Matlab在大学物理实验教学中的应用探讨张晶莹
发布时间：2021-10-21T05:14:49.829Z  来源：《教育考试与评价》2021年第8期作者：张晶莹
[导读] 实验是物理教学的基础，依托实验不仅能够显著提升大学物理教学的质量和效率，而且还可以起到激发学科兴趣、培养应用能力的作用。在教育信息化改革的大背景下，大学物理教师应在教学方法、教学工具上推陈出新，力求给学生带来更生动有趣的物理实验课堂。Matlab具有非常出的数据处理和数据可视化能力，若将其应用到大学物理实验教学中，则有助于学生理解物理概念、物理规律和物理原理。本文简要介绍了Matlab软件及其在大学物理实验教学中的应用优势，并在此基础上阐述了该软件在大学物理实验教学中的具体应用策略。
张晶莹
烟台大学光电信息科学技术学院
摘要：实验是物理教学的基础，依托实验不仅能够显著提升大学物理教学的质量和效率，而且还可以起到激发学科兴趣、培养应用能力的作用。在教育信息化改革的大背景下，大学物理教师应在教学方法、教学工具上推陈出新，力求给学生带来更生动有趣的物理实验课堂。Matlab具有非常出的数据处理和数据可视化能力，若将其应用到大学物理实验教学中，则有助于学生理解物理概念、物理规律和物理原理。本文
简要介绍了Matlab软件及其在大学物理实验教学中的应用优势，并在此基础上阐述了该软件在大学物理实验教学中的具体应用策略。
关键词：大学物理；实验教学；MATLAB；应用
传统教学观念重理论而轻实践，大学物理实验教学流于形式的问题普遍存在。
再加之，大学物理往往涉及到许多抽象晦涩的概念原理，抑或是计算量惊人，这给实验教学的开展带来了一定的困难。通常而言，在物理实验课堂上主要由教师简单示范，而学生动手操作的机会相对不足，这不利于他们对知识点的理解消化。
20世纪下半叶以来，数学软件的功能日益完善，其中Matlab凭借着出的数据处理、图形处理能力，在工科各领域都有着非常广泛地应用。这些功能也恰好解决了物理实验教学的难点和痛点，不仅使学生自主开展实验变为了可能，而且还给当下大学物理教学信息化改革提供了重要契机。
一、Matlab软件简介
MATrixLABoratory（以下简称Matlab），是美国著名软件供应商MathWorks旗下的拳头产品，该软件自1984年上线以来就迅速成为最主流的数学软件之一。Matlab主要面向工程师、科学家体，旨在提供高效、可靠的数据运算和模型设计服务。
在UI设计上，Matlab将数据计算、图像处理、建模仿真等功能汇聚于一个简洁的视窗环境中，用户只需几个操作即可完成复杂的工作内容。近年来，无论是在工科理论研究还是实践中，对数值计算都有着较强的依赖。而以往基于C语言、Fortran翻译器所开发出的软件，或对用户编程技巧有一定要求，或需要扎实的数学知识，因此逐渐被Matlab所取代。
二、Matlab在大学物理实验教学中的应用优势
（一）Matlab具有强大的数据处理能力
数据处理是物理实验至关重要的环节之一，通过对数据的采集、计算分析，进而直观地揭示出物理现象的内在原理。通常而言，在物理实验中往往需要调用若干函数，才能厘清各物理量之间的关系。一方面，繁琐的数据处理过程会影响实验步骤有条不紊的进行，令教学效率大打折扣；另一方面，巨大的计算量也给学生造成一定的负担，严重打击了他们参与物理实验的积极性。而Matlab软件收录函数逾700种，无论是初等数学还是高等数学常见的函数应有尽有，可以满足不同应用场景的计算需求。譬如以往在处理电流信号时，就需要借助傅里叶变换计算，这常常令学生们叫苦不迭。但若是在Matlab软件直接调用该函数，则可以很快推导出结果，极大地节省了课堂时间和师生的精力。
（二）Matlab具有出的图形处理能力
大学物理涉及很多抽象晦涩的知识点，传统课堂所采取的“填鸭式”教学方法难免事倍功半。在实验教学中尤其如此，一味地向学生灌输结论只会造成学生知其然而不知其所以然。只有借助可视化手段，将抽象的物理知识转化为直观生动的画面，才更方便学生的理解和记忆，而Matlab的图形处理功能恰好契合当前物理实验教学的需求。相比于其它绘图软件，Matlab可以根据数据运算结果自动生成函数曲线，并进行光照、颜等方面的处理，功能之强大可见一斑。不仅如此，Matlab上线至今仍坚持版本更新，不仅函数种类得到了完善丰富，在图形处理上也精益求精，不断地引入新的图形属性，以适应用户个性化的需求。如在天体运动相关内容教学过程中，巧妙运用Matlab软件仿真行星运行情况，就能非常便捷的绘制出该行星的运行轨道，学生在探究其轨道形状、运动周期时就一目了然了。
