可視化技術(shù)在高中物理學(xué)習(xí)中的應(yīng)用實踐

王詩龍 孫昭

摘?要：針對中學(xué)物理知識概念抽象、實驗手段有限以及學(xué)生接受不同表現(xiàn)形式知識的能力存在個體差異等情況，將可視化技術(shù)應(yīng)用于學(xué)習(xí)過程，通過對抽象知識具體化、形象化，豐富傳播形式，便于不同類型的學(xué)生以自己擅長的途徑理解知識。首先采用思維導(dǎo)圖對光學(xué)知識進行了歸納整理，從整體上掌握知識脈絡(luò)，并為后續(xù)有側(cè)重點的復(fù)習(xí)打下基礎(chǔ)。其次，介紹了利用Python開源編程語言實現(xiàn)的典型光學(xué)干涉和衍射圖像仿真模型，可以直觀觀察到這些現(xiàn)象，并可以方便調(diào)整影響參數(shù)，將抽象的原理公式與影響結(jié)果的圖像聯(lián)系起來。利用計算機技術(shù)將知識可視化，可以便于教師教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)，使抽象的課本文字形象化，有利于知識更有效地傳播，并可通過學(xué)生親自參與調(diào)動其學(xué)習(xí)的興趣和主動性。

關(guān)鍵詞：知識可視化;光學(xué);思維導(dǎo)圖;Python

中圖分類號：G632

一、可視化對中學(xué)物理學(xué)習(xí)的意義

中學(xué)物理是重點基礎(chǔ)學(xué)科，但因其概念抽象，對學(xué)生的理解力、想象力、實驗?zāi)芰Φ忍岢隽溯^高要求，使得物理知識的講授和學(xué)習(xí)都存在一定困難。從學(xué)習(xí)心理學(xué)的角度，由于每個學(xué)生的生長環(huán)境、經(jīng)歷等個體差異，不同學(xué)生對知識的接受方式、接受速度、擅長能力等都有差別，大部分對于形象化的內(nèi)容接受力較快，而抽象理解能力較為欠缺。同時，現(xiàn)行教材和輔導(dǎo)書絕大部分是以文字編排形式進行知識描述，雖也有增加了趣味性、實踐性，但信息密度高，多數(shù)學(xué)生有本能的抵觸心理。因此，采用知識可視化技術(shù)，將抽象的物理概念和規(guī)律轉(zhuǎn)化為具象的圖形、影像等，采取聽覺、視覺、語言、觸覺等多種表現(xiàn)形式傳播知識，使學(xué)生從感性和直觀性上獲取多種形式的外部刺激，從而培養(yǎng)學(xué)習(xí)興趣，構(gòu)建物理思維，再逐漸完成從具體到抽象的提升過程，是一個有效的教學(xué)和學(xué)習(xí)途徑。現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進步使這種知識可視化成為可能。采用計算機工具將物理知識進行可視化仿真成為當(dāng)前教學(xué)研究的一個熱點，例如對于概念、規(guī)律類知識，可以采用各類中類型的圖示化方法;對于模型類知識，可以利用信息技術(shù)和視覺隱喻;對于實驗類知識，有各種多媒體技術(shù)、手機軟件等可以實現(xiàn)[1]。

本文在高中物理課程的光學(xué)學(xué)習(xí)中，應(yīng)用思維導(dǎo)圖和Python語言嘗試對知識進行可視化，以幫助記憶、增強理解。

二、思維導(dǎo)圖在光學(xué)知識學(xué)習(xí)中的應(yīng)用

光學(xué)是中學(xué)物理學(xué)習(xí)中的難點之一，知識點多，內(nèi)容抽象，定性知識較多，晦澀難懂，尤其物理光學(xué)，如干涉、衍射等更不容易理解。人較版《高三物理選修34》用文字、示意圖、應(yīng)用案例等形式介紹了幾何光學(xué)和物理光學(xué)的相關(guān)知識，但對于中學(xué)生而言，仍顯得知識密度大、感性認識不足。思維導(dǎo)圖又稱為心智圖，是一種對知識概念加深理解和記憶的有效工具。通過制作思維導(dǎo)圖，可以對信息歸納分類、建立知識網(wǎng)絡(luò)、啟發(fā)誘導(dǎo)思考[2]。

在學(xué)習(xí)過程中，筆者首先利用思維導(dǎo)圖梳理了該章節(jié)的知識點，并通過信息檢索，盡量給出各個原理的常見或者直觀的應(yīng)用實例，以提高學(xué)習(xí)興趣、幫助記憶。繪圖軟件采用免費的Mindmaster，如圖1所示。

一方面可以在學(xué)習(xí)過程中理清思路，另一方面，也作為以后復(fù)習(xí)時能夠更快地對照檢查，發(fā)現(xiàn)薄弱點，有針對性地復(fù)習(xí)。

三、光學(xué)現(xiàn)象的可視化仿真

近年來，國內(nèi)在光學(xué)知識可視化方面做了很多研究[35]，但大多使用的工具如matlab，mathematica等版權(quán)昂貴，一般中學(xué)生難以方便地獲取。Python是一種解釋性、開源、易于學(xué)習(xí)的編程語言，非常適用于初學(xué)者。同時，Python是免費的，但功能強大，可以跨平臺運行。2018年，教育部將Python列入全國計算機等級考試科目，促進了該編程語言在國內(nèi)的普及。目前Python在網(wǎng)站開發(fā)、金融分析、大數(shù)據(jù)挖掘、網(wǎng)絡(luò)爬蟲等多個領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用[6]。同時，Python語言網(wǎng)上社區(qū)活躍，資源眾多，利于自學(xué)。對中學(xué)生稍加訓(xùn)練，可以實現(xiàn)自我開發(fā)可視化場景，提高其成就感，同時也有利于提升學(xué)習(xí)知識的主動性。

