多語種夫瑯和費單縫衍射仿真實驗的開發

馬致明　阿卜杜熱伊木?圖爾蓀　木莎?哈山　阿不都卡得?克力木

摘 要：以物理模型的數學函數形式為依據，以VB 6.0為開發工具，利用繪圖方法和顏色漸變技術開發出了維吾爾語、哈薩克語、漢語多語種夫瑯和費單縫衍射仿真實驗，用交互式手段動態模擬出該實驗中衍射條紋間距和光強隨波長和縫距的分布情況，并實現了參數與效果圖之間的聯動，可為相應內容的教學提供強有力的輔助工具。

關鍵詞：夫瑯和費單縫衍射；仿真實驗；多語種；開發；VB6.0

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

1 引言（Introduction）

“光學”是以實驗為基礎的科學，光在傳播過程中遇到障礙物時偏離直線傳播的現象稱為光的衍射，光衍射后會在背景屏幕上形成光強有規則分布的光斑，這些光斑稱為衍射圖樣或衍射條紋，平行光束受狹縫限制所產生的衍射稱為夫瑯和費單縫衍射，其條紋分布、光強分布跟光源波長和狹縫縫距密切相關。

條紋分布規律：

光強分布規律：

式中k=1，2，3，…，b為縫距，為波長，為偏離角度，I0是中央條紋光強的極大值。

光的衍射是光學中的重點內容，而夫瑯和費單縫衍射規律較難理解，實際物理實驗中不同條件下的衍射條紋也不易比對。為此，我們運用VB6.0開發了維、哈、漢多語種夫瑯和費單縫衍射仿真實驗，用交互式手段動態模擬出實驗中條紋光強和間距隨波長和縫距的分布規律，并實現了參數與效果圖之間的極速聯動。本仿真實驗可對課堂教學和課后學習提供強有力的輔助工具，方便學生對夫瑯和費單縫衍射現象的理解、對相關理論知識的學習和對實驗規律的掌握。

2 總體設計思路（The overall design ideas）

教學設計（Instructional Design，簡稱ID）是運用現代學習與教學心理學、傳播學、教學媒體論等相關的理論與技術，來分析教學中的問題和需要，設計解決方法，試行解決方法，評價試行結果，并在評價基礎上改進設計的一個系統過程[1]。

多語種夫瑯和費單縫衍射仿真實驗是在構建物理模型和數學模型的前提下，利用計算機編程技術和多媒體技術來模擬物理現象，詮釋物理規律，演示內在過程，并由此構建適用于新疆民漢雙語教學的模擬演示環境。因此本仿真實驗的設計既要遵循物理模型和物理規律，又要符合新疆維吾爾族、哈薩克族少數民族學生的認知特點，更重要的是要通過交互式模擬環境將抽象繁瑣的數學模型轉換成生動形象的物理圖像，給學生提供一些常規實驗和現實世界中難以獲得的感性認識，彌補傳統教學的不足，幫助學生克服因基礎薄弱所產生的理解困難，并順利完成向理性認識的過渡[2]。

夫瑯和費單縫衍射仿真實驗應具有很強的人機交互性，波長、縫距等物理參數的輸入方式要盡可能方便易用，各種光源可借助調色板進行選擇或切換。所有仿真過程都能做到參數與現象之間的隨調隨變、直接響應，而不需要再去單擊其他按鈕或工具，就如同在真實儀器上操作一樣。球面光波、平行光波、子波等的傳播過程都要用逼真的動畫進行動態演示，并能隨參數的改變而進行連續的變化；為了便于少數民族學生理解和掌握，當參數變化而引發物理現象的改變時，通過三種文字和用戶所選擇的配音語種進行闡述和說明，一步步提示和引導學生尋求和掌握其中所蘊含的物理規律。

3 夫瑯和費單縫衍射仿真實驗的開發（The

development of Fraunhofer single-slit diffraction

simulation experiments）

任何一個多媒體仿真實驗的開發都要涉及計算機科學、教育技術學、教育學、心理學及所應用的學科，在仿真實驗開發中所倡導的原則是“學科教學規律的遵從、軟件工程方法的掌控、人機交互思想的滲透、教育技術理念的融合”[3]。

3.1 實驗目標的設定

夫瑯和費單縫衍射仿真實驗要模擬出從點光源發出的球面光波經過凸透鏡折射后變成平行光波，遇到狹縫后又發射子波，多個子波折射后疊加形成衍射條紋的全過程。條紋的位置和光強完全按照光強分布公式計算得到；當調整相應物理參數時，仿真實驗裝置也做出相應的調整，并直接呈現出該參數下的衍射條紋，同時用三種文字和配音給出相應的物理解釋。仿真實驗要求運行畫面逼真、效果顯著，白光衍射后要形成彩色條紋，運行效果要便于前后對比，方便用戶分析、理解和掌握有關規律。

