探析高中物理实验中虚拟仪器的设计

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论文字数:38000 论文编号:sb201209281938303210 日期:2012-09-28 来源:硕博论文网

1前言
 

    目前,衡量一个国家现代化程度的重要标志就是信息化水平,并且信息全球化也是当今世界经济与社会发展的大趋势。“以经济和科技实力为基础的综合国力的竞争日趋激烈,而且将长期存在。”当一前,信息技术的发展和普及以教育改革为一个生长点,在教育领域得到迅速的延伸。

1.1高中物理实验教学改革的背景
    国家教育部于2003年4月颁发了《普通高中物理课程标准》,在其中特别强调:物理实验教学是基础教育课程结构中的重要组成部分之一,是高中生认识世界的一种重要活动,是进行科学研究的基础。从实验教学改革趋势看,实验不仅仅是为了引出概念,验证规律,也不仅仅为了提高学生的动手能力。中学物理实验作为学生自主学习、科学探究的载体,对培养顺应时代要求的创新人才,提高学生的科学素质,促进学生的全面发展具有及其重要的地位和作用。
    物理实验在物理教学中的地位和作用
    物理课程和物理教学的重要组成部分之一就是物理实验。物理实验在物理教学中的地位主要表现在它是不仅物理教学的重要内容、重要基础、重要方法和重要手段四个方面:
 
 (1)高中物理实验是物理教学的重要内容
    可以从以下两方面来认识:从客观方面来看,物理实验本身就是作为物理学的不可或缺的重要内容而存在。物理学中的单个物理量、由物理量组合成的定律定理、由定律定理组合成的理论结构其实可以分解为:代表事实的实验、表示逻辑关系或者方法论的物理思想和代表表述形势或计量公式的数学这三种因素。由此可见,教师教学、学生学习的重要内容不然包括实验本身。从主观方面来看,物理教学的重要组成部分是物理实验教学。物理教学一旦脱离了这一作为基础的实验,只能是纸上谈兵,本来生动的物理知识变成一堆枯燥无味的材料,这些在学生眼里毫无兴趣可言,更别说学习物理的积极性。
 
    (2)高中物理实验是高中物理教学的重要基础
    实验本身具有客观性的特点和其在物理教学中的作用决定了中学物理教学必须以实验为基础。
    物理学知识主要来源于客观的自然界中的普遍规律,而实验就是通过客观的手段和方法来反映客观的物理规律。
    为了给学生创设一个良好的学习物理的环境,通过在物理教学中运用实验辅助教学,一方面使学生通过观察实验,掌握实验的相关基础知识和基本方法,培养他们的实验能力。另一方面学生在实验过程中发现问题,能能运用己有的知识解决问题,提高综合实验能力,促进学生形成科学严谨的学习态度。
 
      (3)高中物理实验是高中物理教学的重要方法
    为了某些具体的研究目标,人们需要反复地观察和研究某些特性的现象,然而观察研究这些现象需要借助一定的仪器设备并且人为的控制和模拟自然想象才’能得到。这种实验研究方法为了从研究对象的某种性质中提取出精准的规律,需要借助外部的设备仪器来创设一个相对稳定独立的实验环境,并分化和简化复杂的条件,突出影响研究对象的主要因素,剔除次要的非本质因素,刁一能达到实验目的。
    实验是学生学习物理的重要方法,学生只有通过像科学家探索物理规律那样,不停观察与反复实验,像前人一样不断实验,以培养和提高逻辑思维能力和观察能力,提高学生的创新能力和动手操作能力,让科学的实验方法在头脑中留下深刻的影响,进一步推进学生掌握科学的学习方法。要达到这样的效果,离了实验根本没办法办到。要让学生更好地探索物理世界的奥秘,应该让学生运用科学的方法,以靠严谨的科学精神、精确地观察、反复地实验和冷静的头脑面对攀爬物理山峰时的一切困难。
 
      (4)高中物理实验是高中物理教学的重要手段
    好的教学方法要想发挥它应有的作用还需要适当的教学手段。在物理教学中,正是由于实验具有直观性和形象性等特征,又符合学生的认识规律,顺应学生的心身特点,刁一能使学生顺利地完成在认识物理规律的过程中从感性到理性,从具体到抽象,从简单到复杂的转变。实践证明,要想在教学中调动学生的学习积极性,激发学生的学习兴趣,从而加深学生对物理知识的理解,必须运用一定的实验手段。这样以来,实验是物理学中不可或缺的重要手段。
    随着信息全球化范围的扩大以及教育的不断改革,传统实验仪器越来越跟不上时代的脚步,其缺陷和不足日益暴露出来,完全不能满足当前的实验教学的需要。于是,实验教学出现了一种引入虚拟仪器的新趋势。基于PC机的虚拟仪器,在硬件方面:将信号采集与控制系统做成插件,插入计算机总线、插入专门的仪器插件板或插件箱上;在软件方面:用软件编程生动、形象、方便地模拟各种仪器的控制面板,实现仪器的信号分析与处理,最后以适当形式表达输出检测结果,并用计算机软件完成各种各样的功能,这就是虚拟仪器。
   
