论文导读:：根据对科学素养内涵的理解。基于Matlab的计算机模拟。基于传感器的数据采集系统的实验方法。
论文关键词：科学素养，计算机模拟，数据采集系统
1、引言
随着现代科技日益广泛应用于现代生活，提高公众的科学技素养已成为教育的重要摘要分为三方面内容：①科学技术的基本术语和概念；②科学技术活动的性质；③科学技术在社会和文化中的角色。根据对科学素养内涵的理解，科学素养包括科学精神、态度和价值观；科学知识、技能、方法和能力；科学行为与习惯。
2、财经类院校学生的科学素养培养
现代科技的发展与物理学的发展密不可分，物理学的进步为新技术的出现和改进提供了理论基础。物理学定律揭示了物质运动的规律，使人们在科技上运用这些定律成为可能，热力学与机械学的发展，推动了蒸汽机时代的工业革命；电磁学理论的建立与应用，推动了电力技术的发展等等。因此物理学与现代科技应成为财经类院校学生科学素养培养的重要内容。物理学与现代科技的学习应包括理论学习和实验教育两方面。
（1）理论学习。开设《物理学与现代科技》校际选修课程，编写适合财经类院校学生的《物理学与现代科技》教材，内容应包括物理学中的力学、热学、电磁学、光学等基础性、基本性的原理，并结合现代科学技术的应用，学习科学理论知识。
（2）实验教育。物理实验是推动科学技术发展的有力工具数据采集系统，很多科学技术的重大发明和发展，如无线电、现代核技术、超导技术等都是建立在实验基础之上的中国学术期刊网。通过对实验现象的观察、分析和对物理量的测量，学习物理实验知识，加深对物理学原理的理解，以及现代科技中的应用；培养与提高学生的科学实验能力、科学实验素养、理论联系实际和实事求是的科学作风、严肃认真的工作态度、主动研究的探索精神。
通过物理学与现代科技的理论与实验教育，引导学生掌握科学知识与物理原理，培养科学精神、科学态度，树立科学实验的思想，培养科学行为与习惯，提高科学素养。
3、物理学与现代科技的培养方法
《物理学与现代科技》可做为财经类院校学生提高科学素养培养的重要课程，本文将《物理学与现代科技》的培养分为三部分，如图1所示。
⑴结合现代科技应用讲解物理原理。根据现代科技的应用，阐述现代科技的物理学原理，做到理论联系实际。
⑵基于传感器的数据采集系统的实验方法。通过实验，学习传感器技术与数据采集技术，注重科学的实验过程，掌握科学的实验方法、学会数据分析等。
⑶基于Matlab的计算机模拟。在《物理学与现代科技》的理论与实践学习中，通过Matlab仿真物理现象、物理实验过程、物理概念，便于知识传授和理解。同时财经类院校学生在专业知识学习过程中，数学模型在社会科学的应用已相当普遍，通过物理学与现代科技的计算机模拟，了解自然科学方面数学模型的应用，结合专业知识，运用于社会科学的研究与应用，提高专业技能。
图1 物理学与现代科技培养方法
4、基于传感器的数据采集器系统的实验方法
传感器技术2是新技术革命和信息社会的重要技术基础数据采集系统，是一门多学科交叉的现代科学技术，被公认为现代信息技术的源头。它已广泛应用于现代农业、工业和军事领域，以现代农业温室栽培技术为例，借助温度传感器、湿度传感器、PH值传感器、光传感器等传感器控制温室内的温度、湿度、光照、喷灌量、通风等，保证农作物良好的生长条件。
数据采集器系统3又被称为数字化实验系统，是运用不同的传感器(如力，位移，声，电，磁等传感器)，采集实验所涉及到的物理量(模拟量或数字量)，然后通过接口将其转换为计算机可识别的数字量输入计算机，通过相应的软件对数据进行处理的一套系统。
4.1基于传感器的数据采集器系统介绍
本文基于传感器的数据采集系统的实验方法采用美国PASCO物理实验系统，它由以下三部分组成：
1、计算机接口：将传感器采集的物理量输入计算机；
2、传感器：利用先进的传感技术,采集物理实验中各种变化物理量数据；
3、配套软件：Datastudio软件是基于PC计算机的PASCO数据采集与处理系统的应用软件，主要有数据采集控制和数据处理两方面的应用。
4.2基于传感器的数据采集器系统的实验方法
以碰撞——冲量和动量实验为例，运动传感器采集碰撞过程中小车速度的改变量，进而算出碰撞前后动量的变化；力传感器采集碰撞过程中力的变化，并由DataStudio软件建立力对时间的积分，求出冲量。传感器的采样速率可根据实际情况设置，在碰撞过程中，因碰撞时间较短，需采集在碰撞过程中力的变化，可设置较高的采样率。在实验过程中，计算机接口采集外部传感器传送过来的物理量，由DataStudio软件显示碰撞过程中力与时间的变化、碰撞前后小车速度与时间的变化数据采集系统，并且DataStudio软件可完成基本的算术、统计运算，以及对实验数据做线性拟合、多项式拟合等。
