發(fā)布時(shí)間：2019-12-23所屬分類：科技論文瀏覽：1次
摘 要： 摘 要：物理學(xué)是理工科類學(xué)生必修的一門重要的基礎(chǔ)課程，而大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是輔助大學(xué)物理教學(xué)的重要手段之一。基于傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)不便于搬入課堂這一缺點(diǎn)，討論了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)課堂結(jié)合的可能性。基于 MATLAB 軟件作為開發(fā)平臺(tái)，可以在課堂上以虛擬仿真實(shí)驗(yàn)
摘 要：物理學(xué)是理工科類學(xué)生必修的一門重要的基礎(chǔ)課程，而大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是輔助大學(xué)物理教學(xué)的重要手段之一。基于傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)不便于搬入課堂這一缺點(diǎn)，討論了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)課堂結(jié)合的可能性。基于 MATLAB 軟件作為開發(fā)平臺(tái)，可以在課堂上以虛擬仿真實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)介紹大學(xué)物理理論，使得枯燥的理論知識(shí)形象直觀，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，從而提高大學(xué)物理課程的教學(xué)質(zhì)量。
關(guān)鍵詞：大學(xué)物理;虛擬仿真;物理實(shí)驗(yàn)
物理學(xué)的基本理論滲透在自然科學(xué)各個(gè)領(lǐng)域，應(yīng)用于生產(chǎn)技術(shù)的許多部門，是其他自然科學(xué)和工程技術(shù)的基礎(chǔ)[1]。物理學(xué)不僅僅是一門自然科學(xué)，也是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，這就要求物理學(xué)要以實(shí)驗(yàn)為依據(jù)，同時(shí)也要接受實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)[2] 。物理實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛑庇^形象的展示物理現(xiàn)象和物理規(guī)律，是輔助教學(xué)的重要手段，對(duì)于大學(xué)物理的理論教學(xué)具有重要的意義。
但是傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)由于受到實(shí)驗(yàn)空間和實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備等教學(xué)資源的限制，不適合搬入到理論課堂中。隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的普及和發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各種實(shí)驗(yàn)教學(xué)中[3] ，現(xiàn)在各個(gè)高校的多媒體教學(xué)方式的普及，將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)引入到理論教學(xué)中，不僅能激發(fā)學(xué)生的好奇心和求知欲，還能提高學(xué)生的自主創(chuàng)新能力和學(xué)習(xí)的能動(dòng)性。
1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)概述
大學(xué)物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是選取了一個(gè)物理系統(tǒng)或者抽象系統(tǒng)的一些特性，再使用另外一種方法來表現(xiàn)它們的特性的過程[4]。
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在有很多的軟件可以實(shí)現(xiàn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，例如 MATLAB 軟件，可以實(shí)現(xiàn)很多光學(xué)現(xiàn)象等的虛擬仿真;LABVIEW 軟件功能比較強(qiáng)大，在虛擬儀器構(gòu)建方面能力較強(qiáng)，主要被應(yīng)用在物理虛擬設(shè)備方面;或者采用 FLASH 技術(shù)或者 3D MAX 技術(shù)[5] ，都具有較強(qiáng)的人機(jī)互動(dòng)性能。特別是 FLASH 技術(shù)，可以采用 IE 的內(nèi)嵌技術(shù)使得 FLASH 發(fā)布的相關(guān)作品可以直接通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行播放，實(shí)現(xiàn)物理實(shí)驗(yàn)的一些動(dòng)畫設(shè)計(jì)。其中 MATLAB 軟件功能最為強(qiáng)大，它不僅僅可以用來處理一些圖像，對(duì)于數(shù)據(jù)處理方面的表現(xiàn)也非常好，是各大高校使用率較高的軟件之一，所以這里以 MATLAB 軟件為例，介紹大學(xué)物理中虛擬仿真做實(shí)驗(yàn)的制作方法。
由于物理理論各個(gè)部分特點(diǎn)不同，所以在使用演示實(shí)驗(yàn)配合大學(xué)物理教學(xué)過程中，也應(yīng)該根據(jù)工具軟件的特點(diǎn)，制作出相應(yīng)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，保證仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛟诖髮W(xué)物理理論教學(xué)過程中能有較好的效果。
2 MATLAB 制作仿真軟件
MATLAB 軟件是由美國 MathWorks 公司推出的一套具備高性能的數(shù)值計(jì)算和可視化軟件。由于 MATLAB 可以將矩陣運(yùn)算、圖形顯示、信號(hào)處理以及數(shù)值分析集于一體，構(gòu)造出的用戶環(huán)境使用方便、界面友好，因此 MATLAB 受到眾多科研工作者的歡迎[6]。
