入進(jìn)去，然后選擇所需要的結(jié)果，關(guān)于每一組方法所得到的誤差就能夠被估計(jì)出來(lái)，選擇誤差最小的計(jì)算方法，能夠得到更加準(zhǔn)確的結(jié)果.再者，如果我們要分析小球下落速度與直徑的關(guān)系，在傳統(tǒng)的分析體系中，往往是通過(guò)用圖表或者折線(xiàn)的方法進(jìn)行，這些對(duì)于三四個(gè)結(jié)果還好分析，如果涉及到十幾二十個(gè)結(jié)果，分析起來(lái)就十分費(fèi)勁了，這對(duì)一個(gè)人的勞動(dòng)量是驚人的.但是，如果我們借助于計(jì)算機(jī)軟件，只需要將測(cè)量得到的最原始的數(shù)據(jù)按順序輸入進(jìn)去，在分析框中，選出自己所要的結(jié)果類(lèi)型，計(jì)算機(jī)就會(huì)自動(dòng)生成一系列的表格和圖像，甚至對(duì)于曲線(xiàn)還能夠擬合出來(lái)相應(yīng)的曲線(xiàn)方程.對(duì)于不同的結(jié)果用不同的顏色進(jìn)行標(biāo)記，能夠使結(jié)果一目了然更加清晰.

另外，對(duì)于每一個(gè)實(shí)驗(yàn)，專(zhuān)業(yè)的軟件往往考慮的更加全面，例如，在測(cè)定隨機(jī)誤差的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)于平均值，軟件可以快速計(jì)算出算數(shù)平均值，幾何平均值和算數(shù)平均值.振動(dòng)周期和震動(dòng)幅度等的分析在專(zhuān)業(yè)軟件中直接可以對(duì)震動(dòng)的區(qū)間和震動(dòng)長(zhǎng)度的誤差進(jìn)行分析，還可以直接得出震動(dòng)在整個(gè)系列實(shí)驗(yàn)中的隨時(shí)間或者別的因素變動(dòng)的各類(lèi)參數(shù)等，具有很好的統(tǒng)計(jì)效果.在對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的時(shí)候，運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟件可以做到隨時(shí)對(duì)兩個(gè)相互關(guān)聯(lián)的因素進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，或許能夠取得很好的效果，而這一點(diǎn)，在傳統(tǒng)的用紙筆是無(wú)法輕易實(shí)現(xiàn)的.

1.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果的討論

如果我們將一個(gè)班級(jí)的同學(xué)分成若干個(gè)小組進(jìn)行物理的實(shí)驗(yàn)，當(dāng)這些小組得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果不同時(shí)，如果運(yùn)用傳統(tǒng)的教學(xué)方式，需要將各自的結(jié)果進(jìn)行比較，其任務(wù)量是可想而知的，也就是說(shuō)對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行討論是一個(gè)比較復(fù)雜的過(guò)程.運(yùn)用現(xiàn)代化的軟件處理學(xué)生們獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，再結(jié)合多媒體的力量，將學(xué)生的得到的結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和處理，可以得到一個(gè)分布，然后與學(xué)生們進(jìn)行結(jié)果的討論和分析，對(duì)教學(xué)效果的提升有一定的積極意義.運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟件，能夠?qū)床坏矫恢臇|西進(jìn)行直觀的模擬，并且對(duì)很多

物理量進(jìn)行分析和對(duì)比.

在軟件中，對(duì)結(jié)果的呈現(xiàn)也是一個(gè)十分重要的優(yōu)勢(shì)，這是運(yùn)用表格等傳統(tǒng)結(jié)果分析討論模式所不具備的.例如，對(duì)不同組的數(shù)據(jù)，可以采用柱狀圖或者餅狀圖的方式進(jìn)行呈現(xiàn)，更加直觀的可以發(fā)現(xiàn).加入一個(gè)年級(jí)的學(xué)生在做某一個(gè)物理實(shí)驗(yàn)中，例如對(duì)長(zhǎng)度的測(cè)量，我們可以將誤差在一個(gè)較小范圍的組記為優(yōu)秀，將誤差范圍大的記為差，中間的記為一般.那么根據(jù)統(tǒng)計(jì)軟件的出來(lái)的結(jié)果，顯示餅狀圖顯示，可以很直觀知道在整個(gè)年級(jí)中自己的實(shí)驗(yàn)結(jié)果處于怎樣一個(gè)位置.如果加上多媒體的優(yōu)勢(shì)，我們可以將某一個(gè)小組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行大屏幕的展示，通過(guò)學(xué)生自己的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行教學(xué)的推進(jìn)是一個(gè)很好的教學(xué)方式，也算是對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的討論.

