Matlab在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

肖鄭穎

（莆田學(xué)院電子信息工程學(xué)系 福建莆田 351100）

Matlab在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

肖鄭穎

（莆田學(xué)院電子信息工程學(xué)系 福建莆田 351100）

分析了大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程的現(xiàn)狀，闡述了MATLAB在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程中的三方面應(yīng)用，提出了應(yīng)用中應(yīng)注意的問題。

Matlab；大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)；應(yīng)用

物理學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，物理實(shí)驗(yàn)課程的開展對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，分析、解決問題的能力，鞏固物理理論知識(shí)的掌握，有著毋庸置疑的重要作用。同時(shí)，它往往是本科生進(jìn)入大學(xué)階段的第一門實(shí)驗(yàn)課，對(duì)學(xué)生此后探索思維、科研精神的形成有著特殊地位。

1.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程現(xiàn)狀

1.1 教師方面。教學(xué)方式手段、思想的陳舊，導(dǎo)致了實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)變成教授“原理-操作-注意事項(xiàng)”式的“流水線”教學(xué)，學(xué)生在教學(xué)過程中沒有參與感，無法集中注意力，常常出現(xiàn)茫然地對(duì)著老師講得天花亂墜的物理公式。

1.2 學(xué)生方面。大部分學(xué)生對(duì)這門課程的積極性不高，認(rèn)為只要完成了實(shí)驗(yàn)，就萬事大吉，對(duì)應(yīng)于教師的“流水線”式教學(xué)，大部分學(xué)生選擇了“從講義中抄寫預(yù)習(xí)報(bào)告－課上操作、填表格－課后數(shù)據(jù)處理”這樣的“流水線式實(shí)驗(yàn)”。學(xué)生眼里的實(shí)驗(yàn)，就是按照老師上課所說的實(shí)驗(yàn)步驟操作，然后填到表格中（甚至往往是老師事先設(shè)計(jì)好的表格），課后的實(shí)驗(yàn)報(bào)告也往往是應(yīng)付的，甚至是抄襲的。在這種流水線式實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生缺乏思考、探索，任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，他們往往會(huì)束手無策。在一些設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)中，這種學(xué)習(xí)方式的弊端暴露無遺。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)往往沒有明確的步驟，沒有表格，只提供實(shí)驗(yàn)儀器和實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，學(xué)生常常沒辦法獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)。

1.3 實(shí)驗(yàn)儀器方面。儀器的“過舊”和“過新”都常常引起問題。過于陳舊的儀器，常常在實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)問題，打擊了學(xué)生的積極性，容易引起學(xué)生的煩躁情緒，不利于實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行；“過新”是指購買實(shí)驗(yàn)儀器時(shí)常常追求“智能”，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)只要按照說明書按幾個(gè)鈕，從面板上抄寫幾個(gè)數(shù)據(jù)就完成實(shí)驗(yàn)了，造成學(xué)生對(duì)于包裝精美的那個(gè)面板后面隱藏的物理原理、規(guī)律一無所知。

2.Matlab技術(shù)

Matlab是MATrix LABoratory（矩陣實(shí)驗(yàn)室）的縮寫，它以矩陣計(jì)算為基礎(chǔ)，把計(jì)算、繪圖及動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真等功能有機(jī)的融合在一起。[1]Matlab在科技領(lǐng)域的優(yōu)秀表現(xiàn)使它廣泛地應(yīng)用于幾乎所有的科學(xué)研究領(lǐng)域。由于其語法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，數(shù)值計(jì)算高效，圖形功能完備，使它在生成圖形圖像和進(jìn)行數(shù)據(jù)處理方面的表現(xiàn)尤為突出。[2]Matlab在物理實(shí)驗(yàn)的演示、作圖、完善優(yōu)化數(shù)據(jù)處理、模擬仿真方面表現(xiàn)良好，有助于物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)過程變成一個(gè)交互的、師生之間不斷探討的過程。此外，軟件包含的Simulink工具箱能實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的模擬仿真，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和研究熱情。

2.1 應(yīng)用：物理規(guī)律-數(shù)學(xué)模型-圖形圖像。物理規(guī)律、物理定律總是和一定的物理實(shí)驗(yàn)聯(lián)系在一起的。因此可以對(duì)物理實(shí)驗(yàn)中涉及的原理進(jìn)行分析，尋找其內(nèi)在的規(guī)律。這些規(guī)律往往都能歸結(jié)成一個(gè)或幾個(gè)的物理學(xué)公式。在這些公式的基礎(chǔ)上，建立一定的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行編程，再借助于Matlab在圖形圖像方面的優(yōu)良表現(xiàn)，將這些公式繪制成圖形。這些圖形往往就是我們通過具體實(shí)驗(yàn)，在各種各樣的儀器上觀察到的現(xiàn)象。例如：力、熱實(shí)驗(yàn)方面，基于Matlab利用聲卡實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和輸出，實(shí)現(xiàn)音叉的受迫振動(dòng)、不良導(dǎo)體的導(dǎo)熱系數(shù)、固體比熱容、氣墊導(dǎo)軌、聲學(xué)實(shí)驗(yàn)等等，解決了一些實(shí)驗(yàn)因需要昂貴的儀器和復(fù)雜的程序而無法開設(shè)的難題，讓學(xué)生接觸到更多形形色色的物理實(shí)驗(yàn)。