（三）Matlab程序语言简单易操作
大学物理作为工科基础课程之一，这要求实验教学必须面向各专业学生。这些学生对计算机语言的了解程度是参差不齐的，在选择实验教学辅导和仿真工具时，就不宜选择复杂的算法语言。尽管此前也不乏有基于C语言和Fortran语言开发出的数学软件，并且经过数十年的工程计算验证，使这些软件具有较强的可靠性。但美中不足的是，此类软件在处理数据时需要输入代码指令，这无疑对用户的编程技巧有一定的要求。Matlab则明显不同，该软件所使用的程序语言大多是常见的数学符号和英文缩写，即便是计算机基础薄弱的学生也能在很短的时间内熟悉该软件的操作。比如基于C语言的软件在进行傅里叶变化时需要大量语句的支持，但由于Matlab本身包含70万行C语言代码，因此仅仅需要一个操作指令就能完
成相应操作。除此之外，Matlab的UI设计也非常合理，无论是变量设置还是辅助工具的调用都被集成到操作面板中，令使用体验得到了极大提升。譬如在借助Matlab软件进行物理实验仿真时，只需套用自带的Simulink模块就可以完成，可见其使用门槛相对其它同类型软件而言更低。
三、Matlab在大学物理实验教学中的应用策略
（一）辅助方程求解
实际上，从以往物理实验教学实践来看，学生均能比较顺利地完成物理过程的建立。但在数据计算上，由于方程求解难度大甚至还存在没有解析解的情况，往往就会令实验难以进行，或者不能得出最终结论。所以通常来说，物理教师只能直截了当的给出结论，学生则全盘接收。长此以往，学生自主思考的积极性就会受到打击，对物理知识也主要停留在理论层面，而缺乏解决实际问题的能力。针对这一现象，大学物理教师应充分发挥Matlab软件强大的数据处理能力，用以辅助物理方程的求解。如此一来，学生在开展物理实验时就会更加得心应手，同时在数据支撑下对物理现象的理解自然也更加深刻。譬如在电磁学相关知识教学过程中，为了探究某正电荷在其它3个负电荷影响下的平衡位置，学生纷纷建立方程尝试求解。但经过一番尝试，最终只得到2个超越方程，令计算工作陷入僵局。于是鼓励学生用Matlab 软件中自带的fsolve函数辅助计算，立马就得出来两个超越方程的根。此时学生再根据求出的数值来绘制该正电荷所受合力F（x）的变化情况，即可出其平衡位置。由此可见，在大学物理实验教学
中引入Matlab软件可以使很多复杂、繁琐的数据运算问题迎刃而解，在确保学生理解物理现象、原理的基础上有效提升实验的效率。
（二）模拟物理过程
对物理过程的梳理，有助于学生理解背后的科学原理，进而提升教学的质量。在探究很多物理问题时，往往只能知道某一时间节点的物理量，但该物理量随着时间、空间变化的规律却无从得知。通过物理实验的办法，则能够将这一物理过程还原，以非常直观的形式呈现给学生。不过大学物理知识点涵盖面广，并非所有物理过程都能以常规实验的办法进行还原。而Matlab兼具数据运算和绘图双重功能，恰好满足了物理实验教学的需要，可以根据初始条件来计算物理量的变化趋势，并最终绘制出相应的曲线图。学生则可以根据曲线图，大致推导出物理过程，完成对该知识点的理解消化。譬如在学习电场这部分知识时，由于电场我们看不见、也摸不着，所以学生感觉很抽象，不容易理解。所以我们可以引入虚拟的电场线和等势面来形象地描绘电场。如果教师能够设计一个合理的实验，使学生可以形象直观地观察到电场中场强和电势的分布情况，就会大大地加强学生对电场的理解。但由于电子属于微观粒子，使用传统的实验方法不仅很难扑捉到电子，而且想要形象地观测其电场分布也不现实。为了达到观测电子产生的电场中场强和电势的分布情况，教师可以利用Matlab软件建立相应的模型，其强大的绘图功能使电子周围电场线和等势面的分布一目了然。不仅如此，还可以通过调整参量的大小，观察不同场源所激发的电场中电场线和等势面的分布情况，电场强度和电势的关系也能直观地展现出来。使学生对电场的
基本概念的理解更加深刻，极大地提高教学效果。
（三）进行实验演示
