浅谈可视化在物理教学中的意义

可视化是一种计算机技术，是指利用计算机将数据转换成图形或图像，甚至是三维动画显示出来。可视化应用于物理教学具有很强的辅助作用，能将现有条件下很难实现或不易观察的物理现象直观地展现出来。实现物理过程或现象的可视化并运用于课堂教学，对激发学生的学习兴趣，提高课堂效率有着十分重要的作用。笔者以浅显的文字，简要论述可视化在物理教学中的意义。

一、活跃课堂，提高学习效率

图形和彩色给人的视觉冲击远比文字强烈，给人留下的印象也远比文字深刻，如果我们在课堂上充分利用多媒体设备，把事先模拟好的物理情景或物理过程以图形或者三维动画的形式呈现在屏幕上，比如圆周运动的双星系统、弹性碰撞过程等，能够吸引学生的注意力，使他们集中精力于课堂学习之中，从而告别过去枯燥、乏味、昏昏欲睡的课堂。物理现象、情景的可视化活跃了课堂的气氛，丰富了课堂的内容，提高了课堂的效率。

二、激发兴趣，培养主动学习的习惯

将平时生活中不易注意或是很难看到的现象进行可视化模拟，比如卫星的运行，光的干涉、衍射等，还能增强学生的好奇心，激发他们学习物理的兴趣，促使他们关注日常生活中的物理现象，逐步形成主动探索的精神，培养在实践中学习的能力，锻炼课后自主学习的能力，彻底改变传统的教师“教死书”，学生“死学书”的现象。

三、辅助并加深对所学知识的理解

物理是一门以实验为基础的学科，实验除了能培养学生的动手能力、体验知识的获得过程外，还能使学生加深对实验结论的记忆和对知识的理解。如果我们能够对不可见或不易做的实验（尤其是光学实验）进行可视化模拟，效果更加明显。

光的多缝夫琅和费衍射中，多缝按其光栅常数把入射光波波面分割成多个部分，每部分成为一个单缝而发生夫琅和费衍射。由于单缝衍射之间是相干的，因此多缝夫琅和费衍射的复振幅分布是所有单缝夫琅和费衍射复振幅分布的叠加。其光强表达式：

就能直观地看出多缝干涉因子受到单缝夫琅和费衍射因子的调制之后便形成了明暗相间的等距条纹；由图1中的第二个和第三个就能很明显看出每个主极大是相应单缝夫琅和费衍射主极大的缝数的平方倍，而且每两个主极大之间有N-1个零级；另外，在图2中的最后一个图中也很清楚的体现了满足缝的间距是缝宽的整数倍时便会出现缺级的情况。

以上都是多缝夫琅和费衍射条纹的基本特征，同时也说明了多缝夫琅和费衍射是多缝衍射因子受到单缝衍射因子调制的基本原理。简单的两个图便充分体现了多缝夫琅和费衍射的基本原理以及条纹特性，把原本需要几节课的内容浓缩成了一节课的内容，以简单的几行代码就代替了以前繁琐复杂的实验，而且没有受实验时间、地点等外界条件的影响。

四、直观地体现特定条件下物理结论的变化规律

在研究物理的过程中，我们不但要知道基本规律，还要研究在外界条件变化的情况下的变化规律，比如上述多缝夫琅和费衍射中，如果缝数N、缝宽a、缝距d等的某个甚至几个条件改变，那么条纹又会有什么变化呢？固然根据公式（2）也能推算，但多个条件变化时就会束手无策，让人绞尽脑汁还未必能得到准确的结果。但如果我们借助Matlab数学软件模拟出相关的情况，只要在程序中改变相应变化量的数值参量，便会得出新条件下的两种成像情况，甚至可以将这两种成像情况放置在同一幅图中，通过比较不难得到衍射条纹缝数越大，主极大的宽度越小，反映在观察面上主极大亮纹越亮、越细等的变化规律。

另外，如果结合多个软件，如Matlab的可视化界面，用Vb语言等建立一个直观的用户界面，把所有的参量在动态文本中随意设置，甚至可以设置数值每隔一小段时间变化一次，就可以看到一个动态的画面，进而方便、快捷地展现物理现象的变化规律。

结束语

实现物理现象的可视化，可增强课堂教学的直观性和趣味性，同时也增强了课堂教学的容量，提高了教学的效率以及学生的学习能力；把枯燥的理论推导变成一张张含义丰富的图片，用简单的动画代替了实验又不受制于时间、地点的限制，真正实现“在乐中学，在学中乐”的愿望。