Matlab在光學(xué)方面已有較多的探索，根據(jù)干涉的相關(guān)原理，可以進(jìn)行多光束干涉的模擬，改變其中的參數(shù)，可以得到模擬出的干涉圖樣；此外，牛頓環(huán)和楊氏雙縫干涉現(xiàn)象的模擬可以在講授實(shí)驗(yàn)原理時(shí)展示，建立一個(gè)干涉現(xiàn)象的初步印象，有助于學(xué)生在此后實(shí)驗(yàn)中尋找干涉條紋。

在電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)中，用示波器觀察李薩如圖形常常由于信號(hào)源不穩(wěn)造成圖形不穩(wěn)，采用Matlab模擬，將其與實(shí)際觀察到的圖形相對(duì)照，有利于學(xué)生的認(rèn)知；采用Matlab對(duì)靜電場(chǎng)等位線和電力線的分布圖進(jìn)行描繪，探索實(shí)驗(yàn)得到靜電場(chǎng)分布與軟件的模擬結(jié)果的異同。

近代物理方面，根據(jù)多普勒效應(yīng)的原理，用Matlab進(jìn)行模擬，可以分別展現(xiàn)聲源及聽者接收到的現(xiàn)象，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生多感官的協(xié)作，加深對(duì)這一原理的認(rèn)識(shí)。

可見，從枯燥的物理規(guī)律到生動(dòng)的圖形圖像，有許多途徑。而多樣的展現(xiàn)方式，更容易為學(xué)生所記憶。當(dāng)學(xué)生自己動(dòng)手操作時(shí)，回憶起這些和物理規(guī)律聯(lián)系在一起的圖像，不僅實(shí)驗(yàn)操作過程事半功倍，更有助于這些概念原理的理解和記憶。

2.2 數(shù)據(jù)處理。Matlab除了在圖形圖像方面能力強(qiáng)大，在數(shù)據(jù)的分析計(jì)算方面也表現(xiàn)優(yōu)異。因此，將其引入大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程，完善優(yōu)化原有的數(shù)據(jù)處理手段。在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程中，涉及的物理規(guī)律一般有線性和非線性兩種。

對(duì)于呈線性關(guān)系的規(guī)律，對(duì)數(shù)據(jù)處理的方法較為常見的有逐差法、作圖法以及最小二乘法。逐差法如果在數(shù)據(jù)點(diǎn)不多的情況下，有可能出現(xiàn)較大的誤差。而作圖法是手工畫一條直線，讓數(shù)據(jù)點(diǎn)均勻分布直線兩側(cè)，這條直線的繪制全憑個(gè)人判斷。尤其是數(shù)據(jù)點(diǎn)分布較松散時(shí)，學(xué)生往往難以決定如何繪制這樣一條直線。最小二乘法運(yùn)用統(tǒng)計(jì)規(guī)律，尋找“最優(yōu)”的擬合直線，但是運(yùn)算量巨大。而這龐大的計(jì)算量，剛好可以交由Matlab來進(jìn)行。它將學(xué)生從復(fù)雜的人工運(yùn)算中解放出來。編寫好最小二乘法的運(yùn)算程序后，只要修改實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和調(diào)用程序，即可以得到相關(guān)系數(shù)、線性回歸方程、不確定度以及擬合好的直線。這種做法有效避免了原有的較為粗糙的、受諸多因素影響的數(shù)據(jù)處理方法，也把學(xué)生從一些簡(jiǎn)單、枯燥的運(yùn)算中解救出來。

對(duì)于呈非線性關(guān)系的規(guī)律，在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程中，往往僅需要繪制出相關(guān)的曲線，一般不需要得到函數(shù)關(guān)系。為了得到較好的曲線，一般實(shí)驗(yàn)時(shí)需要先測(cè)量足夠的數(shù)據(jù)再畫圖。這種方式數(shù)據(jù)量大，描點(diǎn)連線又容易引入誤差，而且耗時(shí)長(zhǎng)。這容易導(dǎo)致學(xué)生在寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告時(shí)，出現(xiàn)應(yīng)付心理，影響實(shí)驗(yàn)報(bào)告的質(zhì)量。若與Matlab相結(jié)合，可以較準(zhǔn)確地描出數(shù)據(jù)點(diǎn)，再借助其曲線擬合（polyfit）或一維插值（interpl）的方法，得到理想的曲線。其中，較為簡(jiǎn)單的曲線一般選擇曲線擬合，函數(shù)關(guān)系復(fù)雜的曲線一般用一維插值的方法，采用一維插值法得到的曲線，一般都比較平滑。