2.1 衍射仿真實(shí)驗(yàn)
以大學(xué)物理中波動(dòng)光學(xué)的內(nèi)容為例，基于各種衍射現(xiàn)象的理論，借助惠更斯 - 菲涅爾原理，使用 MATLAB 軟件，并且基于該軟件內(nèi)嵌的 GUI 技術(shù)，設(shè)計(jì)出的夫瑯禾費(fèi)衍射仿真系統(tǒng)界面如圖 1 所示。在仿真系統(tǒng)中，學(xué)生可以根據(jù)需要先選擇衍射類型，然后輸入合適的參數(shù)，最后點(diǎn)擊執(zhí)行仿真按鈕，即可查看需要的衍射結(jié)果。
例如在上圖中選擇矩孔衍射，輸入各個(gè)參數(shù)的具體數(shù)值，最后點(diǎn)擊執(zhí)行仿真按鈕，寬度和長度均為 0.5mm 的矩孔仿真結(jié)果如圖 2 所示。
2.2 振動(dòng)系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)
若以大學(xué)物理中振動(dòng)波動(dòng)的內(nèi)容為例，基于各種情況下的多振動(dòng)合成理論，使用同樣的方法，也可以設(shè)計(jì)出基于 GUI 的振動(dòng)合成系統(tǒng)，設(shè)計(jì)好的振動(dòng)合成系統(tǒng)界面如圖 3 所示。
用戶可以根據(jù)需要選擇待合成振動(dòng)的數(shù)目和合成模式，再輸入分振動(dòng)的各個(gè)參數(shù)，如果輸入有誤，還可以通過點(diǎn)擊數(shù)據(jù)清空按鈕重新輸入，若無誤，可直接點(diǎn)擊合成按鈕。
若選擇合振動(dòng)個(gè)數(shù) 3 個(gè)，模式為同方向，再分別輸入三路振動(dòng)參數(shù)如圖 3 所示，最后點(diǎn)擊合成按鈕，合成結(jié)果如圖 4 所示。
3 課堂上使用仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
使用各種軟件設(shè)計(jì)好了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)以后，利用各大高校已經(jīng)建設(shè)好的多媒體教學(xué)設(shè)備，可以將 MATLAB 設(shè)計(jì)好的各種仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)移植到課堂教學(xué)的計(jì)算機(jī)中，由講授教師在課堂中操作，并在授課的同時(shí)，演示給學(xué)生，可以大大激發(fā)學(xué)生在課堂上的學(xué)習(xí)積極性。學(xué)生邊學(xué)習(xí)物理理論知識(shí)，邊在仿真實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，使用學(xué)習(xí)到的理論去分析該現(xiàn)象的產(chǎn)生原因和產(chǎn)生過程，提高學(xué)生的創(chuàng)造性思維能力和實(shí)踐動(dòng)手能力。除此之外，還可以由學(xué)生按自己的想法修改仿真實(shí)驗(yàn)的一些數(shù)據(jù)，自行總結(jié)出條件改變之后，仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果的改變規(guī)律。
也可以將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)通過在線教學(xué)的模式上傳至相應(yīng)的教學(xué)網(wǎng)站，由學(xué)生在課前預(yù)習(xí)，或者課后復(fù)習(xí)的時(shí)候自行操作。
4 結(jié)語
物理學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，大學(xué)物理的理論教學(xué)是離不開物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的，所以物理的演示教學(xué)在課堂教學(xué)中也是必不可少的重要手段，通過課堂的演示實(shí)驗(yàn)，可以使具體的物理理論形象化，枯燥的課堂氣氛活躍化。但是基于傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)的一些局限性，使用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)代替?zhèn)鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)是非常有效的一個(gè)手段。它既可以幫助學(xué)生理解和掌握物理的理論知識(shí)，還可以提高學(xué)生提出問題、分析問題和解決問題的能力。
可以看出，使用 MATLAB 軟件作為仿真平臺(tái)，基于 GUI 技術(shù)設(shè)計(jì)出的大學(xué)物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，可以在課堂上利用現(xiàn)代化多媒體教學(xué)技術(shù)，形象生動(dòng)直觀的給學(xué)生們展示出各種不同的物理現(xiàn)象，使得不具備 MATLAB 技術(shù)的學(xué)生也可以輕松掌握，并可將理論和實(shí)際現(xiàn)象結(jié)合起來，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，達(dá)到加深理解的目的。
期刊推薦：《鄂州大學(xué)學(xué)報(bào)》創(chuàng)刊于1988年，自創(chuàng)刊以來一貫堅(jiān)持“百花齊放、百家爭鳴”的方針，刊物的學(xué)術(shù)水平不斷提高，逐步凸現(xiàn)了刊物的個(gè)性特征。1、文科欄目：政治學(xué)(哲學(xué))、法學(xué)研究、經(jīng)濟(jì)學(xué)(管理學(xué))、高等職業(yè)教育研究、辛亥革命及吳楚文化(文化研究)、外語教學(xué)、傳播學(xué)(編輯學(xué)、檔案學(xué)、圖書館學(xué))、文學(xué)(名家名作研究、紅樓夢(mèng)研究)、語言學(xué)、藝術(shù)學(xué)研究。2.理科欄目：高等數(shù)學(xué)、電子、計(jì)算機(jī)、物理、化學(xué)、生物及建工、機(jī)械類、醫(yī)藥、護(hù)理、體育。有投稿需求的作者，可以直接與期刊天空在線編輯聯(lián)系。
