大學物理實驗總結中計算機軟件運用的利弊研究

祝丹（武漢工程大學　理學院，湖北　武漢　430062）

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大學物理實驗總結中計算機軟件運用的利弊研究

祝丹
（武漢工程大學理學院，湖北武漢430062）

摘要：計算機軟件在大學物理實驗中的應用是物理教學過程中一項十分重要的改革和嘗試.在實踐的過程當中，計算機軟件應用對于學生學好大學物理實驗這門課程以及學生自身的成長各有利弊.在本篇文章中，作者根據自己的觀察和思考，對這些利弊進行了總結，希望能夠引起一線老師們的注意，發揮計算機軟件的長處，抑制其弊端，真正發揮出現代科技對教學的促進作用.

關鍵詞：計算機軟件；大學物理實驗；利弊研究

計算機作為第三次科技革命的代表產物，標志著人類從此進入到了信息時代.自從計算機誕生以來，其方便、準確和快捷的特點使其本身已經滲透到了各行各業當中.在最近幾年的教學實踐當中，教育工作者們逐漸發現，計算機軟件的引入一方面使得教學更加生動有趣，方便準確和交流方便，為教學模式帶來了革命性的變化；而另一方面，由于計算機軟件的引入，老師們開始變得懶惰，教學過程中的教學思路開始模糊，并且學生們用于思考的時間在不斷縮短，使得教學開始走向了一個令人生畏的方向.以大學物理實驗課程為例，我們在在下面的文章中，對計算機軟件引入的利與弊開始進行剖析.

1　計算機軟件為大學物理實驗總結帶來的益處

計算機軟件在越來越多的場合得到應用已經成為了一個歷史發展的趨勢和必然，并且在近些年的發展過程中，成功進入了各學科的教學一線.從個學科教學目前已經發展到了實驗課程.在大學物理實驗課程中，用計算機軟件技術來進行實驗數據的處理，實驗結果的討論以及實驗范圍的擴大，都成為計算機軟件在這一領域的強項.

1.1實驗數據的處理

大學物理實驗往往有很多的數據需要處理，在傳統的教學和實驗過程中，通過鉛筆在白紙上進行計算的模式下，很容易讓學生產生厭煩的情緒，并且人工計算太多的數據容易產生錯誤，并且碰到開方或者計算對數時使人們陷入到無奈當中，有時候即使運用科學計算器也于事無補.例如，大學物理中有一個關于液體粘度的測定用是落球法，需要用到一個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中，用秒表測出已定刻度線之間小球運動的時間，從而計算出小球運動的速度，然后根據小球受到的阻力來計算出液體的粘度.這個實驗通常要做4—5組的實驗來求取一個平均值，那么在取平均值時就有了幾個不同的數值平均，第一是在放大鏡下測量小球的直徑，然后取一個平均值，第二是下落時間的平均值，第三個是直接每一個小球在液體中運行的速度平均值，第四個是分別用四個小球測出速度并且計算出粘度再求取粘度的平均值.至于各種方法的合理性，我們通過人工的計算往往是很難得出來結論的，但是，如果引入計算機軟件以后，可以通過簡單地每一組數據輸入進去，然后選擇所需要的結果，關于每一組方法所得到的誤差就能夠被估計出來，選擇誤差最小的計算方法，能夠得到更加準確的結果.再者，如果我們要分析小球下落速度與直徑的關系，在傳統的分析體系中，往往是通過用圖表或者折線的方法進行，這些對于三四個結果還好分析，如果涉及到十幾二十個結果，分析起來就十分費勁了，這對一個人的勞動量是驚人的.但是，如果我們借助于計算機軟件，只需要將測量得到的最原始的數據按順序輸入進去，在分析框中，選出自己所要的結果類型，計算機就會自動生成一系列的表格和圖像，甚至對于曲線還能夠擬合出來相應的曲線方程.對于不同的結果用不同的顏色進行標記，能夠使結果一目了然更加清晰.