在數(shù)據(jù)處理中引入Matlab，大大提高了數(shù)據(jù)處理的質(zhì)量和速度，而且可以便捷地得到直觀的圖像以及相應(yīng)的方程。一方面，緩解學(xué)生在撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告時(shí)的倦怠心理，提高效率，有助于提高學(xué)生對(duì)于本課程的興趣，增強(qiáng)主動(dòng)性；另一方面，還可以迅速地檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，出現(xiàn)較大誤差時(shí)，可即時(shí)地重做實(shí)驗(yàn)，有效避免了學(xué)生課后胡亂篡改原始數(shù)據(jù)的情況，有利于科研精神的培養(yǎng)。

2.3 Simulink仿真。Simulink是一個(gè)基于Matlab的軟件包，可以對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真。其元件庫中大量的模型塊可以搭建成不同的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的仿真模型。它操作簡(jiǎn)單，并能隨時(shí)觀察結(jié)果并干預(yù)仿真過程，[1]尤其適合將其應(yīng)用于電路系統(tǒng)中。

一方面，它可以直觀地展現(xiàn)電路的構(gòu)成、性能、各個(gè)部分的特點(diǎn)、用途，有助于學(xué)生對(duì)一些較復(fù)雜電路的分析和理解。它也可以很方便地改變其中的某些參數(shù)，并能即時(shí)地得到這些改變帶來的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的變化。這樣，學(xué)生面對(duì)的不再是一個(gè)個(gè)枯燥的電路圖，而是一個(gè)個(gè)生動(dòng)有趣的“活動(dòng)”的電路。

另一方面，學(xué)生可以先用Simulink的仿真功能搭建自己設(shè)計(jì)出的電路，再按需要使用元器件，根據(jù)電路的實(shí)際情況修改調(diào)整自己的設(shè)計(jì)方案，改變各個(gè)實(shí)驗(yàn)參量，觀察實(shí)驗(yàn)電路的變化，最后還可以在真實(shí)的儀器上實(shí)現(xiàn)實(shí)際的電路。

需要設(shè)計(jì)電路的實(shí)驗(yàn)常常出現(xiàn)這樣一種情況：學(xué)生拿著設(shè)計(jì)好的電路圖連接電路，接好后發(fā)現(xiàn)無法達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求，于是就在電路上修修改改，往往電路越改越亂，學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情降到了最低點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)儀器也容易被損壞。而通過上述的方法，學(xué)生有一個(gè)探索的過程，并在此過程中，發(fā)現(xiàn)自己方案的不足和需要改善之處，而這些缺漏又能在電腦上輕松的修改，直到實(shí)現(xiàn)合理的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)方案完善后，在實(shí)物連接中實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)要求，提高了實(shí)驗(yàn)效率，學(xué)生的主動(dòng)性得到了充分的調(diào)動(dòng)。

3.結(jié)束語

Matlab由于其在圖形圖像和數(shù)據(jù)處理方面的強(qiáng)大能力，在許多方面都能和大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)行有機(jī)結(jié)合。但是，這種結(jié)合也需要注意一些問題：一方面，不能因?yàn)镸atlab可以模擬許多物理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，就用模擬來代替實(shí)驗(yàn)。學(xué)生在親手操作實(shí)驗(yàn)儀器的過程中，才能得到實(shí)驗(yàn)的主觀感受，才能培養(yǎng)他們的動(dòng)手能力，這不是依靠程序模擬出的圖形圖像就能夠?qū)崿F(xiàn)的。另一方面，一些數(shù)據(jù)處理較復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)可以借助Matlab，但對(duì)于一些較為簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)處理，還是應(yīng)該要求學(xué)生人工處理，因?yàn)橥ㄟ^對(duì)數(shù)據(jù)的分析、處理、作圖、計(jì)算，學(xué)生才能對(duì)數(shù)據(jù)處理的基本過程、基本要求有實(shí)際的感受。實(shí)驗(yàn)才不會(huì)演變成數(shù)據(jù)處理只是“輸入數(shù)據(jù)”到“輸出數(shù)據(jù)”的簡(jiǎn)單過程，有助于他們實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ目傮w提高。將Matlab應(yīng)用于大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程中，由于其編程相對(duì)容易，功能強(qiáng)大，在許多方面都表現(xiàn)出強(qiáng)大的生命力。教師應(yīng)尋求更多的結(jié)合途徑，幫助學(xué)生明確物理概念，培養(yǎng)他們動(dòng)手操作和解決問題的能力，使物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)更充實(shí)、更有價(jià)值。

[1]蔡旭暉，劉衛(wèi)國(guó)，蔡立燕.MATLAB基礎(chǔ)與應(yīng)用教程[M].人民郵電出版社，2009，P1-180.

[2]張德豐.數(shù)字圖像處理（MATLAB版）[M].人民郵電出版社，2009，P13.

肖鄭穎（1985-），女，福建莆田人，莆田學(xué)院電信系助理實(shí)驗(yàn)師，主研方向：大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，光學(xué)。

2010-11-19