基于Matlab的物理實驗系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

紀婷婷　王芙蓉　湯全武

摘要：以Matlab為主要開發(fā)技術(shù)，在Authorware平臺下統(tǒng)籌Flash和Matlab軟件，根據(jù)新課程標準要求設計了中學物理實驗室系統(tǒng)。該系統(tǒng)能幫助學生理解和掌握抽象的物理概念，激發(fā)學習興趣，提高教學效率與教學質(zhì)量。

關鍵詞：Matlab；Flash；Authorware；物理實驗教學

DOIDOI：10.11907/rjdk.151135

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A 文章編號：16727800（2015）006009703

基金項目基金項目：寧夏教育廳大學生創(chuàng)業(yè)計劃項目（12CHY01）

作者簡介作者簡介：紀婷婷（1990—），女，河南濮陽人，寧夏大學教育學院碩士研究生，研究方向為數(shù)字媒體應用；王芙蓉（1989—），女，甘肅隴南人，寧夏大學教育學院碩士研究生，研究方向為數(shù)字媒體應用；湯全武（1965—），男，寧夏銀川人，寧夏大學物理電氣信息學院副教授、碩士生導師，研究方向為教育資源開發(fā)與應用、數(shù)字媒體應用。

0 引言

Matlab在圖形虛擬和數(shù)據(jù)處理方面有著獨特的優(yōu)勢，能有效幫助學生理解和學習物理規(guī)律[1]。Matlab在大學物理中應用廣泛，近些年，在中學物理教學中也進行了探索和實踐。朱云、孟憲松[2]利用Matlab處理實驗數(shù)據(jù)，在用伏安法測定電源電動勢和內(nèi)阻的關系中，記錄電壓表和電流的示數(shù)，通過使用Matlab繪圖得出電壓和電流的圖線，動態(tài)演示物體平拋與斜拋運動的圖線等。周小奮[3]用實例介紹了Matlab在電場作圖和求解極值問題中的應用，利用Matlab畫出共線點電荷系統(tǒng)的電場線分布以及兩個正點電荷周圍的電場線分布。魏義永[4]在課堂上舉例闡述應用Matlab編程模擬光的雙縫干涉、單縫衍射和光柵衍射的實驗現(xiàn)象，提高學生學習光學的興趣，教學效果明顯。朱國強[5]在課堂教學中使用Matlab動態(tài)演示異號電荷等勢面和電場線的形狀。Matlab幫助學生理解物理現(xiàn)象作用是明顯的。但是使用Matlab制作物理課例需要耗費很多時間，由于很多一線教師的時間和精力有限，他們并不能系統(tǒng)地學習和使用Matlab。因此，制作出基于Matlab的中學物理實驗室系統(tǒng)很有必要。

1 系統(tǒng)總體設計

1.1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

中學物理實驗室系統(tǒng)主要由產(chǎn)品介紹、初中物理實驗室、高中物理實驗室、練習題庫和趣味模塊5個部分組成。其中，初中物理實驗室和高中物理實驗室結(jié)合中學物理教學實際需求，實驗內(nèi)容涵蓋教材各章節(jié)和知識點，是教材的同步實驗室，并且結(jié)果表現(xiàn)形式豐富。同時，初中物理實驗室和高中物理實驗室提供基于Matlab設計的學生用計算器。練習題庫由高中數(shù)學題庫和初中數(shù)學題庫兩部分組成，均按教材分類，包括章節(jié)的檢測題、綜合檢測題、升學考試題、中期模擬卷、期末模擬卷等。趣味模塊提供有益智開發(fā)大腦的小游戲，讓學生在學習過程中勞逸結(jié)合，減少枯燥感。系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)技術(shù)路線

①開發(fā)平臺為Matlab R2008a、Flash、Authorware、Microsoft Windows 7；②開發(fā)語言為Matlab；③使用Authorware作為第三方軟件平臺統(tǒng)籌Matlab和Flash，使之形成一個系統(tǒng)。采用流行的B/S體系架構(gòu)；④使用Photoshop以及Flash進行頁面優(yōu)化；⑤考慮系統(tǒng)的針對性、易用性。系統(tǒng)技術(shù)路線如圖2所示。

1.3 系統(tǒng)運行環(huán)境

系統(tǒng)操作環(huán)境：Microsoft Windows XP、Microsoft Windows 7、Microsoft Windows 8。Matlab軟件版本包括 Matlab R2008a、Matlab R2008b、Matlab R2009a、MatlabR2009b等，后續(xù)升級軟件可直接運行中學物理實驗室系統(tǒng)的 exe 程序；如果操作系統(tǒng)為Windows32位系統(tǒng)，則版本為 MCR_R2012a_win32；如果操作系統(tǒng)為Windows64位系統(tǒng)，則版本為MCR_R2012a_win64；如果電腦中未安裝Flash軟件和Authorware軟件，則需要進行安裝。