另外，對于每一個實驗，專業的軟件往往考慮的更加全面，例如，在測定隨機誤差的實驗過程中，對于平均值，軟件可以快速計算出算數平均值，幾何平均值和算數平均值.振動周期和震動幅度等的分析在專業軟件中直接可以對震動的區間和震動長度的誤差進行分析，還可以直接得出震動在整個系列實驗中的隨時間或者別的因素變動的各類參數等，具有很好的統計效果.在對大量數據進行分析的時候，運用計算機軟件可以做到隨時對兩個相互關聯的因素進行數據處理，或許能夠取得很好的效果，而這一點，在傳統的用紙筆是無法輕易實現的.

1.2實驗結果的討論

如果我們將一個班級的同學分成若干個小組進行物理的實驗，當這些小組得出的實驗結果不同時，如果運用傳統的教學方式，需要將各自的結果進行比較，其任務量是可想而知的，也就是說對學生實驗結果進行討論是一個比較復雜的過程.運用現代化的軟件處理學生們獲得的實驗結果，再結合多媒體的力量，將學生的得到的結果進行統計和處理，可以得到一個分布，然后與學生們進行結果的討論和分析，對教學效果的提升有一定的積極意義.運用計算機軟件，能夠對看不到摸不著的東西進行直觀的模擬，并且對很多

物理量進行分析和對比.

在軟件中，對結果的呈現也是一個十分重要的優勢，這是運用表格等傳統結果分析討論模式所不具備的.例如，對不同組的數據，可以采用柱狀圖或者餅狀圖的方式進行呈現，更加直觀的可以發現.加入一個年級的學生在做某一個物理實驗中，例如對長度的測量，我們可以將誤差在一個較小范圍的組記為優秀，將誤差范圍大的記為差，中間的記為一般.那么根據統計軟件的出來的結果，顯示餅狀圖顯示，可以很直觀知道在整個年級中自己的實驗結果處于怎樣一個位置.如果加上多媒體的優勢，我們可以將某一個小組的實驗結果進行大屏幕的展示，通過學生自己的實驗結果進行教學的推進是一個很好的教學方式，也算是對實驗結果的討論.

1.3實驗范圍的擴大

大學物理實驗中，很多的書本知識在實驗現實條件下是無法進行的.計算機軟件技術的引入使很多看似不可能的實驗變成了現實，使很多在實驗室不能做的實驗在虛擬的環境中展示.例如一個簡單的宇宙速度的推算，在實驗室中是無法完成的.這個想法其實是來源于一個簡單的想法.假如從山頂上平拋一塊石頭，平拋的速度越大，那么石頭會飛的越遠，那么當速度達到多大的時候，石頭的落地距離能夠超過地球的周長呢？也就是說，當速度達到多大時，拋出去的石頭能夠永遠不掉下來呢？單純地用語言來描述難免有些干癟，那么，如果我們用計算機軟件去模擬這樣一系列的實驗，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，學生對這一概念的理解會深刻很多.

在某種情況之下，對實驗結果的討論必須在軟件的環境下進行.例如，對磁場的認識是一個看不見摸不著的實驗，在傳統的教學模式下，很難通過自己的描述是學生在腦海中對電磁線圈周圍的磁場強度和磁感線的排列有一個清晰的認識.運用現代計算機軟件的模擬效果，將一個特定線圈和特定電流作用下產生的磁場進行三維的彩色模擬，可以使學生從全方位對線圈周圍看不見的磁感線方向和密度進行直觀的認知，對于電磁場和電磁波的存在和傳播都能夠有很好的認識，對于這部分實驗內容與課本知識的結合也有很好的益處.另外，有興趣的學生還可以根據自己對電磁場的認知，在計算機中輸入幾個相關的參數如線圈的直徑、匝數或者電流的大小，從而建立起自己的電磁場模型，讓兩組參數建立的模型進行對比，或者對異形的電磁線圈進行考慮，得到線圈周圍的磁感線分布.事實上，有心的學生會發現，例如電場、磁場、熱場等場在模擬時有很多的共通之處，這也就是現代物理“場論”的一個重要體現，對學生從整體物理學的尺度上進行掌握和理解，對物理科學中體現出來的精神和思想能夠有很好的認識.

