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计算机在普物实验中的应用(MBL)简介

世界已经进入信息时代,而计算机的普遍应用正是信息时代的重要标志。二十多年来的改革开放已使我国在现代化的道路上迈出了一大步,但是信息的交流却远远落在先进国家的后面。计算机应用的普及是实现快速信息交流的起始条件之一。

MBL实验是Microcomputer Based Lab.的简称,是美国教育部(DOE)和国家科学基金会(NSF)早在1986年拨款开始进行研究的一个项目,目前已得到推广。在美国Manatee大学的MBL实验室主任、我校校友郑梃方的帮助下,我们建立了自己的MBL实验室。根据我国国情,目前已排出了5个基于计算机的普物实验,它们是:“弹簧振子振动特性的研究”、“单摆”、“声波与拍的观测”、“冷却规律的研究”、“点光源光照度的平方反比率”。这些实验已被我校10多个专业和同济大学、第二军医大学、上海中医大学及上海第二医科大等五所兄弟院校的1千多名学生使用,收到了很好的效果。

MBL实验将计算机技术和非电量电测技术应用于普通物理实验,用计算机和各类传感器对各种物理量进行实时测量,以获取实验的动态信息,从而深入研究各种物理规律,既可用于学生实验,也可用于教师的科学研究。这些实验的共同特点是用一个公共的通用接口,把各种物理量用传感器接入,再送入计算机进行测量和处理或再反过来控制实验的进行。

2000年,实验中心建成了MBL实验室,共有8套实验装置可供学生使用;排出了5个典型的物理实验,并编写了相应的实验教材。该实验室已向理学类、技术类和医学类等各专业的学生开放,学生反映良好。2001年6月,“普通物理实验教学中的MBL实验”通过了专家的鉴定。

例如,“冷却规律的研究”是一个典型的热学实验。过去我们让学生把温度计加热后自然冷却,看着秒表,过几秒钟读一个数,然后把大量的数据取对数作图,最后作直线拟合,求斜率。这样,学生必须化费大量时间在数据处理上,才能勉强得到自然冷却的规律。牛顿冷却定律要求周围流体的温度在冷却过程中保持不变。为了验证这个定律,就必须要强迫冷却,例如用电扇使周围空气迅速流动才行;但在这种条件下,降温很快,往往来不及读数,因此,实验的误差很大。现在我们用AD590温度传感器代替普通温度计,用计算机接收并处理数据,可以既快速又准确地记录冷却过程。学生不必化许多时间进行繁琐的数学运算和作图,就可以很快得到结果。这样,他们在一次实验中既可以测得自然冷却的规律,又可以测得强迫冷却的规律,还可以自己设计出不同的冷却条件,进行研究。如有的学生研究不同风速对冷却效果的影响,有的学生还把温度传感器加热后投入水中,研究其冷却规律等。学生的学习积极性和主动性大大提高,他们的创新能力也得到了培养,因而这些实验很受学生的欢迎。

计算机在普物实验中的应用,除了上述实验本身采用计算机外,还有一个重要方面,就是计算机辅助教学。这包括实验预习软件和模拟实验软件等。我们在这方面也做了一些工作。作为实例,在此简单介绍两个软件。

长期以来,预习的主要形式是看教材和查阅参考资料,而书本上很难把仪器的构造、调节方法和实验过程表述清楚。为了解决这个问题,我们用摄象机和计算机相结合的方法,制作了多媒体辅助教学软件。迈克耳孙干涉仪预习软件是其中很典型的一个。这个软件不仅以录象形式清楚地介绍了实际迈克耳孙干涉仪的具体构造,逐个展示仪器的各个部件,演示了每个调节部件的调节方法、注意事项及读数方法,并演示了部分实验内容,还用图片形式先后显示迈克耳孙自己设计制造的第一台迈克耳孙干涉仪以及他和莫雷合作得到震惊世界结果的那台大型干涉仪,最后还用录象展示迈克耳孙干涉仪的现代应用,如激光比长仪和傅里叶变换光谱仪的实际使用情况。这些内容都是很难在教材中以文字形式写出来的。

我们把软件刻录在光盘上,交给学生带回宿舍去使用。他们边预习,边看光盘,边讨论,很有兴趣,预习效率大大提高。

这个软件特别突现计算机模拟实验比实际操作更好的优越性。因为真空系统是一个在科学研究中十分常用的设备,但也是经常容易因错误操作而出事故的设备。学生做真空实验时老师为了避免学生犯错误,总要把具体步骤讲得很清楚,不允许学生随便操作。这既限制了学生的主动性、积极性,又使他们不能从错误中吸取教训,难以深刻掌握真空实验的真谛。真空实验模拟软件很好地解决了这个问题。在我们的模拟实验中,允许学生犯各种各样的错误,甚至扩散泵油被严重氧化变质、电离规被烧毁等等都可以。学生通过这样的模拟训练,能够真正掌握真空系统的操作方法。

现在该软件已在我校物理实验教学中供学生使用,作为真空实验的辅助教学手段,收到了良好的效果。

(请多填加图片 — YuXi 2007/05/16 20:36

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