淺談可視化在物理教學(xué)中的意義

可視化是一種計算機技術(shù)，是指利用計算機將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖形或圖像，甚至是三維動畫顯示出來?？梢暬瘧?yīng)用于物理教學(xué)具有很強的輔助作用，能將現(xiàn)有條件下很難實現(xiàn)或不易觀察的物理現(xiàn)象直觀地展現(xiàn)出來。實現(xiàn)物理過程或現(xiàn)象的可視化并運用于課堂教學(xué)，對激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高課堂效率有著十分重要的作用。筆者以淺顯的文字，簡要論述可視化在物理教學(xué)中的意義。

一、活躍課堂，提高學(xué)習(xí)效率

圖形和彩色給人的視覺沖擊遠(yuǎn)比文字強烈，給人留下的印象也遠(yuǎn)比文字深刻，如果我們在課堂上充分利用多媒體設(shè)備，把事先模擬好的物理情景或物理過程以圖形或者三維動畫的形式呈現(xiàn)在屏幕上，比如圓周運動的雙星系統(tǒng)、彈性碰撞過程等，能夠吸引學(xué)生的注意力，使他們集中精力于課堂學(xué)習(xí)之中，從而告別過去枯燥、乏味、昏昏欲睡的課堂。物理現(xiàn)象、情景的可視化活躍了課堂的氣氛，豐富了課堂的內(nèi)容，提高了課堂的效率。

二、激發(fā)興趣，培養(yǎng)主動學(xué)習(xí)的習(xí)慣

將平時生活中不易注意或是很難看到的現(xiàn)象進(jìn)行可視化模擬，比如衛(wèi)星的運行，光的干涉、衍射等，還能增強學(xué)生的好奇心，激發(fā)他們學(xué)習(xí)物理的興趣，促使他們關(guān)注日常生活中的物理現(xiàn)象，逐步形成主動探索的精神，培養(yǎng)在實踐中學(xué)習(xí)的能力，鍛煉課后自主學(xué)習(xí)的能力，徹底改變傳統(tǒng)的教師“教死書”，學(xué)生“死學(xué)書”的現(xiàn)象。

三、輔助并加深對所學(xué)知識的理解

物理是一門以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科，實驗除了能培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、體驗知識的獲得過程外，還能使學(xué)生加深對實驗結(jié)論的記憶和對知識的理解。如果我們能夠?qū)Σ豢梢娀虿灰鬃龅膶嶒灒ㄓ绕涫枪鈱W(xué)實驗）進(jìn)行可視化模擬，效果更加明顯。

光的多縫夫瑯和費衍射中，多縫按其光柵常數(shù)把入射光波波面分割成多個部分，每部分成為一個單縫而發(fā)生夫瑯和費衍射。由于單縫衍射之間是相干的，因此多縫夫瑯和費衍射的復(fù)振幅分布是所有單縫夫瑯和費衍射復(fù)振幅分布的疊加。其光強表達(dá)式：

就能直觀地看出多縫干涉因子受到單縫夫瑯和費衍射因子的調(diào)制之后便形成了明暗相間的等距條紋；由圖1中的第二個和第三個就能很明顯看出每個主極大是相應(yīng)單縫夫瑯和費衍射主極大的縫數(shù)的平方倍，而且每兩個主極大之間有N-1個零級；另外，在圖2中的最后一個圖中也很清楚的體現(xiàn)了滿足縫的間距是縫寬的整數(shù)倍時便會出現(xiàn)缺級的情況。

以上都是多縫夫瑯和費衍射條紋的基本特征，同時也說明了多縫夫瑯和費衍射是多縫衍射因子受到單縫衍射因子調(diào)制的基本原理。簡單的兩個圖便充分體現(xiàn)了多縫夫瑯和費衍射的基本原理以及條紋特性，把原本需要幾節(jié)課的內(nèi)容濃縮成了一節(jié)課的內(nèi)容，以簡單的幾行代碼就代替了以前繁瑣復(fù)雜的實驗，而且沒有受實驗時間、地點等外界條件的影響。

四、直觀地體現(xiàn)特定條件下物理結(jié)論的變化規(guī)律

在研究物理的過程中，我們不但要知道基本規(guī)律，還要研究在外界條件變化的情況下的變化規(guī)律，比如上述多縫夫瑯和費衍射中，如果縫數(shù)N、縫寬a、縫距d等的某個甚至幾個條件改變，那么條紋又會有什么變化呢？固然根據(jù)公式（2）也能推算，但多個條件變化時就會束手無策，讓人絞盡腦汁還未必能得到準(zhǔn)確的結(jié)果。但如果我們借助Matlab數(shù)學(xué)軟件模擬出相關(guān)的情況，只要在程序中改變相應(yīng)變化量的數(shù)值參量，便會得出新條件下的兩種成像情況，甚至可以將這兩種成像情況放置在同一幅圖中，通過比較不難得到衍射條紋縫數(shù)越大，主極大的寬度越小，反映在觀察面上主極大亮紋越亮、越細(xì)等的變化規(guī)律。

另外，如果結(jié)合多個軟件，如Matlab的可視化界面，用Vb語言等建立一個直觀的用戶界面，把所有的參量在動態(tài)文本中隨意設(shè)置，甚至可以設(shè)置數(shù)值每隔一小段時間變化一次，就可以看到一個動態(tài)的畫面，進(jìn)而方便、快捷地展現(xiàn)物理現(xiàn)象的變化規(guī)律。

結(jié)束語

實現(xiàn)物理現(xiàn)象的可視化，可增強課堂教學(xué)的直觀性和趣味性，同時也增強了課堂教學(xué)的容量，提高了教學(xué)的效率以及學(xué)生的學(xué)習(xí)能力；把枯燥的理論推導(dǎo)變成一張張含義豐富的圖片，用簡單的動畫代替了實驗又不受制于時間、地點的限制，真正實現(xiàn)“在樂中學(xué)，在學(xué)中樂”的愿望。

（責(zé)任編輯 易志毅）