1.2国内外研究现状综述
    二十世纪八十年代世界上第一台虚拟仪器在美国诞生。此后随着电子领域相关技术的迅速发展和普及,虚拟仪器技术刁‘开始蓬蓬勃勃的发展起来。目前,在实验教学领域,虚拟仪器技术正逐步领域崭露头角。
    雅典的国立技术大学电子和计算机工程系在荧光灯的谐波失真测试实验中运用了虚拟仪器系统。仅仅利用简单仪器工具和虚拟仪器软件Lab V工EW就可以编写同时具有传统实验系统中的数字示波器、频谱分析仪、任意波形发生器三者的功能的程序。
    而维也纳大学研制了在特定气压和温度下自动采集数据的虚拟热量计,并能进行热量测定。
    在中国,清华大学电机系排出的“电路过渡过程的研究”、“正弦信号频率、相位的测量”等教学实验就是在虚拟仪器仪器基础上设立的。利用Lab V工EW虚拟仪器开发平台和DAQ功能板卡,开发出了多种实验教学用虚拟仪器,这些仪器包括““电路过渡过程分析仪”、虚拟频率相位计”等。而河海大学将虚拟仪器技术用来分析乐音的频谱,并获得了精确的实验结果。
  然而,国内关于虚拟仪器的开发和研究工作无法完全满足我国实验教学和工程技术发展的需要。据分析,未来几年内在我国,虚拟仪器开发和应用高速发展的时期。尤其值得注意的是清华大学将虚拟仪器引入了实验教学,利用基于声卡的虚拟仪器技术成功的开发了实验系统大大的缓解了实验教学与资金紧张的矛盾。连信号测量与分析处理的实验都可以用被淘汰的电脑来实现,由此可见,该系统对所需要的电脑配置没什么要求。由于该系统拥有极强的灵活性,能够极大程度地激发学生的学习兴趣,大大提高实验效率和教学科研的质量。进一步推进了虚拟仪器在实验教学中的应用和普及。
 
2. 本研究的理........................ 12-15
    2.1 学习理............................12-13
        2.1.1 行为主............................. 12
        2.1.2 认知主义学........................... 12-13
        2.1.3 建构主义学............................ 13
        2.1.4 人本主义学习............................. 13
    2.2 教学理论......................................... 13-15
        2.2.1 赞科夫的发展性..........................13-14
        2.2.2 陶行知教学做合................................ 14-15
3. 虚拟仪器........................................... 15-22
    3.1 虚拟仪器............................. 15-16
    3.2 虚拟仪器的.............................................16-20
        3.2.1 虚拟仪器....................................... 16-17
        3.2.2 虚拟仪器...........................................17-20
    3.3 虚拟仪器系统............................................... 20-22
4. 基于虚拟仪器的高中物理实验教学设计 22-49
..............................................................................
  
结束语
    本文采用调查问卷法、案例研究法对论题进行的简单的研究。首先对高中物理实验教学现状进行调查,并分析了目前高中物理实验教学所存在的问题和不足;其次,依据学习理论、教学理论及等知识,在前人研究的基础上,总结出基于虚拟仪器的高中物理实验的原则和设计方案;再次,选取了部分的高中物理实验设计了教学案例,体现了虚拟仪器在高中物理实验教学中的优势,并证实了基于虚拟仪器的高中物理实验教学设计的可能性。
    通过研究发现,基于虚拟仪器的高中物理实验教学设计有如下优势:1.能够激发学生学习物理知识的兴趣,提高自己的信心。2.提高学生的学习能力和动手操作能力,沟通交流能力和善于表现自己的能力。3.促进师生关系的融洽,为教学提供了良好的学习氛围。4.提高了对老师的要求,促使老师不断充实自己,不断改进教学方法,促进老师的专业发展,提高专业素养。
    当然,在研究过程中,也发现了存在一些不足:1.老师的精力有限,学生的思维的差异增大了老师评价学生工作的难度。2.在实验教学中,老师如果没有很强的课堂控制能力,学生很容易出现走神,注意力不集中等现象。
    由于时间和能力的限制,笔者在进行研究过程中,教学设计还在不断的摸索中。因此,在研究过程中还存在不少问题。面对这样信息技术和教学相结合的综合性强的问题,笔者深感自己能力不足。但是,这仅仅是一个阶段性的成果,还值得在今后的实践学习中不断努力。文中对基于虚拟仪器的高中物理实验教学的阐述和设计等都是结合现实问卷调查和笔者自己的亲身经历进行的思考和总结。同时,笔者接触虚拟仪器的时间不长,对于基于Lab V工EW的虚拟仪器的强大功能不能一一进行更具体的说明和应用,但笔者会在今后相当长的时间里,实践基于虚拟仪器的高中物理实验教学设计并研究如何有效的利用虚拟仪器提高高中物理实验教学水平。

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