MATLAB在物理實驗CAI課件制作中的應用

李 斌，陳國杰，謝嘉寧，張潞英

（佛山科學技術學院，廣東 佛山 528000）

隨著計算機的迅速發(fā)展，計算機輔助教學（CAI）已經(jīng)成為現(xiàn)代教育技術的重要組成部分，它為學生的思維提供了具體而生動的客體形象，它的使用能有效地縮短學生的學習時間，提高教學質量和教學效率。高品質的多媒體課件是CAI的重要保證，而CAI的教學軟件常采用Powerpoint、 Authorware、 Visual Basic、 Flash、3DSMAX等進行制作，這些軟件各有其特色但也都有其局限性。MathWorks公司推出的MATLAB軟件，它具有強大的數(shù)值分析、矩陣運算、圖形圖像處理、信號處理和仿真功能［1］。物理實驗具有原理性強、實驗現(xiàn)象不易觀察、實驗操作比較復雜、實驗數(shù)據(jù)要求嚴格等特點，特別是光學與電學的實驗機理很難觀察［2］。把MATLAB軟件的數(shù)值計算和繪圖的可視化等功能應用到物理實驗的CAI課件制作中，模擬的實驗原理清楚，實驗現(xiàn)象逼真生動，并且課件操作方便、界面友好、交互能力強，能使教學內(nèi)容的科學性與趣味性融為一體，達到提高教學質量，培養(yǎng)學生綜合能力的目的。

1 MATLAB在物理實驗CAI課件制作中的應用

1.1 在CAI課件中應用MATLAB軟件

在實驗教學實踐中，教師通常運用Power－Point和Authorware等軟件制作物理實驗CAI課件。這些軟件有其優(yōu)點也有其缺陷，例如教師使用最多的PowerPoint，操作簡單，易學易用，大量的模板和自定義動畫可以很容易制作出美觀大方的課件。其不足之處在于PowerPoint制作的課件缺乏交互性，不能作為獨立的教學課件用于個別化教學，不能響應用戶的實時請求產(chǎn)生新的界面。如果在這些軟件制作的課件中應用MATLAB軟件，可以彌補其缺陷，融合各自的優(yōu)點，從而大大提高CAI課件的質量。

ActiveX技術是一門使用和集成組件的技術，通過ActiveX技術可以把MATLAB同外部程序接口［3］。MATLAB可以作為自動化控制器去操縱其他應用程序，也能作為自動化服務器而被其他應用程序所操縱。在VBA中開啟MATLAB自動化服務器的語句為：

Dim matlab As Object

Set matlab＝CreateObject（“Matlab.Application”）

執(zhí)行MATLAB命令的語句為：

Matlab.execute（Command）

PowerPoint支持VBA編程，將它作為自動化控制器。MATLAB的ActiveX作為自動化服務器，編程時在VBA中創(chuàng)建MATLAB自動化對象，通過適當?shù)恼Z句可以把MATLAB無縫地接入到PowerPoint中，實現(xiàn)PowerPoint和 MATLAB的數(shù)據(jù)交換［4－5］。在 PowerPoint課件中應用MATLAB來進行計算或繪圖，使幻燈片在放映狀態(tài)中增加實時交互操作功能，增強課件的活力。

例如在“邁克耳遜干涉實驗”的PowerPoint課件中插入MATLAB來進行實時繪圖，對邁克耳遜干涉現(xiàn)象進行仿真。制作過程如下：啟動PowerPoint軟件，在課件中插入一個空白幻燈片。單擊“視圖”工具欄的“Visual Basic”菜單，打開VBA工具欄上的“控件工具箱”。根據(jù)實際需要選擇所需的控件添加到幻燈片上，并分別設置其屬性。在本界面中設置了兩個標簽，一個圖像控件，一個命令按鈕。然后雙擊命令按鈕，在出現(xiàn)的VB編輯窗口中輸入程序，其思路是在Power－Point中將輸入文本框的值通過VBA與MATLAB的接口傳送到MATLAB，由MATLAB執(zhí)行語句，完成相應的計算或繪圖工作，并將結果通過接口傳送回PowerPoint中顯示［6］。限于篇幅在此不列出其代碼。添加好代碼后播放幻燈片，在輸入文本框中鍵入邁克耳遜干涉實驗的MATLAB程序，單擊“仿真”按鈕即可顯示邁克耳遜干涉仿真圖，其運行界面如圖1所示。如果課堂教學中時間有限，課前老師可提前把程序編寫好。在教學中教師可以改變參數(shù)值實現(xiàn)交互功能，例如改變級數(shù)（k）的數(shù)值研究級數(shù)對干涉圖樣的影響［7］（如圖1（a）、（b）所示），改變波長（lambda）的數(shù)值研究波長對干涉圖樣的影響等等。這種動態(tài)教學方法可以有效地激發(fā)學生的學習興趣，提高課堂教學質量，豐富教學內(nèi)容。