光学相关知识一直是大学物理教学的重点和难点，尤其是光学实验条件苛刻，在教学过程中面临着诸多挑战。一方面，在进行光学实验时必须先调试仪器，但光学现象稍纵即逝，若前期准备工作不充分，实验环节就可能出现差错，实验结论自然就谬之千里。另一方面，光学实验对实验条件有着严格的要求，稍有不慎同样会影响学生对光学原理的理解。以光的干涉实验为例，所选取的光源必须为相干光源，并且用光屏接像。任何一个环节存在误操作，都可能令实验结果与实际情况截然不同。不仅如此，由于噪声影响的存在，实验中所记录的光的强度难免会有些出入，这也会给学生观察干涉的像带来误导。鉴于此，在光学实验时可以利用Matlab软件进行仿真，规避因实验条件、实验仪器给实验结果产生的噪声，以便学生理解干涉现象背后的原理。由于Matlab软件集运算、成像于一体，在光学实验仿真方面具有得天独厚的优势。与以往枯燥乏味的理论知识讲解相比，仿真实验的可视化方式更能给学生留下深刻的记忆。且基于Matlab的实验仿真，很好的解决了光学实验成功率低的问题。当然，在条件允许的情况下还可以Matlab仿真与实操实验并举，实验结果说服力更强，学生理解起来也更轻松。
四、Matlab目前在大学物理实验教学中应用的不足及展望matlab难还是c语言难
关于Matlab与大学物理教学整合早已是老生长谈的话题，尽管国内高校也不乏一些有益的尝试，但总体
来看仍没能真正发挥该软件在教学领域的作用。究其原因，主要是大部分虽然拥有丰富的物理实验教学经验，但整体信息技术素养堪忧，对Matlab软件的功能了解不够深入，应用时又何谈得心应手。部分教师还不能熟练掌握该软件，在物理实验教学过程中只能借助简单的功能起到一定的辅助作用。抑或是有的教师还没有与时俱进的革新教学理念，对Matlab软件在物理教学中的优势视而不见，仍主张开展实操实验而对计算机仿真敬而远之。正因如此，Matlab软件在大学物理实验教学中的应用还有待进一步深入，这严重制约了物理实验教学水平的提升，也与大学物理教育信息化的前进方向相背离。
另外，Matlab软件在大学物理实验教学中的应用时间还比较短，无论是理论研究还是实践经验都亟待完善。尤其是配套课件、教学设计都还不够成熟，因此教学效果也很难达到预期的效果。基于Matlab的物理实验教学与传统课堂有很大不同，若还是生搬硬套以往的课
件，学生的听讲体验将受到严重影响。此外，尽管Matlab在数据计算和图像处理方面功能十分出，但也不应在物理实验中“滥用”。部分教师完全不考虑Matlab与实验教学内容契合与否，盲目的将其引入实验课堂，这不仅对提升教学质量毫无帮助，而且还可能起到画蛇添足的效果，破坏实验教学的正常秩序，这都反映出当前缺少优秀配套课件的弊端。
针对上述问题，大学物理教师必须及时应对。一方面，物理教师要顺应时代发展的需要，努力提升自己的信息技术素养。除了要重视信息技术对课堂教学的促进作用，尤其是要认识到Matlab软件与物理实验
的契合性，并积极地将该软件应用到实验教学中去。大学物理教师还要不断学习Matlab软件，该软件自上线以来历经数十次版本更新，收录的函数数量和功能都在不断完善，物理教师必须熟练掌握该软件的使用。另一方面，为了确保Matlab发挥其作用，还应制作出优秀的配套课件。首先，大学物理教师应结合实验教学的内容和Matlab软件的特点，自行尝试制作课件。其次，要发挥拿来主义的原则，通过旁听其它老师授课的方式吸取他课件中的优点，并用以完善自己的课件内容。这种做法，可以促进教师间的交流，立竿见影地提升课件的质量。最后，还可以建立Matlab物理实验仿真教学研讨平台，通过集思广益的方式来推动课件设计，教师们也可以将优秀的课件在平台上分享交流，解决当下缺少配套课件的问题。
结语
综上所述，在教育信息化改革的大背景下，大学物理教师应在教学方法、教学工具上推陈出新，力求给学生带来更生动有趣的物理实验课堂。Matlab具有非常出的数据处理和数据可视化能力，若将其应用到大学物理实验教学中，则有助于学生理解物理概念、物理规律和物理原理。在物理实验教学过程中，教师应结合实际情况巧妙运用Matlab软件辅助方程求解、模拟物理过程以及进行实验演示，以达到提升物理实验教学质量和效率的目的。但不可否认的是，由于国内高校将Matlab应用于物理实验教学的时间还非常短，不仅教师信息技术素养有待提高，而且配套课件数量和质量都不容乐观，这将严重制约Matlab软件在大学物理实验教学中更深层次的应用。因此，高校物理教师应积极学习Matlab软件，并结
合实验教学的需要设计出优质的课件，真正发挥出该软件在物理教学方面的优势作用。
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