多语种夫琅和费单缝衍射仿真实验的开发

2015-05-30马致明阿卜杜热伊木图尔荪木莎哈山阿不都卡得克力木

软件工程 2015年11期

马致明　阿卜杜热伊木?图尔荪　木莎?哈山　阿不都卡得?克力木

摘要：以物理模型的数学函数形式为依据，以VB 6.0为开发工具，利用绘图方法和颜色渐变技术开发出了维吾尔语、哈萨克语、汉语多语种夫琅和费单缝衍射仿真实验，用交互式手段动态模拟出该实验中衍射条纹间距和光强随波长和缝距的分布情况，并实现了参数与效果图之间的联动，可为相应内容的教学提供强有力的辅助工具。

关键词：夫琅和费单缝衍射；仿真实验；多语种；开发；VB6.0

中图分类号：TP311 文献标识码：A

1 引言（Introduction）

“光学”是以实验为基础的科学，光在传播过程中遇到障碍物时偏离直线传播的现象称为光的衍射，光衍射后会在背景屏幕上形成光强有规则分布的光斑，这些光斑称为衍射图样或衍射条纹，平行光束受狭缝限制所产生的衍射称为夫琅和费单缝衍射，其条纹分布、光强分布跟光源波长和狭缝缝距密切相关。

条纹分布规律：

光强分布规律：

式中k=1，2，3，…，b为缝距，为波长，为偏离角度，I0是中央条纹光强的极大值。

光的衍射是光学中的重点内容，而夫琅和费单缝衍射规律较难理解，实际物理实验中不同条件下的衍射条纹也不易比对。为此，我们运用VB6.0开发了维、哈、汉多语种夫琅和费单缝衍射仿真实验，用交互式手段动态模拟出实验中条纹光强和间距随波长和缝距的分布规律，并实现了参数与效果图之间的极速联动。本仿真实验可对课堂教学和课后学习提供强有力的辅助工具，方便学生对夫琅和费单缝衍射现象的理解、对相关理论知识的学习和对实验规律的掌握。

2 总体设计思路（The overall design ideas）

教学设计（Instructional Design，简称ID）是运用现代学习与教学心理学、传播学、教学媒体论等相关的理论与技术，来分析教学中的问题和需要，设计解决方法，试行解决方法，评价试行结果，并在评价基础上改进设计的一个系统过程[1]。

多语种夫琅和费单缝衍射仿真实验是在构建物理模型和数学模型的前提下，利用计算机编程技术和多媒体技术来模拟物理现象，诠释物理规律，演示内在过程，并由此构建适用于新疆民汉双语教学的模拟演示环境。因此本仿真实验的设计既要遵循物理模型和物理规律，又要符合新疆维吾尔族、哈萨克族少数民族学生的认知特点，更重要的是要通过交互式模拟环境将抽象繁琐的数学模型转换成生动形象的物理图像，给学生提供一些常规实验和现实世界中难以获得的感性认识，弥补传统教学的不足，帮助学生克服因基础薄弱所产生的理解困难，并顺利完成向理性认识的过渡[2]。

夫琅和费单缝衍射仿真实验应具有很强的人机交互性，波长、缝距等物理参数的输入方式要尽可能方便易用，各种光源可借助调色板进行选择或切换。所有仿真过程都能做到参数与现象之间的随调随变、直接响应，而不需要再去单击其他按钮或工具，就如同在真实仪器上操作一样。球面光波、平行光波、子波等的传播过程都要用逼真的动画进行动态演示，并能随参数的改变而进行连续的变化；为了便于少数民族学生理解和掌握，当参数变化而引发物理现象的改变时，通过三种文字和用户所选择的配音语种进行阐述和说明，一步步提示和引导学生寻求和掌握其中所蕴含的物理规律。

3 夫琅和费单缝衍射仿真实验的开发（The

development of Fraunhofer single-slit diffraction

simulation experiments）

任何一个多媒体仿真实验的开发都要涉及计算机科学、教育技术学、教育学、心理学及所应用的学科，在仿真实验开发中所倡导的原则是“学科教学规律的遵从、软件工程方法的掌控、人机交互思想的渗透、教育技术理念的融合”[3]。

3.1 实验目标的设定

夫琅和费单缝衍射仿真实验要模拟出从点光源发出的球面光波经过凸透镜折射后变成平行光波，遇到狭缝后又发射子波，多个子波折射后叠加形成衍射条纹的全过程。条纹的位置和光强完全按照光强分布公式计算得到；当调整相应物理参数时，仿真实验装置也做出相应的调整，并直接呈现出该参数下的衍射条纹，同时用三种文字和配音给出相应的物理解释。仿真实验要求运行画面逼真、效果显著，白光衍射后要形成彩色条纹，运行效果要便于前后对比，方便用户分析、理解和掌握有关规律。