（一）雙縫干涉原理及其仿真

當(dāng)一束單色光投射到一塊有兩條距離很近的狹縫的不透光擋板上，狹縫將光束分成兩個光源，其頻率、相位和振動方式相同，兩個光源在擋板后的區(qū)域相遇疊加，產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。

對于單色光入射的雙縫干涉，其原理示意圖如圖2所示。

式中：I為接收屏上的光強，I0為接收屏中心位置光強，Δφ為相位差，Δφ=dsinθλ2π，d為狹縫間距，λ為波長，r0為擋板到成像屏的間距，θ為衍射角。

仿真模型采用開源的Python軟件包Anaconda3實現(xiàn)，程序界面使用了PyQt5圖形化界面工具包以及numpy、matplotlib、math、sys等擴展庫[8]，采用Anaconda3自帶的Spyder集成開發(fā)環(huán)境編程。完成后的界面如圖3所示。

調(diào)整左邊的參數(shù)，可以觀察明暗相間條紋的變化。與文獻[3]對比，形成的條紋類似。

（二）圓孔衍射原理及其仿真

由于很多光學(xué)儀器采用了圓形鏡片，而衍射現(xiàn)象會影響成像效果，因此圓孔衍射現(xiàn)象研究非常廣泛。衍射現(xiàn)象一般分為菲涅爾衍射（近場衍射）和弗朗禾費衍射（遠場衍射）。本文以后者為例，探討Python在光學(xué)仿真中的應(yīng)用。

式中，I0為光軸上點的光強度，J1（x）為一階貝塞爾函數(shù)，a為圓孔半徑，θ為衍射角，λ為入射光波長。

中央光斑（第一暗環(huán)）的直徑為D，P點的位置由衍射角θ來確定。如果屏上P點距離中心O點的距離為r（r=fsinθ），則中央光斑的直徑D為：

調(diào)整波長和圓孔半徑可以觀察到：波長越短、圓孔半徑越大，衍射圖樣半徑越小，因此在顯微鏡中用短波長的可以提高分辨率，而天文望遠鏡均采用大口徑鏡片。

（三）矩形孔衍射原理及其仿真

當(dāng)光線穿過圓形小孔，形成明暗相間的圓形光斑，直觀上還比較容易想象。其實，光線通過矩形孔也會發(fā)生衍射，但其圖像不容易理解。本文建立了矩形孔衍射的仿真模型。

方孔（矩形孔）衍射原理圖如圖6。

式中，I（P）為P點的光強，I0為光軸線上P0的光強，θx、θy分別為x和y方向的衍射角，λ為光波長，f2為透鏡L2的焦距。

由圖7可以看出：中央集中了大部分光能，并以其角半寬度的大小來衡量衍射效應(yīng)的強弱。如果矩形孔的b和h不相等，則沿著x軸和y軸相鄰暗點的間距不同。當(dāng)h>b，沿著y軸比沿著x軸的暗點間距稠密。同時，波長越長，衍射效應(yīng)越顯著;波長越短，衍射效應(yīng)越可以忽略，因此，幾何光學(xué)是波動光學(xué)當(dāng)λ→0時的極限。當(dāng)b<

次極大光強計算表明，矩形孔的情況比圓孔情況大三倍左右，因此，圓孔可以使光強更集中在中心位置[8]。

以上仿真模型均可通過調(diào)整光線波長、矩形孔尺寸等參數(shù)，可以直觀觀察干涉或衍射圖樣的變化過程，從而理解各參數(shù)對光學(xué)效應(yīng)的影響。同時也可以輸入課后作業(yè)中的參數(shù)，輔助演示作業(yè)的結(jié)果。

四、結(jié)語

利用編程語言等可視化工具，將物理原理還原為可視化、直觀化的場景，可以克服物理實驗教學(xué)中的場地、設(shè)備限制，并且能夠更加方便調(diào)整控制參數(shù)，觀察結(jié)果變化。尤其對于光學(xué)實驗，要求儀器精密、調(diào)節(jié)仔細、準備工作量大，而采用計算機仿真可以事先開發(fā)好程序，在課堂上與實驗同步演示、對比，既可以與實驗結(jié)果互相印證，也可以增加知識的表現(xiàn)形式，提高學(xué)習(xí)興趣和主動性。

參考文獻：

[1]陳鋒.中學(xué)物理知識可視化的分類及應(yīng)用研究[D].石河子大學(xué)，2018.

[2]朱加強.光學(xué)知識應(yīng)用思維導(dǎo)圖的教學(xué)實踐[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2019，48（12）：2829.

[3]周洪偉.應(yīng)用Matlab可視化助推高中物理教學(xué)的探索[J].麗水學(xué)院學(xué)報，2020，42（5）：116120.

[4]陳學(xué)文，張家偉，姚雪，時澄，吳思韻.基于Mathematica的光的干涉實驗的仿真模擬[J].實驗技術(shù)與管理，2020，37（9）：165169.

[5]崔海瑛，吳春梅，趙大偉，王馨玉.牛頓環(huán)實驗的MATLAB仿真[J].大慶師范學(xué)院學(xué)報，2016，36（3）：1416.

[6]許洪云，陳朝焰.新工科背景下Python教學(xué)探討與實踐[J].計算機時代，2021（2）：9698.

[7]姚啟鈞.光學(xué)教程[M].北京：高等教育出版社，2002.

[8]Vasudevan?Lakshminarayanan，Hassen?Ghalila，Ahmed?Ammar，L.Srinivasa?Varadharajan.Understanding?Optics?with?Python[M].佛羅里達：CRC出版社，2017.

[9]郁道銀，談恒英.工程光學(xué)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2016.

通訊作者：高建忠。