张娟 论文 初稿计算机辅助中学物理教学的研究 定稿副本.docx
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张娟论文初稿计算机辅助中学物理教学的研究定稿副本
玉林师范学院本科学士学位论文
计算机辅助中学物理教学的研究
ComputerAidedMiddleschoolphysicsteaching
姓名：
张娟
专业：
应用物理
学号：
201005416107
学生班级：
应用物理2010班
院系：
物理科学与工程技术学
指导老师单位：
物理科学与工程技术学院
指导老师姓名：
罗志荣
完成日期：
2014年5月
目录
ABSTRACT3
第一章绪论4
1.1信息时代的中学物理教学4
1.2计算机辅助中学物理教学的发展5
1.3计算机辅助中学物理教学的目的和意义5
第二章计算机辅助中学物理教学的特点及优势7
2.1计算机辅助中学物理教学的特点7
2.2计算机辅助中学物理教学的优势9
第三章计算机辅助中学物理教学的实例12
3.1处理实验数据并绘制图线12
3.2运动过程中的动态模拟14
3.3微观现象的动态模拟24
第四章结束语29
参考文献30
致谢31
中文摘要
计算机辅助中学物理教学是在中学物理教学过程中，运用计算机这种现代高科技手段作为主要教学媒介所进行的教学活动。
它在调动学生学习的积极性、主动性、创造性，提高课堂教学效率等方面都有着传统教学手段无法比拟的优势，可推进了中学物理教学的改革、是实施素质教育的有效途径。
本文首先对信息时代的计算机辅助中学物理教学的发展情况以及目的和意义进行了论述。
接着，详细阐述了计算机辅助中学物理教学特点及优势。
最后，就计算机辅助在中学物理教学中的应用，详细列举了计算机辅助中学物理教学的实例，同时，说明了计算机辅助中学物理教学在信息时代的重要作用。
关键词:
计算机辅助教学中学物理布朗运动Matlab
ABSTRACT
Computer-aidedschoolphysicsteachinginhighschoolphysicsteachingprocess,theuseofmodernhigh-techmeansofacomputersuchasthemainmediumofinstructioninteachingactivitiescarriedout.Itmobilizestudents'enthusiasm,initiativeandcreativity,improveteachingefficiencyandotheraspectsoftraditionalteachingmethodshasincomparableadvantages,canpromotethereformschoolphysicsteachingisaneffectivewaytoimplementqualityeducation.
Schoolphysicsteaching,asabasisfornaturalscienceteaching,tocomprehensivelyimprovethequalityofstudents,especiallystudentstoexploretheabilityofthenaturalsciences,namely,questions,problemsandproblem-solvingabilitiesdiscoveryhasveryimportantsignificance.Therefore,thefullapplicationintheteachingprocessmodelofcomputertechnology,thereformofteaching,teachingmethodsandmeansoftrainingpersonnelisparticularlyimportantinthe21stcentury.
Keywords:
ComputerAidedInstructionMiddleschoolphysicsBrownianmotion
第一章绪论
1.1信息时代的中学物理教学
近年来，随着计算机多媒体技术和网络通信技术的迅速发展，人类己进入了充满活力、富于创造的信息时代。
随着教育现代化工程的启动，计算机正逐步走进物理课堂教学中。
勿庸置疑，这种现代化教学手段的使用增强了物理课堂教学的趣味性、直观性，增大了课堂容量，充分调动了学生的学习积极性，在许多方面是传统的教学模式所无法比拟的。
有关计算机辅助教学的应用与研究也也越来越深入。
