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淺議CAI中電場變化的模擬描述
計算機輔助教學(Computer Aided Instruction ，簡稱CAI)是在計算機輔助下進行的各種教學活動，以對話方式與學生討論教學內容、安排教學進程、進行教學訓練的方法與技術。CAI為學生提供一個良好的個人化學習環境。綜合應用多媒體、超文本、人工智能和知識庫等計算機技術，克服了傳統教學方式上單一、片面的缺點。它的使用能有效地縮短學習時間、提高教學質量和教學效率，實現最優化的教學目標。
摘要：電磁場課程計算機輔助教學(CAI)軟件是現代化教學手段的主要標志之一，以形象模擬和演示，能將電場的變化生動形象的展現出來，變抽象為直觀，變無形為有形，使學生較為容易地理解知識，從而突破教學難點，本文論述了CAI中如何模擬描述電場的變化。
關鍵詞：CAI 模擬描述 電場變化
一、電場的形象化描述
為了形象的描述電場，人們引入了電場線。用電場線描述電場時，電場的疏密可以表示電場強度的大小，即電場線密處電場強度大，電場線疏處電場強度小。在講解電場線時，我們應向學生澄清以下問題：
1、電場線是為了使電場形象化而假想的線，它是描述電場的重要輔助手段，并非真實存在的線。
2、任何兩條電場線之間的地方也存在電場，也有電場線。電荷周圍任何一點都有電場，都可以畫出電場線來，但我們通常只畫幾根能反映其基本特點的電場線就行了。
3、不同的電場，場強的分布不同，它們的電場線的形狀也不同。
4、用電場線表示某一電場時，電場線的疏密可以表示電場強度的大小，即電場線密處電場強度大，電場線的疏處電場強度小。
二、CAI中，電場變化的模擬描述方法
1、通過電場線的增減(密度改變)來模擬描述電場隨時間的變化;其二，通過電場線的粗細改變來模擬描述電場隨時間的變化。
三、用電場線的增減模擬描述電場的變化
1、成因
用電場線的增減(密度改變)來模擬描述電場隨時間的變化，是基于“電場線表示某一電場時，電場線的疏密可以表示電場強度的大小，即電場線密處電場強度大，電場線的疏處電場強度小，”這一方法為基礎，從而形成了在CAI中用增加電場線(密度增大)來表示電場強度增大，用減少電場線(密度減小)來表示電場強度減小。也就是：既用電場線的疏密來描述電場在空間(不同位置)的強弱分布，也用電場線的疏密改變來描述電場(隨時間)的強弱變化。
2、兩種具體的實現方式及其比較
2.1用電場線的密度倍增和倍減分別表示電場強度的增大與減小。例如：模擬一勻強電場的逐漸減弱(見圖1)，甲圖中減少標有“4”的電場線后，密度減小一倍變為乙圖，乙圖中減少標有“3”的電場線后，密度減小一倍變為丙圖.....通過計算機依次將乙圖替代甲圖，丙圖替代乙圖，
甲 乙 丙 丁
圖1
丁圖替代丙圖......從而就出現電場線逐漸減少的視覺效果。反之，依次用電場線多的替代電場線少的，則出現電場線逐漸增多的視覺效果。
采用這種方式的好處是：替代圖中的電場線與被替代圖中不消除的(或原有的)電場線能完全重合，因此不消除的(或原有的)電場線將出現靜止不動的視覺效果，與增減(動)的電場線形成鮮明的對比，從而產生生動的增減效果。
采用這種方式的不足之處是：電場線的根數變化較大(基本上是倍增或倍減)，往往會形成“突變”的感覺。
2.2用電場線的密度逐漸增大和減小分別表示電場強度的增大與減小，即讓電場線每次增減的根數少一些，從而避免產生“突變”的視覺效果，以克服第一種方式的不足。
但用這種方式卻又產生一個新的不足之處：由于電場線的密度(電場線間的距離)不是倍增或倍減，因而替代圖中的電場線與被替代圖中不消除的(或原有的)電場線不能實現重合。見圖2，乙中的電場線不能與甲中任何一組電場線重合，丙中的電場線也不能與乙中任何一組電場線重合......因此在演示過程中，出現明顯的晃動感， 形成“原有電場線消失后，新的電場線產生”(替換)的視覺效果，而增減的視覺效果則不理想。
甲 乙 丙 丁
圖2
3、用電場線的增減模擬描述電場的變化之不足
用電場線的增減模擬描述電場的變化，兩種具體的實現方式有以下共同的不足之處：
3.1在模擬描述電場逐漸減弱時，為了保證有一個“較長”的變化過程讓學生觀察，則開始的電場線根數要很多，(模擬描述電場逐漸增強時，則最后的電場線根數要很多。)而太多的電場線又有礙于學生觀察引起電場變化的相關因素。
3.2通過電場線的增減(密度改變)來模擬描述電場隨時間的變化，將會出現“一些地方在電場強度增大后才有電場線，有的地方的電場線由于電場強度的減小而消失”的情形，容易使學生產生：“電場中有的地方沒有電場線”的錯覺，從而對學生理解“任何兩條電場線之間的地方也存在電場，也有電場線，電場中任何一點都有電場，都可以畫出電場線來。”造成障礙，形成誤導。
3.3容易使學生錯誤理解“用電場線表示某一電場時，電場線的疏密可以表示電場強度的大小，即電場線密處電場強度大，電場線的疏處電場強度小。”這句話的適用條件，造成學生將“用電場線的疏密描述電場強度的大小”延伸到兩個電場(變化前后的電場)的比較，使學生錯誤地認為：兩個電場的強弱之分是通過它們電場線的疏密來判斷，從而使定性問題復雜化。
3.4容易使學生把“電場在空間的強弱分布”與“電場(隨時間)的強弱變化”混為一談。
四、論用電場線的粗細改變模擬描述電場的變化
在CAI中，通過電場線的粗細改變來模擬描述電場強度隨時間發生的改變，主要用于電場的強弱發生改變時，電場線的基本形狀保持不變的情形，而中師、中專、高中物理學中所涉及到的電場變化基本上是這種情形。用電場線的粗細改變來模擬描述電場的這種變化，表現出以下優勢：
1、電場線的粗細變化能生動模擬電場強度隨時間的“漸變”過程，因為在CAI中，電場線的粗細逐漸改變是很容易實現的。
2、由于這種方法所用的電場線較少(見圖3)，從而使畫面中有大量的剩余空間，能方便的展現引起電場變化的相關因素之改變，使學生清楚地觀察到它們之間的聯系， 最終實現CAI的輔助教學目的。
甲 乙 丙 丁
圖3
綜上所述，在CAI中，用電場線的粗細改變模擬描述電場的變化，優于用電場線的增減模擬描述電場的變化。
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