Flash开发高中物理仿真实验系统

摘要

　　高中物理是普通高中科学学习领域的一门基础课程，与九年义务教育物理或科学课程相衔接，旨在进一步提高学生的科学素养。高中物理课程有助于学生继续学习基本的物理知识与技能；体验科学探究过程，了解科学研究方法；增强创新意识和实践能力，发展探索自然、理解自然的兴趣与热情。

　　由于部分实验仪器价格高昂，有些实验危险性比较高，使得计算机仿真实验的设计与实现变得切实可行。随着科技的进步，生产的发展，计算机已经走入大众的日常生活，并且起着越来越重要的作用。计算机辅助物理实验教学也表现出了多种形式：计算机辅助物理实验教学管理、计算机辅助物理实过程控制与数据采集、数据处理以及计算机辅助物理实验教学软件。近年来，物理仿真实验已成为物理实验室发展的一个新方向。

　　国外对于仿真实验的研究始于上个世纪八十年代末，当时一些研究机构试图以计算机为工具，模拟一些复杂系统的运作，并对其加以控制。上世纪九十年代初，国内一些高校开始致力于计算机仿真实验的开发研制，目前已取得了可喜成绩。相对于仿真实验在高校的发展状况，由于缺少开发高中物理仿真实验的人才，大部分现成的物理仿真实验不太适合学校的实际情况，物理仿真实验在普通高中阶段仍然没有很大的发展，很多高中物理仿真实验，只是具有演示功能，离真正的交互实验、学生自主设置实验参数还有很大的距离。

　　本文依据教学模式的科学研究方法、建构原则和建构方法，以创新理论和创新教育理论、系统论、建构主义学习论、活动教学论和物理实验教学论等教育教学理论为基础，借鉴“任务型”、“因材施教”、“交互式”和“启发式”等成功教学模式的先进教育思想和优化的教学操作程序，建构具有新的教育理念内涵的便于操作和推广的高中物理仿真实验。

　　仿真实验因其仿真程度不够高，实验结果太过理想等原因，不能完全代替真实实验，但是仿真实验的优势也是显而易见的。比如突破时空的限制，突破真实实验的范畴，实验成本比真实实验低，某些仿真实验比真实实验危险性低，并且仿真实验的操作简单且具有可重复性。仿真实验可以营造学生自主学习的环境，在大面积开设开放性、设计性、研究性实验教学中发挥着重要作用。因此仿真实验更容易为学生学习物理营造一个有趣的环境，以激发学生学习物理的潜能。

　　本文首先就仿真的实验的概念做了简单陈述，从建构主义的角度就仿真实验的设计与实现理论基础，结合当前高中实验的发展情况对仿真实验的必要性做了简单论述。然后结合 Flash 的优点和软件开发的工程管理的方法，以“用双峰干涉测量光的波长”为例对高中物理仿真实验的设计和 Falsh 仿真实现，并对高中物理的 Flash 仿真实验的使用做了简单介绍。

　　关键词：高中物理；仿真实验；Flash

Abstract

　　Physics course is a basic scientific course in senior school. It is associated with the nine-year compulsory scientific education and aims at improving the scientific literacy of students.Physics course helps students learning basic physics knowledge and skills, experience the process of scientific inquiry, understanding the scientific method, enhancing innovation and practice ability, and developing the interest and passion to understand the nature.

　　Because of the high cost of some laboratory equipments and the danger of some experiments, it makes the design and implementation of computer simulation feasible. With the development of technology, computers have been common in our daily life and play a more and more important part. There are several forms in computer-aided physics teaching: computer-aided management of physics experiment teaching, computer-aided process control of physical experiment, data acquisition, data processing and computer-aided teaching software for physics experiments. Recently, physical simulation has become a new direction of physical experiment.

　　The simulation study abroad began in the late eighties of last century when some research institutions tried to simulate and control the operation of complex systems by computers. By the early nineties of last century, some domestic universities have begun to develop computer simulation and have some achievement. Compared to this, physics simulation in senior school is still developing too slowly to apply for the lack of relating talents. Most of them only have presentation function, so it has a far way to go before being real interactive experiments.

　　This article is based on scientific methods, principles and methods of construction, innovative theory and innovative education theory, system theory, cognitive constructivism learning theory, active teaching theory, the teaching theory of physics experiment and other educational theory. In this article, we create a new simulation of physical experiment for senior schools with a new philosophy of education content by referring to the "task type ", "individualized method", "interactive model", "heuristic model" and other successful teaching ideas and procedures, and it is easy to operate and promote.

　　Simulation can not completely replace the real experiment for its low degree of simulation and its idealized results. However, it has an obvious advantage such as breaking through time and space constraints, breaking through the concept of real experiments, the lower cost, the safeness, the easy operation process and the repeatability. Simulation can create independent learning environment and plays an important part in creation of a large area of open, designing and researching of experiments teaching. Therefore, simulation is easier to create a fun environment for students to study physics and stimulates students’ potential.

　　Firstly, this article makes a simple statement of the concepts of simulation experiments and the necessity of simulation experiments based on the recent development. In this article we take “the measurement of the wavelength of light with double-slit interference” as an example to make a simple statement of the design and Implementation of Flash simulation experiments combined with the advantages of Flash and software development project management methods.

