可視化技術在高中物理學習中的應用實踐

王詩龍 孫昭

摘?要：針對中學物理知識概念抽象、實驗手段有限以及學生接受不同表現形式知識的能力存在個體差異等情況，將可視化技術應用于學習過程，通過對抽象知識具體化、形象化，豐富傳播形式，便于不同類型的學生以自己擅長的途徑理解知識。首先采用思維導圖對光學知識進行了歸納整理，從整體上掌握知識脈絡，并為后續有側重點的復習打下基礎。其次，介紹了利用Python開源編程語言實現的典型光學干涉和衍射圖像仿真模型，可以直觀觀察到這些現象，并可以方便調整影響參數，將抽象的原理公式與影響結果的圖像聯系起來。利用計算機技術將知識可視化，可以便于教師教學和學生學習，使抽象的課本文字形象化，有利于知識更有效地傳播，并可通過學生親自參與調動其學習的興趣和主動性。

關鍵詞：知識可視化;光學;思維導圖;Python

中圖分類號：G632

一、可視化對中學物理學習的意義

中學物理是重點基礎學科，但因其概念抽象，對學生的理解力、想象力、實驗能力等提出了較高要求，使得物理知識的講授和學習都存在一定困難。從學習心理學的角度，由于每個學生的生長環境、經歷等個體差異，不同學生對知識的接受方式、接受速度、擅長能力等都有差別，大部分對于形象化的內容接受力較快，而抽象理解能力較為欠缺。同時，現行教材和輔導書絕大部分是以文字編排形式進行知識描述，雖也有增加了趣味性、實踐性，但信息密度高，多數學生有本能的抵觸心理。因此，采用知識可視化技術，將抽象的物理概念和規律轉化為具象的圖形、影像等，采取聽覺、視覺、語言、觸覺等多種表現形式傳播知識，使學生從感性和直觀性上獲取多種形式的外部刺激，從而培養學習興趣，構建物理思維，再逐漸完成從具體到抽象的提升過程，是一個有效的教學和學習途徑。現代科學技術的進步使這種知識可視化成為可能。采用計算機工具將物理知識進行可視化仿真成為當前教學研究的一個熱點，例如對于概念、規律類知識，可以采用各類中類型的圖示化方法;對于模型類知識，可以利用信息技術和視覺隱喻;對于實驗類知識，有各種多媒體技術、手機軟件等可以實現[1]。

本文在高中物理課程的光學學習中，應用思維導圖和Python語言嘗試對知識進行可視化，以幫助記憶、增強理解。

二、思維導圖在光學知識學習中的應用

光學是中學物理學習中的難點之一，知識點多，內容抽象，定性知識較多，晦澀難懂，尤其物理光學，如干涉、衍射等更不容易理解。人較版《高三物理選修34》用文字、示意圖、應用案例等形式介紹了幾何光學和物理光學的相關知識，但對于中學生而言，仍顯得知識密度大、感性認識不足。思維導圖又稱為心智圖，是一種對知識概念加深理解和記憶的有效工具。通過制作思維導圖，可以對信息歸納分類、建立知識網絡、啟發誘導思考[2]。

在學習過程中，筆者首先利用思維導圖梳理了該章節的知識點，并通過信息檢索，盡量給出各個原理的常見或者直觀的應用實例，以提高學習興趣、幫助記憶。繪圖軟件采用免費的Mindmaster，如圖1所示。

一方面可以在學習過程中理清思路，另一方面，也作為以后復習時能夠更快地對照檢查，發現薄弱點，有針對性地復習。

三、光學現象的可視化仿真

近年來，國內在光學知識可視化方面做了很多研究[35]，但大多使用的工具如matlab，mathematica等版權昂貴，一般中學生難以方便地獲取。Python是一種解釋性、開源、易于學習的編程語言，非常適用于初學者。同時，Python是免費的，但功能強大，可以跨平臺運行。2018年，教育部將Python列入全國計算機等級考試科目，促進了該編程語言在國內的普及。目前Python在網站開發、金融分析、大數據挖掘、網絡爬蟲等多個領域有著非常廣泛的應用[6]。同時，Python語言網上社區活躍，資源眾多，利于自學。對中學生稍加訓練，可以實現自我開發可視化場景，提高其成就感，同時也有利于提升學習知識的主動性。