1.3實(shí)驗(yàn)范圍的擴(kuò)大

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中，很多的書(shū)本知識(shí)在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)實(shí)條件下是無(wú)法進(jìn)行的.計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的引入使很多看似不可能的實(shí)驗(yàn)變成了現(xiàn)實(shí)，使很多在實(shí)驗(yàn)室不能做的實(shí)驗(yàn)在虛擬的環(huán)境中展示.例如一個(gè)簡(jiǎn)單的宇宙速度的推算，在實(shí)驗(yàn)室中是無(wú)法完成的.這個(gè)想法其實(shí)是來(lái)源于一個(gè)簡(jiǎn)單的想法.假如從山頂上平拋一塊石頭，平拋的速度越大，那么石頭會(huì)飛的越遠(yuǎn)，那么當(dāng)速度達(dá)到多大的時(shí)候，石頭的落地距離能夠超過(guò)地球的周長(zhǎng)呢？也就是說(shuō)，當(dāng)速度達(dá)到多大時(shí)，拋出去的石頭能夠永遠(yuǎn)不掉下來(lái)呢？單純地用語(yǔ)言來(lái)描述難免有些干癟，那么，如果我們用計(jì)算機(jī)軟件去模擬這樣一系列的實(shí)驗(yàn)，我們可以逐漸增大平拋的速度，在模擬的狀況下，我們可以直觀看出石子的飛出距離，學(xué)生對(duì)這一概念的理解會(huì)深刻很多.

在某種情況之下，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的討論必須在軟件的環(huán)境下進(jìn)行.例如，對(duì)磁場(chǎng)的認(rèn)識(shí)是一個(gè)看不見(jiàn)摸不著的實(shí)驗(yàn)，在傳統(tǒng)的教學(xué)模式下，很難通過(guò)自己的描述是學(xué)生在腦海中對(duì)電磁線(xiàn)圈周?chē)拇艌?chǎng)強(qiáng)度和磁感線(xiàn)的排列有一個(gè)清晰的認(rèn)識(shí).運(yùn)用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)軟件的模擬效果，將一個(gè)特定線(xiàn)圈和特定電流作用下產(chǎn)生的磁場(chǎng)進(jìn)行三維的彩色模擬，可以使學(xué)生從全方位對(duì)線(xiàn)圈周?chē)床灰?jiàn)的磁感線(xiàn)方向和密度進(jìn)行直觀的認(rèn)知，對(duì)于電磁場(chǎng)和電磁波的存在和傳播都能夠有很好的認(rèn)識(shí)，對(duì)于這部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與課本知識(shí)的結(jié)合也有很好的益處.另外，有興趣的學(xué)生還可以根據(jù)自己對(duì)電磁場(chǎng)的認(rèn)知，在計(jì)算機(jī)中輸入幾個(gè)相關(guān)的參數(shù)如線(xiàn)圈的直徑、匝數(shù)或者電流的大小，從而建立起自己的電磁場(chǎng)模型，讓兩組參數(shù)建立的模型進(jìn)行對(duì)比，或者對(duì)異形的電磁線(xiàn)圈進(jìn)行考慮，得到線(xiàn)圈周?chē)拇鸥芯€(xiàn)分布.事實(shí)上，有心的學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)，例如電場(chǎng)、磁場(chǎng)、熱場(chǎng)等場(chǎng)在模擬時(shí)有很多的共通之處，這也就是現(xiàn)代物理“場(chǎng)論”的一個(gè)重要體現(xiàn)，對(duì)學(xué)生從整體物理學(xué)的尺度上進(jìn)行掌握和理解，對(duì)物理科學(xué)中體現(xiàn)出來(lái)的精神和思想能夠有很好的認(rèn)識(shí).

2　計(jì)算機(jī)軟件為大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)總結(jié)帶來(lái)的弊端

計(jì)算機(jī)軟件在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中縱然帶來(lái)了很多益處，相對(duì)于傳統(tǒng)的教學(xué)模式，縱然有很多的優(yōu)勢(shì)，但并不代表計(jì)算機(jī)軟件就是萬(wàn)能的.在實(shí)際的操作過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)，計(jì)算機(jī)軟件在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用同時(shí)為我們帶來(lái)了一些弊端.