通过直观的图形显示，以及高效的物理量采集，提高了学生完成科学实验的兴趣，加深学生对物理规律的理解，进而验证动量定理，实现了定性观察向定量分析的提升。
4.3基于传感器的数据采集器系统实验方法的特点
通过数据采集器系统的物理实验熟悉各种传感器在声、光、电等方面的应用,了解传感器技术与数据采集技术相结合在现代科技方面的应用，尤其是实时测量技术中的广泛应用。通过数据采集器的实验数据和图形，加深对科学原理的理解，激发科学原理的探究，有利于培养学生运用现代科技知识解决实际问题的能力。
5、基于MATLAB的计算机模拟
计算机模拟4是利用计算机建模和仿真技术来表现某些系统的结构和动态变化,提供一种可供体验和观测的状态中国学术期刊网。建立模拟的关键工作是建立被模拟对象的模型,然后用计算机程序描述此模型,通过运算产生输出。这些输出能够在一定程度上反映真实世界的行为。Matlab是一套高性能的数值计算和可视化软件，集数值运算、信号处理和图形显示于一体，已应用于信号分析、语音处理、控制工程、电子信息等领域。基于Matlab的计算机模拟，是运用Matlab获得模拟图形，对物理现象、物理过程、物理概念的计算机模拟，将物理学中定性的语言描述和抽象的数学表示为生动直观的界面。
刘群英5利用其可视化功能对电磁学实验现象进行计算机模拟，介绍了Matlab在静电场中的应用、Matlab在恒定电场中的应用——电阻法勘测矿藏时大地中的电流、Matlab在电磁场中的应用——两根截流长直导线的磁场。宋清6根据多普勒效应、磁场中电子的运动，弹跳球和多光束干涉等四个物理问题开发出计算机模拟实验。可见，基于MATLAB的计算机模拟已经在物理学的力学、电磁学、光学中得到了一定的应用。
以等量异号点电荷电场中电势分布为例，静电场中各点的电势是逐点变化的，但是场中有许多点的电势值是相等的，把这些电势值相等的各点连接起来所构成的曲面叫做等势面。电场中某点的电势梯度矢量 ，在方向上与电势在该点处空间变化率为最大的方面相同，在量值上等于沿该方向上的空间变化率，可采用Matlab进行计算机模拟可视化等视面、电场的方向和大小。
图2等量异号点电荷电场中电势分布
程序如下：
[x,y]=meshgrid(-2:0.1:2,-2:0.1:2); %以0.1为步长建立平面数据网格
z=1./sqrt((x-0.5).^2+y.^2+0.01)-1./sqrt((x+0.5).^2+y.^2+0.01);%写出电势表达式数据采集系统，电荷位置在[-0.5,0]和[0.5,0]处.
[px,py]=gradient(z); %求电势在x,y方向的梯度即电场强度
contour(x,y,z,[-12,-8,-5,-3,-1,-0.5,-0.1,0.1,0.5,1,3,5,8,12]) %画出等势线
hold on %作图控制
quiver(x,y,px,py,'k')%是quiver是绘制点[x,y]处的矢量[px,py]，即画出各点上电场的大小和方向
利用计算机技术模拟物理学的现象和过程，实现抽象物理原理的可视化，尤其是将物理模型计算机模拟的方法应用于社会科学，建立数学模型，采用Matlab仿真, 有助于加深对物理基本概念和基本原理的理解，激发学生对物理的兴趣，提高科学素养。。
6、结论
通过物理学与现代科技的学习，了解光学、力学、电磁学等物理学知识在现代科技中的应用，结合计算机模拟和数据采集技术，熟悉物理模型的建构和传感器的应用，提高物理学为基础的科学知识的理解程度，培养科学精神、科学行为，提高科学素养。
参考文献
[1]Miller J D. Scientific literacy: A conceptual and empiricalreview[J]. Daedalus, 1983, 112(2): 29-48.
[2]樊尚春，刘广玉．新型传感技术及应用[M]．北京：中国电力出版社，2005.
[3]吴肖，数据采集器系统在中学物理教学中的实践研究[D].广州：华南师范大学，2007
[4]徐一平等.计算机虚拟和模拟技术在护理实践教学中应用研究[J].护理研究，2008,22(3)：829-830.
[5]刘群英.Matlab 在大学物理电磁学中的应用[J].渝西学院学报(自然科学版),2005,4(2):19-22.
[6]宋清.大学物理计算机模拟实验的MATLAB开发[J].高等函授学报（自然科学版）.2005,18(4)：5-8.
[7]程守洙等，普通物理学（第五版）[M].北京：高等教育出版社，2002.
|
