IT技術(shù)在光學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

崔亮 陳昊 薄艷莉

摘 要： 在目前高校光學(xué)教學(xué)中，光路、成像、波動光學(xué)等教學(xué)內(nèi)容由于比較抽象，經(jīng)常需要相關(guān)儀器設(shè)備輔助。隨著光學(xué)領(lǐng)域的研究不斷深入、教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整與更新，現(xiàn)有教學(xué)所用儀器設(shè)備往往達(dá)不到教學(xué)要求，而且光學(xué)設(shè)備往往造價較高，精密程度要求嚴(yán)謹(jǐn)，在實際教學(xué)中經(jīng)常造成損壞。IT技術(shù)的應(yīng)用很好地解決了上述問題，本文介紹了JAVA語言在實現(xiàn)可視化光學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用實例，并闡明了利用IT技術(shù)輔助光學(xué)教學(xué)的必要性和可行性。

關(guān)鍵詞： 光學(xué)教學(xué) IT技術(shù) JAVA語言

一、概述

由于光學(xué)教學(xué)內(nèi)容難懂且抽象，在教學(xué)過程中需要呈現(xiàn)的光學(xué)現(xiàn)象很難在現(xiàn)實條件下顯現(xiàn)，教師在教學(xué)過程中通常需要借助光學(xué)儀器設(shè)備向?qū)W生呈現(xiàn)一些光學(xué)現(xiàn)象，但受制于實驗、實訓(xùn)條件，很多光學(xué)現(xiàn)象并不能直觀地呈現(xiàn)在學(xué)生面前，勢必使枯燥難懂的光學(xué)知識難以被學(xué)生直觀理解。教師通常需要在課堂上繪制各類光路圖，解釋各種光學(xué)原理，既費(fèi)時又耗力，未必達(dá)到理想的效果。

IT技術(shù)擁有可控、可視、可模擬等強(qiáng)大功效，現(xiàn)階段作為課件主力軍的“PPT”是課堂上多媒體教學(xué)的主力軍，但其如果應(yīng)用到光學(xué)教學(xué)中卻還不夠支撐教學(xué)所需。Java語言作為面向?qū)ο蟮母呒壵Z言勢必可以解決這一教學(xué)問題。

二、開發(fā)工具選取

Java，是一種可以撰寫跨平臺應(yīng)用軟件的面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計語言。Java技術(shù)具有卓越的通用性、高效性、平臺移植性和安全性，廣泛應(yīng)用于個人PC、數(shù)據(jù)中心等領(lǐng)域。

Jsp，java服務(wù)器頁面，是一種動態(tài)網(wǎng)頁技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。它是在傳統(tǒng)的網(wǎng)頁HTML文件（*.htm，*.html）中插入Java程序段（Scriptlet）和JSP標(biāo)記（tag），從而形成JSP文件，后綴名為（*.jsp）。用JSP開發(fā)的Web應(yīng)用是跨平臺的，既能在Linux下運(yùn)行，又能在其他操作系統(tǒng)上運(yùn)行。

三、建立需求分析

用Java語言完成光路模擬，其結(jié)果應(yīng)是可調(diào)、直觀、可呈現(xiàn)的，需要設(shè)計并制作出網(wǎng)頁做前臺，程序為后臺的光學(xué)模擬系統(tǒng)。系統(tǒng)開發(fā)的首要任務(wù)是需求分析，主要從以下方面開展。

一是誰將使用本系統(tǒng)？本教學(xué)系統(tǒng)的開發(fā)的首要用戶是廣大教學(xué)一線的教師和學(xué)生。二是系統(tǒng)參與者會通過此系統(tǒng)做些什么事情？采用本系統(tǒng)完成在現(xiàn)實條件下不能呈現(xiàn)的光學(xué)現(xiàn)象和光路的模擬顯示。三是同一個參與者所做的實驗結(jié)果是否一致？由于系統(tǒng)涉及的是物理學(xué)光學(xué)定理，既然是定理，就是永恒的，不會發(fā)生“同一個輸入出現(xiàn)不同結(jié)果”的異常現(xiàn)象。