2.1老師們開(kāi)始變得懶惰

計(jì)算機(jī)軟件的引入使老師們擺脫了用小黑板和粉筆來(lái)為學(xué)生一步步推導(dǎo)實(shí)驗(yàn)原理和講解實(shí)驗(yàn)過(guò)程的教學(xué)模式.在理論課上，直接用一張幻燈片就解決了全部的問(wèn)題.實(shí)驗(yàn)的原理通過(guò)圖片和旁邊的文字解說(shuō)為學(xué)生呈現(xiàn)出來(lái)，老師們通過(guò)一勞永逸的方法一舉將自己從繁雜的勞動(dòng)中解脫.更有甚者，有很多實(shí)驗(yàn)課的老師是通過(guò)下載別人的教學(xué)課件進(jìn)行講解的，本來(lái)自己可能就一知半解，除去了一步步的推導(dǎo)過(guò)程，將實(shí)驗(yàn)的原理和步驟直接暴漏給學(xué)生，學(xué)生的思維沒(méi)有根據(jù)要求一步步的形成，對(duì)于學(xué)生實(shí)驗(yàn)思維和創(chuàng)造力的形成都很不利.運(yùn)用軟件，省去很多的中間步驟，老師就會(huì)越來(lái)越懶惰，長(zhǎng)期對(duì)著自己的課件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的講解，難免造成思維的僵化，對(duì)自身業(yè)務(wù)和教學(xué)水平的提升帶來(lái)了很多不利的因素.

2.2教學(xué)思路開(kāi)始模糊

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的設(shè)置是一個(gè)系統(tǒng)的工程，在框架內(nèi)對(duì)學(xué)生思維的鍛煉和對(duì)知識(shí)的運(yùn)用是一個(gè)很大也很重要的目的.一旦使用能夠大大簡(jiǎn)化流程的計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行教學(xué)，有很多老師開(kāi)始對(duì)實(shí)驗(yàn)或者教學(xué)的目的開(kāi)始模糊，教學(xué)的思路也不像用粉筆和黑板時(shí)那么的清晰.形式的簡(jiǎn)化雖然帶來(lái)了方便，同時(shí)也意味著思維和思路的簡(jiǎn)化.當(dāng)實(shí)驗(yàn)僅僅變成了實(shí)驗(yàn)本身，如果操作不當(dāng)，實(shí)驗(yàn)課程所應(yīng)起到的作用就不會(huì)那么明顯了.

2.3學(xué)生思考時(shí)間縮短

如果我們?cè)谲浖泻?jiǎn)單輸入幾個(gè)參數(shù)，處理的結(jié)果就會(huì)給出來(lái)，那么我們還會(huì)關(guān)注數(shù)字本身的計(jì)算過(guò)程么？在物理實(shí)驗(yàn)中，計(jì)算機(jī)軟件的應(yīng)用正是起到這樣一種作用.通常一個(gè)需要間接測(cè)量方法才能夠得到的物理量，中間需要的是公式和方程式的推導(dǎo)，比如對(duì)電阻率進(jìn)行測(cè)量時(shí)，我們需要公式的轉(zhuǎn)換，但是如果運(yùn)用軟件，僅僅是在輸入端輸入一組數(shù)據(jù)，被測(cè)物的電阻率曲線(xiàn)（電阻率與溫度的曲線(xiàn)）就會(huì)呈現(xiàn)出來(lái)，久而久之，可能對(duì)中間的轉(zhuǎn)換就不會(huì)那么重視.另外，老師們依據(jù)軟件的計(jì)算結(jié)果對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行講解，相比于一個(gè)學(xué)生一個(gè)點(diǎn)一個(gè)點(diǎn)的在方格紙上描畫(huà)所得到的體會(huì)是少了許多的，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的個(gè)人體驗(yàn)是十分重要的，在計(jì)算機(jī)軟件引入后，強(qiáng)烈的個(gè)人體驗(yàn)開(kāi)始減弱，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的思考時(shí)間大幅度減少，為他們?cè)趯?shí)驗(yàn)道路上繼續(xù)走下去埋下了隱患

總結(jié)：計(jì)算機(jī)軟件對(duì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)而言，既有很多的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也存在很多的弊端，并且這兩種截然不同的效果同樣的明顯.那么，在教學(xué)的過(guò)程中，如何更多的發(fā)揮優(yōu)勢(shì)，盡量的規(guī)避這些弊端，必然成為一個(gè)值得廣大教師思考的話(huà)題.

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中圖分類(lèi)號(hào)：G642

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673- 260X（2015）03- 0003- 02