中学物理教学作为自然科学教学的基础，对全面提高学生的素质，特别是培养学生探索自然科学的能力，即提出问题、发现问题和解决问题的能力，具有非常重要的意义。
因此，在教学过程中充分应用计算机技术，改革教学的模式，优化教学方法和手段，对培养21世纪人才尤为重要。
1.2计算机辅助中学物理教学的发展
我国计算机辅助教育工作起步较晚。
20世纪80年代初期，一些高等学校在APPLEⅡ等微型机上开发了计算机辅助语言教学系统和各类科目的辅助教学软件包。
后来，随着IBM微型机及其兼容机的普及，人们又在其上开发了一些教学软件。
1985年召开了第一次计算机辅助教育学术交流会，1986年，原国家教育委员会基础教育司成立了“全国中小学计算机实验研究中心”。
高等教育司在1993年和1994年分别组织高等工科院校和理科院校成立了CAI协作组，组织和指导高等学校CBE的应用和研究工作[1]。
21世纪伊始，在教育部的统一指导下，面向全国几千所种类高等院校，大力宣传国家关于教育信息的方针政策，开展教师的教育技术培训。
与此同时，计算机网络在学校的教育中发挥了作用。
1.3计算机辅助中学物理教学的目的和意义
利用计算机辅助物理教学，可以突破难点，突出重点，启发想象力，吸引学生注意力，创设情境，激发学生学习兴趣，加深印象，促进记忆，增加教学密度，丰富教学内容，扩大知识面，更好地提高教学效果。
中学生的思维活跃，精力充沛，他们的情感和兴趣容易随外界环境的变化而变化。
心理学研究表明：
中学生好奇心很强，兴趣广泛，情感丰富，对新鲜事物异常敏感。
从认知规律上分析：
中学生抽象逻辑思维能力日益增强，但具体形象思维仍然占有重要的地位。
在物理教学过程中要通过形象思维促进抽象思维的发展，培养学生在时间、空间和微观动态上的想象力。
物理学上很多知识比较抽象，计算机辅助教学能给学生形象、直观的动态图像、视频等信息有利于学生思维能力的提高。
计算机辅助教学能激发学习物理兴趣，这在物理教学中尤其突出。
例如:
物理课中发电机电动机的工作原理、带电粒子在电场中的运动、原子的核式结构模型等，这些知识点的共同特征是比较抽象，学生不易理解，难以建构知识结构，但是运用计算机辅助课件可以化静为动，化不可见为可见，化抽象为直观，以直观的形象触发学生的联想与想象，从而达到对教学内容深层理解，激发学生学习兴趣，从而提高教学的质量。
计算机辅助教学能够实现从微观向宏观转移。
由于条件限制，物理教学中有些物理的实验在课堂教学中无法演示，学生只能从理论上认识了解。
我们可以应用多媒体的三维动画的进行动态的模拟演示。
利用计算机多媒体强大的动画功能可以解决许多用常规手段难以表达或可见度低的实验，如有关波的实验（波的独立性、波的干涉和衍射等）、透镜成像（成像原理、演示物体靠近或远离透镜时，像的动态变化等）；也可以通过计算机放大微观世界，采用“放慢镜头”模拟外部环境变化等手法来演示分子运动理论、物体与物体的相互作用（如碰撞过程、物体微小形变）、气体状态变化等一些实验。
这些画面清晰、直观并且可以瞬间定格、重复播放，既减少了教师的劳动强度又使学生理解快、记忆扎实。
第二章计算机辅助中学物理教学的特点及优势
2.1计算机辅助中学物理教学的特点
我们知道物理学是一门比较抽象又是以实验为基础的自然学科。
许多神奇而又奇妙的物理现象用实验常规方法难以实现，使学生不能获得感性理解，于是难以产生丰富的联想，难以完成从实验现象到物理规律的抽象。
计算机辅助教学为解决这一问题提供了一种有效手段，计算机技术不但能再现或模拟各类物理现象，而且还能通过各种手段使复杂的问题简化，将漫长或瞬间的物理演变过程成为可控、有序的演化过程，使学生在课堂上完整、清晰、形象地感知物理现象及其变化，给学生提供思维过程中必须的感性材料，帮助学生充分理解教材，大大激发学生的学习兴趣，很好地促进了学生认识能力的发展[2]。
另外，在信息时代运用计算机辅助教学已经成为中学物理教师必须进行学习和研究的重要课题。
特别地，在中学物理教学中使用MATLAB软件进行模拟仿真，数值计算、绘制物理规律图线和实验数据处理等都有其独特优势，并且简单易学，通过模拟仿真及绘制图线将复杂、抽象的物理过程，直观地展现给学生，提高学生的认知和理解能力，提高课堂效率。
这让计算机辅助中学物理教学具有以下几个突出的特点：
（1）计算机模拟物理现象
这里强调的物理过程模拟，不是示意性的简单动画，它演示的物理过程接近于真实。
如，电流是电荷的定向移动，这种移动是叠加在电子无规则运动基础上的定向移动；还有电容器充电、放电的过程；两球碰撞时先压缩、后恢复过程中两球速度、加速度的变化；核裂变的过程等。
