计算机辅助物理实验改造的设计与实现

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计算机在科学研究、自动控制、信息处理和日常生活等领域的使用越来越广泛,这是必然的趋势,物理实验教学的改革也应当要适应这个趋势。《欧洲物理学学报》曾发表评论认为物理教学当中的计算机辅助教学将是继传统的理论教学和实验教学之后的第三个教学形态。目前传统物理实验存在的普遍问题:要不太“古老”、太“陈旧”了(让学生重复“刀耕火种”的技能),实验方法和手段落后,学生对实验不感兴趣,实验教学效果差,要不太“自动化”了,大大削弱了学生的实验基本技能训练。针对以上问题,在充分考虑到不削弱学生的实验基本技能训练的前提下,充分利用计算机技术、光电技术、传感技术与虚拟仪器技术并结合“软件工程和软件过程”理论来改造普通物理的力、热、光、电中的具代表性的实验,并在软件开发中引入了计算机辅助教育思想,自制相应的实验仪器、自编相应的计算机软件(实时显示实验现象,直接在计算机上做实验报告、打印实验报告、批改实验报告等)。计算机介入实验用于采集物理量数据、控制实验过程等,采用以下6种方法:(1)利用计算机并口技术;(2)利用计算机串口技术;(3)利用线阵CCD技术;(4)利用面阵CCD(摄像头)技术;(5)利用USB技术;(6)利用数据采集卡。根据不同实验的特点,充分考虑优化组合原则,采用的实验改造方案为:(一)“转动惯量测定实验”等考虑多组实验共用一台计算机并要求高速采集数据的特点,选用第(1)种方法进行改造:(二)“磁光调制实验”等考虑由一台计算机控制一组实验或对数据采集速度要求不是很高的特点,选用第(2)种方法进行改造;(三)“利用光栅常数测定光波长实验”等考虑到观察的光学图像面积大等特点,选用第(3)种方法进行改造;(四)“用双棱镜干涉测量光的波长实验”、“光纤传感实验”等考虑到干涉条纹的特性及设备成本的因素,选用第(4)种方法进行改造;(五)“气体PTV关系研究实验”、“导热系数测定实验”等考虑到数据采集速度及接口的通用性的因素,选用第(5)种方法进行改造;(6)“RLC暂态过程实验”等考虑到高速数据采集的特点,选用第(6)种方法进行改造。另外,考虑到窗口环境下的控制,以上每种方案均结合Visual Basic语言进行开发。改造的成果在部分高校得到应用,实验结果表明:本文采用的计算机辅助物理实验改造效果显著,既让实验体现现代技术的作用,使学生学到并掌握先进的实验技术,又不影响基本技能的训练,每个实验的实验过程清晰明了、直观方便。缩短了学生所学知识与现代实际技术的距离,极大地提高学生实验兴趣。在普通物理实验改革中走出实质性的一步,可直接作为产品进行开发和推广,将为当前不景气的教学仪器产业开辟一条新路子。
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