淺談高中物理學中的教學創(chuàng)新

李文

【摘 要】物理學作為一門自然科學，其教學實驗內容的創(chuàng)新是物理教學的研究熱點。本文通過虛擬現(xiàn)實在智能仿真實驗中對物理實驗的應用，結合具體的物理實驗，拓展了物理教學的思想，實現(xiàn)了新技術與傳統(tǒng)教學的融合。

【關鍵詞】物理教學；智能模擬；虛擬現(xiàn)實

一、前言

在眾多自然學科中，有一門學科，需要大量實驗才能使其教學更加豐富，這門學科就是物理學。智能模擬實驗是物理教學中的創(chuàng)新，它打破了傳統(tǒng)實驗時間以及空間的限制，將計算機等新型智能技術融入物理教學中，不僅使物理實驗更加真實和科學，而且還吸引學生的注意力，讓學生從他們的思想中學習物理學習。智能物理教學強調更直觀的體驗，更深入地了解物理知識。智能模擬實驗對于物理教師來說也是一個難得的幫手，它能豐富了教師的教學理念，更有利于物理教學。

二、智能模擬實驗教學應用

在智能模擬實驗中，最常用的智能仿真方法就是虛擬現(xiàn)實方法。在物理實驗中，虛擬現(xiàn)實技術可以讓學生體驗多種感官。虛擬模擬的物理實驗可以通過教科書擴展到各種多媒體媒介，如圖像、圖形、聲音、文本、視頻和動畫等。虛擬現(xiàn)實技術具備虛擬人機交互功能和虛擬三維真實場景的優(yōu)勢。

光學實驗是物理實驗中的典型范例，利用虛擬現(xiàn)實可以更好的呈現(xiàn)這種實驗。

非相干照明成像系統(tǒng)的對象和圖像可以被視為不同空間頻率的光強度正弦分布圖像的集合。在諸如光學成像系統(tǒng)的光暈區(qū)域中，正弦光分布的圖像仍然是光強度的正弦分布，但是由于諸如像差和衍射的因素，圖像的調制度發(fā)生降低、相移的狀況。圖像調制度和相移量的比率是正弦光強度分布的空間頻率的函數(shù)。這種特殊的函數(shù)就叫做調制傳遞以及相位傳遞函數(shù)，對于光學系統(tǒng)是否符合要求，質量是否合格，可以通過這兩種函數(shù)的大小進行刻畫。如果系統(tǒng)有線性相關關系，且滿足這樣的條件，則有單維度方向上的正弦分布，且圖像的平面形式是光強度的正弦表現(xiàn)和線擴散函數(shù)的卷積。傅里葉變換卷積定理告訴我們，光學系統(tǒng)的一維光學傳遞函數(shù)是其線擴散函數(shù)的傅立葉變換。所以，如果我們可以通過實施傅里葉變換使得被測量的光學系統(tǒng)呈現(xiàn)線性散射，就可以得到準確的單一方向上的光學傳遞函數(shù)。由此就可以推出對光學傳遞函數(shù)進行標準測量模擬實驗系統(tǒng)的原理

來自鎢光源的光被濾光器、聚光鏡和毛玻璃均勻照射。通過準直鏡，待測光學系統(tǒng)和可變頻率透鏡將照射的狹縫成像在正弦光柵上。如果想要使得狹縫圖像成為實驗中測量的光學系統(tǒng)的線性延展功能，那么設置的準直鏡以及變頻鏡必須呈現(xiàn)理想狀態(tài)。正弦光柵的強度如果可以在同一個方位中呈現(xiàn)正弦變化，那么它具有特定的空間頻率。光電探測器通過測量獲得的光通量是可以根據(jù)掃描的位置的變化呈現(xiàn)正弦變化，這是通過正弦光柵對狹縫圖像進行掃描得到的。如果調制傳遞值增大，那么變化的幅度也會相應改變；同時，相位傳遞值反映著真實的變化相位。光學傳遞函數(shù)的獲得，可以運用光電檢測器進行一系列模擬電信號的輸出，并將其反映到顯示器上，進行實時傳輸。綜上所述，線擴散函數(shù)的傅里葉變換可以通過運用正弦光柵掃描狹縫圖像得到，從而通過光學傅立葉分析方法實現(xiàn)光學傳遞函數(shù)的測量。

仿真實驗按如下步驟進行：①取出待測光學鏡頭并放入測量系統(tǒng)；②調整光路（包括調整被測透鏡，準直透鏡和變頻鏡頭的光軸，調整被測透鏡的像平面，使其與變換鏡頭表面一致）；③調焦。根據(jù)散焦量，正弦光柵軸向移動到所需位置；④掃描測量。正弦光柵以恒定速度移動；⑤數(shù)據(jù)處理。根據(jù)所獲得的光強度幅度，導出不同頻率的調制傳遞函數(shù)MTF值，并繪制圖表。

仿真軟件系統(tǒng)以動態(tài)和簡潔的方式介紹實驗裝置和原理，并且不在屏幕上明確顯示它們。整個實施過程分為幾個步驟：設置條件、將需要監(jiān)測的對象進行輸入、調節(jié)光的路徑、得到運行的記錄并進行掃描，最后將實驗所得數(shù)據(jù)進行分析，并繪制相應的圖畫進行曲線函數(shù)的傳遞。除了可操作性之外，模擬實驗系統(tǒng)也是可設計的。例如，通過變換不同的濾色器來測量不同顏色光的傳遞函數(shù)；使用不同頻率的正弦光柵測量傳遞函數(shù)的頻率范圍；整個移動照明系統(tǒng)和狹縫測量軸上或軸外傳遞函數(shù)。由仿真系統(tǒng)測量的被測系統(tǒng)的理論傳遞函數(shù)值，沒有實驗裝置誤差和調整誤差干擾。

使用虛擬現(xiàn)實多媒體信息集成技術創(chuàng)建和顯示有意義的場景，并提高查找差異和見解的能力；利用大容量存儲技術，提供多樣化的資源；使用圖形交互界面技術建立良好的實驗環(huán)境；利用多媒體虛擬現(xiàn)實信息組織結構的超鏈接技術，建立符合人類關聯(lián)模式的超文本信息組織結構；利用智能仿真技術，建立模擬實驗環(huán)境，進行實驗科學探索；利用網(wǎng)絡傳輸技術，實現(xiàn)資源共享和協(xié)商學習。

三、結語

物理教師的創(chuàng)新教學方法不僅可以調動學生的學習積極性，還可以提高學生的物理學習能力，培養(yǎng)創(chuàng)新思維。所以，教學方法的創(chuàng)新是物理學教育的重中之重。只有這樣，物理教學才能有長足的發(fā)展，才能實現(xiàn)學生高素質全面發(fā)展。

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