四、系統(tǒng)設(shè)計

本次設(shè)計主要針對光的反射、光的折射、凸透鏡成像、類的建立。在此階段中，嘗試描述class的長相、class與class之間的互動方式。即描述“類—責(zé)任—協(xié)同合作關(guān)系（Class-Responsibility-Collaboration，CRC）”。下面以完成的4個任務(wù)中的第一個為例：Reflection.class。class的名稱：其中建立了2個class。第一個class為：public class Reflection extends JApplet{/*code*/}，這個是主類，它繼承了JApplet。第二個class為：Mypanel extends JPanel implements ActionListener{/*code*/}，這個類繼承了JPanel類，以及實現(xiàn)了事件監(jiān)聽接口。class的責(zé)任：類Reflection的責(zé)任主要是對applet進(jìn)行初始化，以及界面的布局。其中包括聲明了Mypanel；JPanel downframe；布局如下：在downframe上放置一個textfield及兩個button按鈕，用以輸入一些數(shù)據(jù)和進(jìn)行事件的觸發(fā)，如“Play”按鈕表示可以根據(jù)參數(shù)來演示定理。“Clear the bodrd”按鈕表示將界面upframe清屏。upframe由于繼承了JPanel，而JPanel有特殊的畫圖功能，因此upframe主要負(fù)責(zé)接收由down frame中傳來的參數(shù)數(shù)據(jù)，然后對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最后在upframe上根據(jù)光學(xué)定理進(jìn)行畫圖演示。

class的協(xié)同合作。程序中總共有2個類，即Reflection類和Mypanel類。這兩個類主要是通過button的觸發(fā)獲取textfield中的參數(shù)進(jìn)行繪圖工作的。在Reflection類中，將button和textfield的對象都聲明為static型。一旦在Reflection類中的button觸發(fā)了一個事件，類Mypanel立刻由其函數(shù)public void action Performed（Action Eventevt）throws NumberFormatException{}處理傳遞過來的參數(shù)，并且將無效的參數(shù)剔除，只接受有效的參數(shù)，再根據(jù)光學(xué)的相關(guān)定理計算，將計算結(jié)果傳遞給負(fù)責(zé)繪圖的函數(shù)publicvoiddraw（GraphicscurG）{}，由它進(jìn)行效果繪圖。

在定義類和變量的基礎(chǔ)上，主要工作也是核心工作就是算法。在編寫程序以前，如何實現(xiàn)軟件預(yù)期功能必須有一個有效的算法，這次設(shè)計的主體共分成了四個模塊，即光的反射、光的折射、凸透鏡和凹透鏡成像。下面以凸透鏡成像的基本原理為例。凸透鏡成像主要是輸入“物距”和“物高”進(jìn)行點的確定計算。根據(jù)成像公式1/u+1/v=1/f，f是焦距，在實驗中設(shè)定為10單位。在具體計算中，根據(jù)相似三角形進(jìn)行公式計算，如下圖所示：

三角形POY（Y代表Y正向）與三角形POY-（Y-代表Y的負(fù)向）。互為相似三角形。三角形POY-（Y-代表Y的負(fù)向）與三角形POY（Y代表Y正向）互為相似三角形。由相似三角形的原理找出一定的比例就能實現(xiàn)成像的光路，該程序正是在這樣的算法思路下完成的。

以上所有點的計算，都由在類中的compute（）函數(shù)完成。當(dāng)計算完畢后，各個類中的點成員變量都賦予了相應(yīng)的值，然后調(diào)用draw（）方法，在JPanel上畫出線條即可。

五、軟件測試

在軟件測試中我們選取了教師、學(xué)生代表，測試出現(xiàn)的主要問題局限于以正確的有效輸入為之進(jìn)行正確的“引導(dǎo)”，進(jìn)行工作。對于程序編寫者來說，需要讓使用者知道什么樣的數(shù)據(jù)可以輸入，系統(tǒng)才可以接受并且完成工作；什么樣的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)讀了之后會出錯，出錯后需有相對應(yīng)的提示告知。這里在程序設(shè)計中使用了Java中的異常處理，解決了上述問題。

六、結(jié)語

通過本光學(xué)模擬系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)，體現(xiàn)了IT技術(shù)（Java語言）在模擬仿真教學(xué)中起到的重要作用，通過本系統(tǒng)的使用加深了學(xué)生對光學(xué)基本原理的理解，加深了對光學(xué)知識點的印象，解決了廣大教師上課之所急、所需。隨著IT技術(shù)的不斷發(fā)展和光學(xué)研究的不斷深入，IT技術(shù)在光學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用將更加深入和廣泛。

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