3.2 實驗環境的搭建

本仿真實驗界面分為上下兩部分，其中界面上方為實驗裝置和光路傳播場景，由圖片框控件PictureBox來做容器，容器內用來呈現點光源、球面光波、凸透鏡1、平行光波、狹縫、子波、凸透鏡2和衍射條紋；除了點光源由形狀控件Shape來制作以外，球面光波、凸透鏡1、平行光波、狹縫、子波、凸透鏡2和衍射條紋均由程序用繪圖方法進行動態繪制。界面下方為配音控制箱、光源控制箱、縫距控制箱和結論呈現窗口，其中配音控制箱中提供四個單選按鈕控件OptionButton，用來提供維吾爾族、哈薩克族、漢語或無配音的選擇；光源控制箱中提供六個形狀控件Shape，用來切換紅、黃、綠、青、藍五種單色光源和白色（雜色）光源，并在旁邊用標簽控件Label呈現各單色光源的波長值；縫距控制箱中提供滾動條控件HScrollBar，用來調控狹縫的縫距，并用標簽控件Label顯示縫距的大小以及相關的分布規律公式；結論呈現窗口中用三個標簽控件Label分別呈現三種文字的對應結論或對現象的相關解釋。

3.3 動態光波的模擬

實驗中要模擬出球面光波、平行光波和子波的動態傳播過程，具體做法是：由計時器控件控制波形傳播的節奏和速度，在設定的時間間隔內依據光源的顏色在相應的位置用繪制圓弧和直線的方式繪制出球面波、平行波和子波這三種形態的波形；光源不同，波長不同，繪制出的前后兩列波的間距即峰距也不同；因白光中含有多種單色光，故白光的波形用多種單色光所對應的波長進行繪制。在下一個計時事件中，清除以前的波形圖，波形向右移動四分之一周期后再分別繪制三種形態的波形圖，從而形成波形向右傳播的動態效果。

3.4 條紋光強的控制

衍射條紋要通過繪圖方法進行繪制，繪圖過程中要借用RGB函數控制顏色和強度。在繪制衍射條紋的分布圖及其強度前，需要按照光強分布公式計算出不同位置的光強值，因RGB函數中紅、綠、藍三原色的分量值的取值范圍是0—255，故光的強弱要通過對計算出的光強值按256個級別進行數字化，然后通過控制RGB函數中的顏色分量值在相應位置繪制出一條一條的直線，從而形成衍射條紋。

如果直接按照上述量化后的顏色分量值繪制條紋，光強較弱的條紋幾乎用肉眼看不到，所以在實際繪圖過程中，還需要對不同光強范圍的弱光按照不同量級的指數形式進行放大，其中包括白光衍射后所形成的彩色條紋，從而形成與真實實驗中相同的條紋效果。

3.5 語音文字的切換

當光源的波長或狹縫的縫距這兩個物理參數發生變化時，對應的衍射條紋的分布情況會發生相應的變化，本仿真實驗中既要用三種文字呈現變化的原因及變化的過程，同時又要用所選定的三種語言中的一種進行配音解說。具體實現方法是將有關的解說詞錄制成wav格式的配音文件，分別存放在對應語種媒體文件夾中，同時也將相應語種的解說詞放在該文件夾中；仿真實驗啟動后，根據用戶的操作所引發的物理參數的變化，由程序進行邏輯判斷并找出其中的結論，然后在結論呈現窗口呈現相應語種的結論或對相關現象的解釋，同時通過有關媒體播放手段播放相應語種的配音文件。

4 運行效果（Running effect）

單色光源下條紋分布隨所選擇的光源及縫距大小的不同而不同，運行效果如圖1所示。

圖1 單色光源下的運行效果

Fig.1 Operating effect of monochromatic light source

白色光源下形成的彩色條紋分布隨縫距大小的不同而不同，運行效果如圖2所示。

圖2 白色光源下的運行效果

Fig.2 Operation effect of white light source

5 結論（Conclusion）

仿真實驗可以減少實驗的成本，有效提高學生實驗學習的主動性，提高學習者的學習興趣、開闊他們的視野，培養他們的創新意識和運用媒體技術的綜合素養，培養他們的創新能力[4]。本仿真實驗完全按照物理規律呈現相應的現象，并用三種文字和配音給出對應現象的物理解釋，實驗交互性好，使用方便，響應迅捷，能實現參數與效果圖之間的隨改隨變，可作為光學課程中相應內容有力的教學輔助工具。

開發和應用多語種仿真實驗是解決少數民族地區教育資源不足、教育觀念相對滯后、教育改革進程緩慢等問題的有效手段，也是改善辦學條件、推進民族教育手段現代化進程、提高少數民族教育質量的重要途徑。希望能有更多的有識之士參與到多語種仿真實驗的開發和應用當中，為提高少數民族教育質量，促進教學手段現代化做出應有的貢獻。

參考文獻（References）

[1] 皮連生.教學設計——心理學的理論與技術[M].北京：高等教

育出版社，2000.

[2] 宋清.大學物理計算機模擬實驗的MATLAB開發[J].高等函授

教育（自然科學版），2005（8）：5-8.

[3] 宋繼華等.對外漢語教學網絡課程開發的理論原則[J].北京師

范大學學報（社科版），2004（2）：113-118.

[4] 尹合棟.基于Web3D的中學物理仿真實驗輔助學習系統的設

計與應用[J].電化教育研究，2012（2）：78-83.

作者簡介：

馬致明（1964-），男，碩士，教授.研究領域：計算機教育，軟

件開發.

阿卜杜熱伊木·圖爾蓀（1993-），男，本科生.研究領域：計算

機科學與技術.

木莎·哈山（1978-），男，本科，一級教師.研究領域：中學信

息技術教育.

阿不都卡得·克力木（1991-），男，碩士生.研究領域：軟件

工程.