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浅议CAI中电场变化的模拟描述

时间:2016-08-01 11:06点击: 次来源:网络作者:admin评论:- 小 + 大

计算机辅助教学(Computer Aided Instruction ,简称CAI)是在计算机辅助下进行的各种教学活动,以对话方式与学生讨论教学内容、安排教学进程、进行教学训练的方法与技术。CAI为学生提供一个良好的个人化学习环境。综合应用多媒体、超文本、人工智能和知识库等计算机技术,克服了传统教学方式上单一、片面的缺点。它的使用能有效地缩短学习时间、提高教学质量和教学效率,实现优化的教学目标。

摘要:电磁场课程计算机辅助教学软件是现代化教学手段的主要标志之一,以形象模拟和演示,能将电场的变化生动形象的展现出来,变抽象为直观,变无形为有形,使学生较为容易地理解知识,从而突破教学难点,本文论述了CAI中如何模拟描述电场的变化。

关键词:CAI 模拟描述 电场变化

一、电场的形象化描述

为了形象的描述电场,人们引入了电场线。用电场线描述电场时,电场的疏密可以表示电场强度的大小,即电场线密处电场强度大,电场线疏处电场强度小。在讲解电场线时,我们应向学生澄清以下问题:

1、电场线是为了使电场形象化而假想的线,它是描述电场的重要辅助手段,并非真实存在的线。

2、任何两条电场线之间的地方也存在电场,也有电场线。电荷周围任何一点都有电场,都可以画出电场线来,但我们通常只画几根能反映其基本特点的电场线就行了。

3、不同的电场,场强的分布不同,它们的电场线的形状也不同。

4、用电场线表示某一电场时,电场线的疏密可以表示电场强度的大小,即电场线密处电场强度大,电场线的疏处电场强度小。

二、CAI中,电场变化的模拟描述方法

1、通过电场线的增减来模拟描述电场随时间的变化;其二,通过电场线的粗细改变来模拟描述电场随时间的变化。

三、用电场线的增减模拟描述电场的变化

用电场线的增减来模拟描述电场随时间的变化,是基于“电场线表示某一电场时,电场线的疏密可以表示电场强度的大小,即电场线密处电场强度大,电场线的疏处电场强度小,”这一方法为基础,从而形成了在CAI中用增加电场线来表示电场强度增大,用减少电场线来表示电场强度减小。也就是:既用电场线的疏密来描述电场在空间的强弱分布,也用电场线的疏密改变来描述电场的强弱变化。

2、两种具体的实现方式及其比较

2.1用电场线的密度倍增和倍减分别表示电场强度的增大与减小。例如:模拟一匀强电场的逐渐减弱,甲图中减少标有“4”的电场线后,密度减小一倍变为乙图,乙图中减少标有“3”的电场线后,密度减小一倍变为丙图.....通过计算机依次将乙图替代甲图,丙图替代乙图,

丁图替代丙图......从而就出现电场线逐渐减少的视觉效果。反之,依次用电场线多的替代电场线少的,则出现电场线逐渐增多的视觉效果。

采用这种方式的好处是:替代图中的电场线与被替代图中不消除的电场线能完全重合,因此不消除的电场线将出现静止不动的视觉效果,与增减的电场线形成鲜明的对比,从而产生生动的增减效果。

采用这种方式的不足之处是:电场线的根数变化较大,往往会形成“突变”的感觉。

2.2用电场线的密度逐渐增大和减小分别表示电场强度的增大与减小,即让电场线每次增减的根数少一些,从而避免产生“突变”的视觉效果,以克服第一种方式的不足。

但用这种方式却又产生一个新的不足之处:由于电场线的密度不是倍增或倍减,因而替代图中的电场线与被替代图中不消除的电场线不能实现重合。见图2,乙中的电场线不能与甲中任何一组电场线重合,丙中的电场线也不能与乙中任何一组电场线重合......因此在演示过程中,出现明显的晃动感, 形成“原有电场线消失后,新的电场线产生”的视觉效果,而增减的视觉效果则不理想。

3、用电场线的增减模拟描述电场的变化之不足

用电场线的增减模拟描述电场的变化,两种具体的实现方式有以下共同的不足之处:

3.1在模拟描述电场逐渐减弱时,为了保证有一个“较长”的变化过程让学生观察,则开始的电场线根数要很多,(模拟描述电场逐渐增强时,则后的电场线根数要很多。)而太多的电场线又有碍于学生观察引起电场变化的相关因素。

3.2通过电场线的增减来模拟描述电场随时间的变化,将会出现“一些地方在电场强度增大后才有电场线,有的地方的电场线由于电场强度的减小而消失”的情形,容易使学生产生:“电场中有的地方没有电场线”的错觉,从而对学生理解“任何两条电场线之间的地方也存在电场,也有电场线,电场中任何一点都有电场,都可以画出电场线来。”造成障碍,形成误导。

3.3容易使学生错误理解“用电场线表示某一电场时,电场线的疏密可以表示电场强度的大小,即电场线密处电场强度大,电场线的疏处电场强度小。”这句话的适用条件,造成学生将“用电场线的疏密描述电场强度的大小”延伸到两个电场的比较,使学生错误地认为:两个电场的强弱之分是通过它们电场线的疏密来判断,从而使定性问题复杂化。

3.4容易使学生把“电场在空间的强弱分布”与“电场的强弱变化”混为一谈。

四、论用电场线的粗细改变模拟描述电场的变化

在CAI中,通过电场线的粗细改变来模拟描述电场强度随时间发生的改变,主要用于电场的强弱发生改变时,电场线的基本形状保持不变的情形,而中师、中专、高中物理学中所涉及到的电场变化基本上是这种情形。用电场线的粗细改变来模拟描述电场的这种变化,表现出以下优势:

1、电场线的粗细变化能生动模拟电场强度随时间的“渐变”过程,因为在CAI中,电场线的粗细逐渐改变是很容易实现的。

2、由于这种方法所用的电场线较少,从而使画面中有大量的剩余空间,能方便的展现引起电场变化的相关因素之改变,使学生清楚地观察到它们之间的联系, 终实现CAI的辅助教学目的。

综上所述,在CAI中,用电场线的粗细改变模拟描述电场的变化,优于用电场线的增减模拟描述电场的变化。

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