圖1 PowerPoint中應用MATLAB的動態(tài)仿真執(zhí)行界面

同樣，在Authorware等其他軟件制作的CAI課件中，也可以應用MATLAB軟件來擴充課件的功能，增強實時交互處理能力，為制作適合物理實驗的CAI課件提供了一個新的途徑。

1.2 基于MATLAB GUI的課件制作

MATLAB不僅提供了豐富的圖形命令和圖形函數(shù)，還具有強大的圖形用戶界面（GUI）功能。MATLAB GUI由窗口、菜單、按鈕等各種圖形對象組成，用戶通過鼠標動作或鍵盤操作選擇、激活這些圖形對象，使計算機產(chǎn)生某種動作或變化，如實現(xiàn)計算、繪圖等［8］。用GUI設計物理實驗CAI課件，可以開發(fā)出良好的交互處理系統(tǒng)，在人機交互界面，用戶只需輸入相關參數(shù)就可以動態(tài)地顯示實驗仿真結果，使實驗教學即形象又生動。

MATLAB GUI界面的制作包括界面設計與程序實現(xiàn)，其過程需要反復修改才能獲得滿意的界面，一般制作步驟如下：

（1）分析界面所要實現(xiàn)的主要功能，確定設計任務；

（2）構思草圖，編排控件的布局，從使用者和功能實現(xiàn)的角度來審視草圖，并上機實現(xiàn)；

（3）設置各控件的屬性；

（4）編寫對象的相應程序，對實現(xiàn)的功能進行逐項檢查［9－10］。

例如利用MATLAB GUI制作“RLC串聯(lián)電路的暫態(tài)過程”實驗的CAI課件，此課件為了便于學生基本理論的學習，在界面設計了“實驗目的”、“實驗儀器”、“實驗原理”等信息。為了研究電路中各參數(shù)如電阻、電感、電容及電源電壓對電路暫態(tài)波形的影響，界面可直接輸入的參數(shù)有：電阻R、電感L、電容C及電源電壓E，設計了“放電過程的仿真”和“充電過程的仿真”控件等。編寫相應控件的回調函數(shù)（Callback），限于篇幅在此不列出其代碼，并對其功能進行檢查調試。用戶不需要懂得MATLAB語言，只要在界面上的編輯框中輸入適當?shù)膮?shù)就可以顯示可視化結果，圖2就是輸入?yún)?shù)后RLC串聯(lián)電路放電過程的仿真結果。用戶可以任意修改電阻、電感、電容及電源電壓的數(shù)值，來研究各值對充電與放電過程電路的暫態(tài)波形的影響，同時可實時地判斷其處于何種振蕩狀態(tài)，圖2（a）、2（b）為電阻不同時的仿真界面。利用 MATLAB GUI制作的實驗CAI課件，不僅能實現(xiàn)常觀教學中的實驗基本理論的學習，還可以根據(jù)實驗的具體需要設計可交互的編輯框和控件，將比較抽象的數(shù)學運算和物理規(guī)律用動態(tài)的圖形演示，從而加深了學生對物理概念的理解，增強了學習興趣，提高了課堂教學效率和教學質量。

圖2 MATLAB GUI仿真RLC串聯(lián)電路的暫態(tài)過程的界面

2 結 論

針對物理實驗課程的特點，介紹了 MATLAB在物理實驗CAI課件制作中常用的兩種應用情況。利用MATLAB軟件制作的課件可以生動、具體地表現(xiàn)理論知識，其互動性和真實性優(yōu)于一般的動畫及視頻。將MATLAB制作的物理實驗CAI課件引入教學，可以增加課件的交互能力，有效地激發(fā)學生的學習興趣，豐富實驗教學內(nèi)容，提高課堂教學效率與教學質量，為制作高品質的CAI課件提供了一個新的途徑。

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