（2）绘制物理图象
例如：
高中物理《光的干涉》一节中，介绍了著名的杨氏双缝干涉实验，并给出了产生双缝干涉图象示意图。
用计算机的高分辨绘图功能，可以绘制出双缝干涉示意图。
通过高分辨图象的交替显示，又可赋予画面以动态感，这样可以收到很好的教学效果。
（3）计算机解物理题
计算是计算机最基本的功能，任何物理计算题均可用它求解。
计算题越复杂，重复计算越多，越能体现计算机解题的优越性。
（4）计算机辅助物理操练
计算机辅助物理操练，其教学目的不是向学生传授知识，而是让学生通过大量的习题，达到巩固已学知识和形成技能的目的。
例如高中物理自测题库，它包括四套难易类同的题目，学生可随即产生一套自测题，供学生自我测试用，具有计时间、计成绩、累加总分、答案判断、正误信息反馈等功能。
（5）计算机处理实验数据
做物理实验，经常会得到若干数据，处理这些数据往往需要花费很多时间。
若利用计算机处理实验数据，不仅迅速，而且准确，还能自动绘制图表，比人工处理方便得多。
2.2计算机辅助中学物理教学的优势
从计算机辅助教学来看，计算机辅助中学物理教学有以下优势:
（1）抽象内容形象化，激发了学习兴趣。
物理学是研究物质运动和变化的科学，在某些方面，用传统的教学手段不易表现物理学中“动”和“变”的特点。
在物理教学中有很多难理解、抽象的概念，如力学中的动量和冲量的概念，电磁学中的电场、磁场概念，光学中干涉、衍射等，单凭语言是不易讲清楚的。
还有一些实验室无法做的实验，如α粒子散射实验，教师只能用语言讲述。
粒子射击金箔的过程，学生无法看到α粒子的运动情景，这样就影响了教学效果。
若采用计算机辅助教学，就可以用程序在屏幕上模拟α粒子散射实验的过程，就会使很多传统教学无法表现的现象更生动、更形象地得以实现，提高了教学效果，促进了学生学习的积极性。
众所周知，计算机的一个显著特点，除了它的高速运算功能外，还具有图形功能，利用计算机的图形功能，能够较好地把抽象的教学内容通过图形形象地描绘出来，扩大信息传输的通频带。
对于复杂的结构描述以及对于很强的动态性和微观性的描述，利用计算机都可以做到形象化。
如可以用计算机显示波动的产生和干涉过程，用计算机来演示布朗运动和电子衍射实验等，都能获得令人满意的效果。
（2）实现启发式教学，调动学习积极性。
中学物理教学过程与其他学科的教学过程有所不同，其突出的特点之一是:
教学过程不单纯以“承受知识”的活动为主，而且要辅之以“探索知识”的活动，不但要发展一般运用知识的能力，还要发展高层次的能力——创造力。
在物理教学过程中，减少学生对教师的依赖，按教学阶段逐步发展学生的独立思考、独立活动能力，这是学生进行探索性认识活动的客观要求。
但在以往的传统教学中，往往以教师为中心，学生的探索性认识活动难以开展。
在计算机辅助教学中，可利用计算机来向学生提出问题、分析问题，从而解决问题，引导学生遵循教学思路掌握所学内容，通过屏幕显示，逐步引导。
此外，常规的教学是集体进行的。
由于学生智能程度不同，经验各异，在新的学习中显示出不同的学习结果，教师应该分别对待，但传统的教学往往很难做到点面结合。
计算机辅助教学可适应不同对象、不同阶段的要求，注意选择所要学习的内容，学生学习时可重复选择多次，直至完全掌握，这样就不受课程教学的束缚，充分发挥了学生学习的主动性和积极性，真正可做到因材施教。
（3）学与练融为一体，提高教学效率[3]。
采用人机对话方式，学生与计算机之间有频繁的直接通讯活动。
计算机经常向学习者提出问题，学生回答后能立即得到检验，使学生处于比较紧张的环境中，必须集中注意力才行，这样大大提高了学习效率。
人机对话的交互式活动还为学生提供了自行控制学习速度的机会，一般来说，仅当学生作出一定的反应后，计算机才会引导他进入下一学习步骤，因此交互式活动使学生获得自行调节、反复操练的机制。
人机对话的交互式活动还意味着计算机对学生的反应提供评价的及时反馈，检查学生对所学内容掌握的程度，立即给出评分结果，从而激发学生积极向上、奋发进取的精神，促使他们努力学习，直到完全掌握，及时巩固所学内容，实现了自觉反馈。
（4）减轻教师负担，避免重复性劳动。
对物理课程中的某些内容，可由物理教师、教育学者、计算机专业人员等共同编写计算机辅助教学教材，利用计算机辅助教学。
一个良好的计算机辅助教学教材，可以提供多数的教师使用，因而可节省很多教学的劳力和时间，使教师有时间去从事教学研究活动。
对于有危险性或实验有困难的教材，计算机辅助教学更表现出其独特的优点。