（一）雙縫干涉原理及其仿真

當一束單色光投射到一塊有兩條距離很近的狹縫的不透光擋板上，狹縫將光束分成兩個光源，其頻率、相位和振動方式相同，兩個光源在擋板后的區域相遇疊加，產生干涉現象。

對于單色光入射的雙縫干涉，其原理示意圖如圖2所示。

式中：I為接收屏上的光強，I0為接收屏中心位置光強，Δφ為相位差，Δφ=dsinθλ2π，d為狹縫間距，λ為波長，r0為擋板到成像屏的間距，θ為衍射角。

仿真模型采用開源的Python軟件包Anaconda3實現，程序界面使用了PyQt5圖形化界面工具包以及numpy、matplotlib、math、sys等擴展庫[8]，采用Anaconda3自帶的Spyder集成開發環境編程。完成后的界面如圖3所示。

調整左邊的參數，可以觀察明暗相間條紋的變化。與文獻[3]對比，形成的條紋類似。

（二）圓孔衍射原理及其仿真

由于很多光學儀器采用了圓形鏡片，而衍射現象會影響成像效果，因此圓孔衍射現象研究非常廣泛。衍射現象一般分為菲涅爾衍射（近場衍射）和弗朗禾費衍射（遠場衍射）。本文以后者為例，探討Python在光學仿真中的應用。

式中，I0為光軸上點的光強度，J1（x）為一階貝塞爾函數，a為圓孔半徑，θ為衍射角，λ為入射光波長。

中央光斑（第一暗環）的直徑為D，P點的位置由衍射角θ來確定。如果屏上P點距離中心O點的距離為r（r=fsinθ），則中央光斑的直徑D為：

調整波長和圓孔半徑可以觀察到：波長越短、圓孔半徑越大，衍射圖樣半徑越小，因此在顯微鏡中用短波長的可以提高分辨率，而天文望遠鏡均采用大口徑鏡片。

（三）矩形孔衍射原理及其仿真

當光線穿過圓形小孔，形成明暗相間的圓形光斑，直觀上還比較容易想象。其實，光線通過矩形孔也會發生衍射，但其圖像不容易理解。本文建立了矩形孔衍射的仿真模型。

方孔（矩形孔）衍射原理圖如圖6。

式中，I（P）為P點的光強，I0為光軸線上P0的光強，θx、θy分別為x和y方向的衍射角，λ為光波長，f2為透鏡L2的焦距。

由圖7可以看出：中央集中了大部分光能，并以其角半寬度的大小來衡量衍射效應的強弱。如果矩形孔的b和h不相等，則沿著x軸和y軸相鄰暗點的間距不同。當h>b，沿著y軸比沿著x軸的暗點間距稠密。同時，波長越長，衍射效應越顯著;波長越短，衍射效應越可以忽略，因此，幾何光學是波動光學當λ→0時的極限。當b<

次極大光強計算表明，矩形孔的情況比圓孔情況大三倍左右，因此，圓孔可以使光強更集中在中心位置[8]。

以上仿真模型均可通過調整光線波長、矩形孔尺寸等參數，可以直觀觀察干涉或衍射圖樣的變化過程，從而理解各參數對光學效應的影響。同時也可以輸入課后作業中的參數，輔助演示作業的結果。

四、結語

利用編程語言等可視化工具，將物理原理還原為可視化、直觀化的場景，可以克服物理實驗教學中的場地、設備限制，并且能夠更加方便調整控制參數，觀察結果變化。尤其對于光學實驗，要求儀器精密、調節仔細、準備工作量大，而采用計算機仿真可以事先開發好程序，在課堂上與實驗同步演示、對比，既可以與實驗結果互相印證，也可以增加知識的表現形式，提高學習興趣和主動性。

參考文獻：

[1]陳鋒.中學物理知識可視化的分類及應用研究[D].石河子大學，2018.

[2]朱加強.光學知識應用思維導圖的教學實踐[J].中學物理教學參考，2019，48（12）：2829.

[3]周洪偉.應用Matlab可視化助推高中物理教學的探索[J].麗水學院學報，2020，42（5）：116120.

[4]陳學文，張家偉，姚雪，時澄，吳思韻.基于Mathematica的光的干涉實驗的仿真模擬[J].實驗技術與管理，2020，37（9）：165169.

[5]崔海瑛，吳春梅，趙大偉，王馨玉.牛頓環實驗的MATLAB仿真[J].大慶師范學院學報，2016，36（3）：1416.

[6]許洪云，陳朝焰.新工科背景下Python教學探討與實踐[J].計算機時代，2021（2）：9698.

[7]姚啟鈞.光學教程[M].北京：高等教育出版社，2002.

[8]Vasudevan?Lakshminarayanan，Hassen?Ghalila，Ahmed?Ammar，L.Srinivasa?Varadharajan.Understanding?Optics?with?Python[M].佛羅里達：CRC出版社，2017.

[9]郁道銀，談恒英.工程光學[M].北京：機械工業出版社，2016.

通訊作者：高建忠。