3.2 实验环境的搭建

本仿真实验界面分为上下两部分，其中界面上方为实验装置和光路传播场景，由图片框控件PictureBox来做容器，容器内用来呈现点光源、球面光波、凸透镜1、平行光波、狭缝、子波、凸透镜2和衍射条纹；除了点光源由形状控件Shape来制作以外，球面光波、凸透镜1、平行光波、狭缝、子波、凸透镜2和衍射条纹均由程序用绘图方法进行动态绘制。界面下方为配音控制箱、光源控制箱、缝距控制箱和结论呈现窗口，其中配音控制箱中提供四个单选按钮控件OptionButton，用来提供维吾尔族、哈萨克族、汉语或无配音的选择；光源控制箱中提供六个形状控件Shape，用来切换红、黄、绿、青、蓝五种单色光源和白色（杂色）光源，并在旁边用标签控件Label呈现各单色光源的波长值；缝距控制箱中提供滚动条控件HScrollBar，用来调控狭缝的缝距，并用标签控件Label显示缝距的大小以及相关的分布规律公式；结论呈现窗口中用三个标签控件Label分别呈现三种文字的对应结论或对现象的相关解释。

3.3 动态光波的模拟

实验中要模拟出球面光波、平行光波和子波的动态传播过程，具体做法是：由计时器控件控制波形传播的节奏和速度，在设定的时间间隔内依据光源的颜色在相应的位置用绘制圆弧和直线的方式绘制出球面波、平行波和子波这三种形态的波形；光源不同，波长不同，绘制出的前后两列波的间距即峰距也不同；因白光中含有多种单色光，故白光的波形用多种单色光所对应的波长进行绘制。在下一个计时事件中，清除以前的波形图，波形向右移动四分之一周期后再分别绘制三种形态的波形图，从而形成波形向右传播的动态效果。

3.4 条纹光强的控制

衍射条纹要通过绘图方法进行绘制，绘图过程中要借用RGB函数控制颜色和强度。在绘制衍射条纹的分布图及其强度前，需要按照光强分布公式计算出不同位置的光强值，因RGB函数中红、绿、蓝三原色的分量值的取值范围是0—255，故光的强弱要通过对计算出的光强值按256个级别进行数字化，然后通过控制RGB函数中的颜色分量值在相应位置绘制出一条一条的直线，从而形成衍射条纹。

如果直接按照上述量化后的颜色分量值绘制条纹，光强较弱的条纹几乎用肉眼看不到，所以在实际绘图过程中，还需要对不同光强范围的弱光按照不同量级的指数形式进行放大，其中包括白光衍射后所形成的彩色条纹，从而形成与真实实验中相同的条纹效果。

3.5 语音文字的切换

当光源的波长或狭缝的缝距这两个物理参数发生变化时，对应的衍射条纹的分布情况会发生相应的变化，本仿真实验中既要用三种文字呈现变化的原因及变化的过程，同时又要用所选定的三种语言中的一种进行配音解说。具体实现方法是将有关的解说词录制成wav格式的配音文件，分别存放在对应语种媒体文件夹中，同时也将相应语种的解说词放在该文件夹中；仿真实验启动后，根据用户的操作所引发的物理参数的变化，由程序进行逻辑判断并找出其中的结论，然后在结论呈现窗口呈现相应语种的结论或对相关现象的解释，同时通过有关媒体播放手段播放相应语种的配音文件。

4 运行效果（Running effect）

单色光源下条纹分布随所选择的光源及缝距大小的不同而不同，运行效果如图1所示。

图1 单色光源下的运行效果

Fig.1 Operating effect of monochromatic light source

白色光源下形成的彩色条纹分布随缝距大小的不同而不同，运行效果如图2所示。

图2 白色光源下的运行效果

Fig.2 Operation effect of white light source

5 结论（Conclusion）

仿真实验可以减少实验的成本，有效提高学生实验学习的主动性，提高学习者的学习兴趣、开阔他们的视野，培养他们的创新意识和运用媒体技术的综合素养，培养他们的创新能力[4]。本仿真实验完全按照物理规律呈现相应的现象，并用三种文字和配音给出对应现象的物理解释，实验交互性好，使用方便，响应迅捷，能实现参数与效果图之间的随改随变，可作为光学课程中相应内容有力的教学辅助工具。

开发和应用多语种仿真实验是解决少数民族地区教育资源不足、教育观念相对滞后、教育改革进程缓慢等问题的有效手段，也是改善办学条件、推进民族教育手段现代化进程、提高少数民族教育质量的重要途径。希望能有更多的有识之士参与到多语种仿真实验的开发和应用当中，为提高少数民族教育质量，促进教学手段现代化做出应有的贡献。

参考文献（References）

[1] 皮连生.教学设计——心理学的理论与技术[M].北京：高等教

育出版社，2000.

[2] 宋清.大学物理计算机模拟实验的MATLAB开发[J].高等函授

教育（自然科学版），2005（8）：5-8.

[3] 宋继华等.对外汉语教学网络课程开发的理论原则[J].北京师

范大学学报（社科版），2004（2）：113-118.

[4] 尹合栋.基于Web3D的中学物理仿真实验辅助学习系统的设

计与应用[J].电化教育研究，2012（2）：78-83.

作者简介：

马致明（1964-），男，硕士，教授.研究领域：计算机教育，软

件开发.