　　Keywords: Physics course; Simulation Experiments; Flash

　　仿真（Simulation）是对系统某一抽象属性的具体模仿，或者直观演示，是以客观的系统为基础建立模型，并在模型的基础上进行研究和实验，以展现实际系统中发生的本质过程，也称为模拟。这里的系统包括物理系统、生物系统和社会系统等各种系统。

　　这里的模型包括数学的和物理的、动态的和静态的、离散的和连续的各种模型。

　　当所研究的系统运行成本很高，进行实验或者测试的危险性很大，或者所需要观察的系统参数变化需要很长的时间响应时，仿真便是一种极为有效的研究方法。仿真是一种研究系统的方法，也是一种技术。仿真一般包括建立模型、仿真实验、数据处理、分析验证等步骤。仿真的重要工具是计算机。

　　计算机仿真（Computer Simulation）就是利用计算机技术，建立系统模型，并在某些条件下对模型进行实验操作，进而得出系统参数变化的一门综合技术。它具有效率高、安全性好、可改变时空比例等优点。

　　仿真实验（Simulation Experiment）是相对于真实实验而言的，与真实实验的区别在于在仿真实验中不存在实物形态的实验仪器与实验对象，实验的过程是对虚拟仪器与虚拟设备的操作。其优点在于：（1）营造多样化的教学环境，激发学习者的学习兴趣。（2）打破时空限制。（3）节约实验成本。

　　国外对于仿真实验的研究始于上个世纪八十年代末，当时一些研究机构试图以计算机为工具，模拟一些复杂系统的运作，并对其加以控制。如麻省理工学院于 1988 年开发并投入使用了 WEBLAB 在线实验室，不仅本校的学生可以随时访问该实验室进行实验，其它高校的学生也可以访问，学生只需点击“设备”菜单，就可以选择合适的仪器设备。这些项目涉及力、热、声、光、电以及量子物理中一些简单的物理实验以及物理现象，其中每一个项目都尽可能做到“交互式”、“游戏式”。其主要目的是激发学生学习的兴趣并帮助他们对物理概念与研以及物理原理的理解。上世纪九十年代初，国内一些高校开始致力于计算机仿真实验的开发研制，已取得了可喜成绩。目前最权威的仿真实验教学系统是中国科技大学天文与应用物理系开发的大学物理仿真实验教学系统。该成果在国内一些高校得到广泛应用。这套软件的特点在于采用面向对象技术建模，对仪器和器件实现模块化，用数值模型建立仪器原理、实验设计、操作的各种数学关系，用图像模型表现操作的真实感，并用事件驱动方式将它们编制出来，使得这种软件具有任意的操作性和真实的交互功能，实现可设计性和真实感。它通过计算机把实验设备、教学内容、教师的指导和学生的操作有机地融合为一体，形成了一部活的、可操作的物理实验教科书。通过仿真物理实验学习，学生对实验的物理思想和方法、仪器的结构及原理的理解，可达到实际实验难以实现的效果，实现了培养动手能力，学习实验技能，深化物理知识的目的，同时增强了学生对物理实验的兴趣，大大提高了物理实验教学水平，是物理实验教学改革的有力工具。

　　目前，与在高等学校中的发展和应用状况相比，物理仿真实验在普通高中阶段仍然没有很大的发展，很多高中物理仿真实验，只是具有演示功能，离真正的交互实验、学生自主设置实验参数还有很大的距离。因此很大部分的仿真实验还不是真正的仿真！

　　缺少开发高中物理仿真实验的人才，也是物理仿真实验在高中鲜有应用的原因，一般情况下懂物理实验教学的人不懂软件开发，懂软件开发的人不懂物理实验教学。从市场上购买的实验软件价格昂贵，也不适合自己学校的现况。因此中学物理教学人员根据本校的实际情况开发物理仿真实验并应用于教学，效果会好很多。

　　高中物理仿真实验系统实现：

Flash Professional 8 操作界图

用双缝干涉测量光的波长仿真实验用户操作界面图

测量头（读数显微镜）动画实现图

图 5-6

仿真实验运行效果图

仿真实验运行效果图2

测量头目镜的视野中央位置

干涉条纹

目 录

　　摘要
　　Abstract
　　第一章 引言
　　　　第一节 基本概念的界定
　　　　第二节 仿真实验的发展现状
　　　　第三节 高中物理仿真实验的的设计与实现的意义
　　第二章 高中物理仿真实验设计与实现的必要性与优越性
　　　　第一节 仿真实验引入高中物理实验教学的必要性
　　　　第二节 仿真实验在高中物理实验教学中的优越性
　　第三章 高中物理仿真实验应用探索
　　　　第一节 高中物理仿真实验的目标定位分析
　　　　第二节 高中物理仿真实验的应用方式探索
　　第四章 基于 Flash 的高中物理仿真实验的设计
　　　　第一节 用双缝干涉测量光的波长仿真实验的可行性研究
　　　　第二节 用双缝干涉测量光的波长实验仿真程序系统流程图
　　　　第三节 用双缝干涉测量光的波长仿真实验需求分析
　　　　第四节 开发用双缝干涉测量光的波长仿真实验原型系统
　　　　第五节 用双缝干涉测量光的波长仿真实验总体设计
　　第五章 用双缝干涉测量光的波长仿真实验的编码实现
　　　　第一节 Flash Professional 8 简介
　　　　第二节 用双缝干涉测量光的波长仿真实验的 Flash 仿真实现
　　　　第三节 用双缝干涉测量光的波长仿真实验的打包发布
　　第六章 用双缝干涉测量光的波长仿真实验应用案例
　　　　第一节 实验：用双缝干涉测量光的波长教学分析
　　　　第二节 用双缝干涉测量光的波长仿真实验的使用说明
　　第七章 总结
　　　　第一节 仿真实验在教与学的过程中的体会
　　　　第二节 Flash 仿真实验的应用前景
　　参考文献
　　致谢

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