值得指出的是，尽管计算机辅助教学有其显著优势，但它的辅助教学的地位和使用过程中不可避免的存在弊端,我们要能更好地使用计算机辅助物理教学充分发挥其积极作用，才能发挥其教学的最佳功效。
第3章计算机辅助中学物理教学的实例
在计算机辅助物理教学中将MATLAB软件应用于物理教学中，能使教学内容更加形象直观，更能够提高学生的学习兴趣，更用助于培养学生的创新能力。
3.1处理实验数据并绘制图线
物理实验数据得出后常常要经过相应的处理才能得出相关的结论,实验数据处理方法有很多种，在处理实验数据时可根据需要选择合适的一种方法表示实验的最后结果，但是手工作图和数据处理存在很大的误差,因此要想得到较好的实验数据和数据图,经常需要使用计算机来辅助完成。
例如：
利用伏安法测电源电动势E和内阻r的实验中，通过多次改变滑动变阻器阻值大小，记录对应电压表示数U和电流示数I，如表3-1所示:
U/V
1.45
1.33
1.21
1.09
0.97
0.85
I/A
0.02
0.10
0.18
0.26
0.34
0.42
U/V
0.73
0.61
0.49
0.37
0.25
0.13
I/A
0.50
0.58
0.66
0.74
0.82
0.90
表3-1电压和电流数据记录表
根据U=一Ir+E关系式，可知U一I图象满足线性关系，对表1中的数据利用一阶多项式拟合，程序如下:
>>clf;clearall;
i=[0.020.100.180.260.340.420.500.580.660.740.820.90];
u=[1.451.331.211.090.970.850.930.610.490.370.250.13];
plot（i,u,'.'）
holdon
p=polyfit（i,u,1）
i1=0.02:
0.02:
0.90;
u1=polyval（p,i1）;
plot（i1,u1）
gridon
title（'电压U与电流I的关系曲线','FontSize',16）
xlabel（'\it\I/A','FontSize',25）
ylabel（'\it\U/V','FontSize',25）
legend（'实验数据','拟合线'）
p=
-1.49131.4926
图3-1电压U与电流I的关系曲线
Fig.3.1Relationshipcurveofvoltagean
由上述可知，U一I关系式为:
U=-1.4913I+1.4926,则电源电动势1.4926V，电源内阻1.4913Ω。
通过MATLAB绘图可以简单、清晰、直观、准确的对中学物理实验数据进行处理并进行直线拟合，使得实验数据准确和直观化，加深了学生对实验的理解。
同时，还能让学生对个别实验数据的正误有了很直观的判断，提高了学生对科学的兴趣，加强了他们的动手能力.
3.2运动过程中的动态模拟
物理学中物体运动模型是非常抽象的，也是非常的重要，对解决实际问题有很大的帮助，使用MATLAB语言可以非常容易地演示这些模型，使其具体化。
运用MATLAB对物体运动情况进行实时模拟演示直观、明了、真切，使学生容易理解，记忆深刻，大大地提高了学习效率。
例如Matlab在平抛运动和斜抛运动中的动态模拟。
物理上所提到的平抛运动和斜抛运动都是一种理想化的模型，把物体看成质点，抛出后只考虑重力作用，不考虑空气阻力。
平抛运动是物体仅受重力作用以一定的初速度沿水平方向抛出的运动。
平抛运动可看作水平方向的匀速直线运动以及竖直方向的自由落体运动的合运动。
（1）平抛运动：
水平方向位移
（3.1）
竖直方向位移
（3.2）
合位移
（3.3）
位移方向与水平夹角
：
（3.4）
运用以上公式，我们可以求得物体在任意时刻的坐标并找到物体所在位置，用平滑曲线把这些点连起来，就得到平抛运动的轨迹和以不同初速度抛出时水平和竖直方向位移的关系曲线。
运用MATLAB编程得到物体运动的曲线和以不同初速度抛出时水平和竖直方向位移的关系曲线的程序分别如下：
%物体平抛运动轨迹
>>clf;clearall;
xsd=100;
t=0:
0.01:
10;
x=xsd*t;
y=-（9.8*t.^2）/2;
plot（t,y,'.'）
gridon
title（'物体平抛运动轨迹','FontSize',16）
xlabel（'\itt/s','FontSize',25）
ylabel（'\ity/m','FontSize',25）
>>
%水平位移与竖直位移关系曲线
>>clf;clearall;
t=0:
0.25:
10;
v0=[10:
5:
25];