2　計算機軟件為大學物理實驗總結帶來的弊端

計算機軟件在大學物理實驗教學中縱然帶來了很多益處，相對于傳統的教學模式，縱然有很多的優勢，但并不代表計算機軟件就是萬能的.在實際的操作過程中，我們發現，計算機軟件在大學物理實驗中的應用同時為我們帶來了一些弊端.

2.1老師們開始變得懶惰

計算機軟件的引入使老師們擺脫了用小黑板和粉筆來為學生一步步推導實驗原理和講解實驗過程的教學模式.在理論課上，直接用一張幻燈片就解決了全部的問題.實驗的原理通過圖片和旁邊的文字解說為學生呈現出來，老師們通過一勞永逸的方法一舉將自己從繁雜的勞動中解脫.更有甚者，有很多實驗課的老師是通過下載別人的教學課件進行講解的，本來自己可能就一知半解，除去了一步步的推導過程，將實驗的原理和步驟直接暴漏給學生，學生的思維沒有根據要求一步步的形成，對于學生實驗思維和創造力的形成都很不利.運用軟件，省去很多的中間步驟，老師就會越來越懶惰，長期對著自己的課件進行實驗的講解，難免造成思維的僵化，對自身業務和教學水平的提升帶來了很多不利的因素.

2.2教學思路開始模糊

大學物理實驗的設置是一個系統的工程，在框架內對學生思維的鍛煉和對知識的運用是一個很大也很重要的目的.一旦使用能夠大大簡化流程的計算機軟件進行教學，有很多老師開始對實驗或者教學的目的開始模糊，教學的思路也不像用粉筆和黑板時那么的清晰.形式的簡化雖然帶來了方便，同時也意味著思維和思路的簡化.當實驗僅僅變成了實驗本身，如果操作不當，實驗課程所應起到的作用就不會那么明顯了.

2.3學生思考時間縮短

如果我們在軟件中簡單輸入幾個參數，處理的結果就會給出來，那么我們還會關注數字本身的計算過程么？在物理實驗中，計算機軟件的應用正是起到這樣一種作用.通常一個需要間接測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，比如對電阻率進行測量時，我們需要公式的轉換，但是如果運用軟件，僅僅是在輸入端輸入一組數據，被測物的電阻率曲線（電阻率與溫度的曲線）就會呈現出來，久而久之，可能對中間的轉換就不會那么重視.另外，老師們依據軟件的計算結果對實驗結果進行講解，相比于一個學生一個點一個點的在方格紙上描畫所得到的體會是少了許多的，實驗過程中的個人體驗是十分重要的，在計算機軟件引入后，強烈的個人體驗開始減弱，學生對實驗的思考時間大幅度減少，為他們在實驗道路上繼續走下去埋下了隱患

總結：計算機軟件對大學物理實驗而言，既有很多的優勢，同時也存在很多的弊端，并且這兩種截然不同的效果同樣的明顯.那么，在教學的過程中，如何更多的發揮優勢，盡量的規避這些弊端，必然成為一個值得廣大教師思考的話題.

參考文獻：

〔1〕童安拉，彭江.計算機技術在開放式大學物理實驗教學中的應用探析[J].數字教育，2010（09）.

〔2〕黃英群，王秀娥，等.大學物理實驗計算機與網絡輔助教學研究[J].中國地質教育，2001（04）.

〔3〕樊洋，姚陸峰.計算機輔助數據處理在大學物理實驗中的應用[J].實驗室科學，2013（06）.

中圖分類號：G642

文獻標識碼：A

文章編號：1673- 260X（2015）03- 0003- 02