浅议CAI中电场变化的模拟描述
计算机辅助教学(Computer Aided Instruction ，简称CAI)是在计算机辅助下进行的各种教学活动，以对话方式与学生讨论教学内容、安排教学进程、进行教学训练的方法与技术。CAI为学生提供一个良好的个人化学习环境。综合应用多媒体、超文本、人工智能和知识库等计算机技术，克服了传统教学方式上单一、片面的缺点。它的使用能有效地缩短学习时间、提高教学质量和教学效率，实现最优化的教学目标。
摘要：电磁场课程计算机辅助教学(CAI)软件是现代化教学手段的主要标志之一，以形象模拟和演示，能将电场的变化生动形象的展现出来，变抽象为直观，变无形为有形，使学生较为容易地理解知识，从而突破教学难点，本文论述了CAI中如何模拟描述电场的变化。
关键词：CAI 模拟描述 电场变化
一、电场的形象化描述
为了形象的描述电场，人们引入了电场线。用电场线描述电场时，电场的疏密可以表示电场强度的大小，即电场线密处电场强度大，电场线疏处电场强度小。在讲解电场线时，我们应向学生澄清以下问题：
1、电场线是为了使电场形象化而假想的线，它是描述电场的重要辅助手段，并非真实存在的线。
2、任何两条电场线之间的地方也存在电场，也有电场线。电荷周围任何一点都有电场，都可以画出电场线来，但我们通常只画几根能反映其基本特点的电场线就行了。
3、不同的电场，场强的分布不同，它们的电场线的形状也不同。
4、用电场线表示某一电场时，电场线的疏密可以表示电场强度的大小，即电场线密处电场强度大，电场线的疏处电场强度小。
二、CAI中，电场变化的模拟描述方法
1、通过电场线的增减(密度改变)来模拟描述电场随时间的变化;其二，通过电场线的粗细改变来模拟描述电场随时间的变化。
三、用电场线的增减模拟描述电场的变化
1、成因
用电场线的增减(密度改变)来模拟描述电场随时间的变化，是基于“电场线表示某一电场时，电场线的疏密可以表示电场强度的大小，即电场线密处电场强度大，电场线的疏处电场强度小，”这一方法为基础，从而形成了在CAI中用增加电场线(密度增大)来表示电场强度增大，用减少电场线(密度减小)来表示电场强度减小。也就是：既用电场线的疏密来描述电场在空间(不同位置)的强弱分布，也用电场线的疏密改变来描述电场(随时间)的强弱变化。
2、两种具体的实现方式及其比较
2.1用电场线的密度倍增和倍减分别表示电场强度的增大与减小。例如：模拟一匀强电场的逐渐减弱(见图1)，甲图中减少标有“4”的电场线后，密度减小一倍变为乙图，乙图中减少标有“3”的电场线后，密度减小一倍变为丙图.....通过计算机依次将乙图替代甲图，丙图替代乙图，
甲 乙 丙 丁
图1
丁图替代丙图......从而就出现电场线逐渐减少的视觉效果。反之，依次用电场线多的替代电场线少的，则出现电场线逐渐增多的视觉效果。
采用这种方式的好处是：替代图中的电场线与被替代图中不消除的(或原有的)电场线能完全重合，因此不消除的(或原有的)电场线将出现静止不动的视觉效果，与增减(动)的电场线形成鲜明的对比，从而产生生动的增减效果。
采用这种方式的不足之处是：电场线的根数变化较大(基本上是倍增或倍减)，往往会形成“突变”的感觉。
2.2用电场线的密度逐渐增大和减小分别表示电场强度的增大与减小，即让电场线每次增减的根数少一些，从而避免产生“突变”的视觉效果，以克服第一种方式的不足。
但用这种方式却又产生一个新的不足之处：由于电场线的密度(电场线间的距离)不是倍增或倍减，因而替代图中的电场线与被替代图中不消除的(或原有的)电场线不能实现重合。见图2，乙中的电场线不能与甲中任何一组电场线重合，丙中的电场线也不能与乙中任何一组电场线重合......因此在演示过程中，出现明显的晃动感， 形成“原有电场线消失后，新的电场线产生”(替换)的视觉效果，而增减的视觉效果则不理想。
甲 乙 丙 丁
图2
3、用电场线的增减模拟描述电场的变化之不足
用电场线的增减模拟描述电场的变化，两种具体的实现方式有以下共同的不足之处：
3.1在模拟描述电场逐渐减弱时，为了保证有一个“较长”的变化过程让学生观察，则开始的电场线根数要很多，(模拟描述电场逐渐增强时，则最后的电场线根数要很多。)而太多的电场线又有碍于学生观察引起电场变化的相关因素。
3.2通过电场线的增减(密度改变)来模拟描述电场随时间的变化，将会出现“一些地方在电场强度增大后才有电场线，有的地方的电场线由于电场强度的减小而消失”的情形，容易使学生产生：“电场中有的地方没有电场线”的错觉，从而对学生理解“任何两条电场线之间的地方也存在电场，也有电场线，电场中任何一点都有电场，都可以画出电场线来。”造成障碍，形成误导。
3.3容易使学生错误理解“用电场线表示某一电场时，电场线的疏密可以表示电场强度的大小，即电场线密处电场强度大，电场线的疏处电场强度小。”这句话的适用条件，造成学生将“用电场线的疏密描述电场强度的`大小”延伸到两个电场(变化前后的电场)的比较，使学生错误地认为：两个电场的强弱之分是通过它们电场线的疏密来判断，从而使定性问题复杂化。
3.4容易使学生把“电场在空间的强弱分布”与“电场(随时间)的强弱变化”混为一谈。
四、论用电场线的粗细改变模拟描述电场的变化
在CAI中，通过电场线的粗细改变来模拟描述电场强度随时间发生的改变，主要用于电场的强弱发生改变时，电场线的基本形状保持不变的情形，而中师、中专、高中物理学中所涉及到的电场变化基本上是这种情形。用电场线的粗细改变来模拟描述电场的这种变化，表现出以下优势：
1、电场线的粗细变化能生动模拟电场强度随时间的“渐变”过程，因为在CAI中，电场线的粗细逐渐改变是很容易实现的。
2、由于这种方法所用的电场线较少(见图3)，从而使画面中有大量的剩余空间，能方便的展现引起电场变化的相关因素之改变，使学生清楚地观察到它们之间的联系， 最终实现CAI的辅助教学目的。
甲 乙 丙 丁
图3
综上所述，在CAI中，用电场线的粗细改变模拟描述电场的变化，优于用电场线的增减模拟描述电场的变化。
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