y=-（9.8*t.^2）/2;
x1=v0
（1）*t;
x2=v0
（2）*t;
x3=v0（3）*t;
x4=v0（4）*t;
plot（x1,y,'>-',x2,y,'o-',x3,y,'s-',x4,y,'kp-','LineWidth',1.6）
h=legend（'v0=10','v0=15','v0=20','v0=25'）
set（h,'FontSize',18）%放大图例
gridon
title（'水平位移与竖直位移关系曲线','FontSize',20）
xlabel（'水平位移x/m','FontSize',20）
ylabel（'竖直位移y/m','FontSize',20）
>>
运行结果如图3-2、图3-3所示。
图3-2物体平抛轨迹曲线Fig.3.2Objectsthrownfl
图3-3水平位移与竖直位移关系曲线
Fig.3.3Horizontaldisplacementandverticaldisplacementcurve
斜抛运动是物体以一定的初速度斜向射出去，在空气阻力可以忽略的情况下物体所做的运动。
斜抛运动正交分解为沿水平方向的匀速直线运动和沿竖直方向的竖直上抛运动。
物体抛出方向与X轴正方向之间的夹角称为抛射角，用
表示。
小球能达到的最大高度叫做射高，数学分析如下：
（2）斜抛运动：
水平方向速度
（3.5）
竖直方向速度
（3.6）
水平方向位移
（3.7）
竖直方向位移
（3.8）
抛射能达到的最大高度
（3.9）
其到达最大高度所需时间为
（3.10）
空中飞行时间为
（3.11）
抛射体的最大射程为
（3.12）
从分析中可知在初速度
不变的情况下，随着抛射角
的增大，抛射最大高度和射程也随着增大，当
时，
，射程达到最大值，以后随着抛射角的增大，射程减小。
利用MATLAB的绘图功能，可以更直观的体现上述结论，其程序如下：
%图3-4斜抛运动轨迹
>>clf;clearall;
v0=30;%初速度
g=9.8;
theta=[75:
-15:
15]*pi/180;%75度60度45度30度15度共5个角度
x=linspace（0,100,30）;%水平坐标向量
y1=x.*tan（theta
（1））-1/2*g*x.^2./（v0*cos（theta
（1）））.^2;%高度位置矩阵
y2=x.*tan（theta
（2））-1/2*g*x.^2./（v0*cos（theta
（2）））.^2;%高度位置矩阵
y3=x.*tan（theta（3））-1/2*g*x.^2./（v0*cos（theta（3）））.^2;%高度位置矩阵
y4=x.*tan（theta（4））-1/2*g*x.^2./（v0*cos（theta（4）））.^2;%高度位置矩阵
y5=x.*tan（theta（5））-1/2*g*x.^2./（v0*cos（theta（5）））.^2;%高度位置矩阵
plot（x,y1,'>-',x,y2,'o-',x,y3,'s-',x,y4,'kp-',x,y5,'bd-','LineWidth',1.6）
h=legend（'\fontname{TimesNewRoman}\alpha=75°','\fontname{TimesNewRoman}\alpha=60°',...
'\fontname{TimesNewRoman}\alpha=45°','\fontname{TimesNewRoman}\alpha=30°','\fontname{TimesNewRoman}\alpha=15°'）;
set（h,'FontSize',18）%放大图例
gridon
title（'斜抛轨迹','FontSize',20）
xlabel（'水平距离x/m','FontSize',20）%显示x坐标
ylabel（'高度y/m','FontSize',20）%显示y坐标
axis（[0100050]）%曲线范围
set（gca,'xtick',0:
20:
100,'ytick',[0:
10:
50],'fontname','TimesNewRoman','FontSize',18）
>>
%图3-5抛体最大高度随角度变化曲线
>>a=linspace（0,pi/2）;%角度
alpha=180*a/pi;%装换成弧度
g=9.8;
v0=30;
vy=v0*sin（a）;
y=（vy.^2）/2/g;
plot
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