2 系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)設計思路

由于本系統(tǒng)是通過Matlab軟件、Flash軟件開發(fā)，再通過Authorware兼容平臺統(tǒng)籌Matlab和Flash，使之形成一個系統(tǒng)的應用軟件。因此，首先使用Matlab語言及其攜帶的GUI工具，建立良好的人機交互界面，完成部分物理實驗室設計，包括初中物理和高中物理模塊實現(xiàn)；其次將經(jīng)過調(diào)試的物理實驗室利用Matlab自帶的Compiler工具，轉(zhuǎn)換為可獨立運行的.exe文件，并對轉(zhuǎn)化的.exe文件進行調(diào)試；然后使用Flash軟件完成部分物理實驗的設計、開發(fā)和實現(xiàn)；最后使用Authorware平臺統(tǒng)籌整體界面設計、開發(fā)和實現(xiàn)，具體包括產(chǎn)品介紹、初中物理、高中物理、練習題庫和趣味模塊。設計路線框架如圖3所示。

2.2 系統(tǒng)仿真實現(xiàn)

2.2.1 Matlab制作實驗

中學物理實驗室的核心模塊采用Matlab可視化圖形用戶界面設計方法。Matlab設計GUI程序的前臺界面有全命令行的M文件編程和GUIDE輔助的圖形界面設計兩種方式[6]。GUIDE即Maltab提供的GUI程序的集成化設計和開發(fā)環(huán)境，是一種可視化的圖形用戶界面設計方法[7]。由于中學物理實驗室是教材的同步實驗室，其設計與實現(xiàn)根據(jù)教材逐一進行。

為了實現(xiàn)Matlab部分功能，需要為系統(tǒng)界面中各控件編寫相應的回調(diào)函數(shù)，以完成系統(tǒng)的功能和目標。回調(diào)函數(shù)的編寫包括各個實驗的功能界面、游戲界面等。

采用Matlab Compiler工具實現(xiàn)Matlab/GUI轉(zhuǎn)化成.exe文件，屏蔽Matlab生成.exe文件時出現(xiàn)黑屏問題的方法是通過對compopts.bat添加程序代碼。

2.2.2 Flash制作實驗

Flash是一款交互式矢量多媒體技術(shù)動畫軟件。它不僅可以通過文字、圖片、視頻、聲音等手段綜合展現(xiàn)動畫內(nèi)容，還可以通過強大的腳本語言（Action Script）制件交互動畫，其以操作簡單、功能強大、易學易用、瀏覽速度快等特點受到廣大動畫設計人員的喜愛，在網(wǎng)頁動畫制作和多媒體課件制作方面有較強優(yōu)勢[8]。Flash軟件可以實現(xiàn)多種動畫特效，是表現(xiàn)動態(tài)過程、闡明抽象原理的一種重要媒體。使用動畫設計，有助于學科知識的表達和傳播，加深對知識的理解，提高學習興趣和教學效率，對以抽象教學內(nèi)容為主的課程應用效果很好[9]。

2.2.3 系統(tǒng)平臺制作

Authorware軟件采用面向?qū)ο蟮脑O計思想，采用圖標、流線等多媒體開發(fā)工具，主要承擔多媒體素材的組織任務，能夠同多種開發(fā)工具兼容，共同實現(xiàn)多媒體功能[10]。Authorware對編程要求較低，不具有編程能力的人員也能創(chuàng)作出一些高水平的多媒體課件。

將Matlab轉(zhuǎn)換成的.exe文件和Flash生成的.exe文件置于第三方平臺Authorware軟件中，利用Authoeware編輯，統(tǒng)一界面風格，整體打包形成新的.exe文件，即設計出中學物理實驗室系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)展示

3.1 系統(tǒng)整體界面展示

雙擊桌面上的“中學物理實驗室”圖標后，進入系統(tǒng)主界面。整個系統(tǒng)由系統(tǒng)名稱和菜單欄組成。菜單欄由“產(chǎn)品介紹”、“初中物理”、“高中物理”、“練習題庫”、“趣味模塊”等要素構(gòu)成，整個版面清新明亮、簡單美觀。

在系統(tǒng)主界面中單擊“產(chǎn)品介紹”圖標，會彈出系統(tǒng)介紹頁面，該頁面用簡潔的語言介紹了軟件主要特點。在系統(tǒng)菜單欄點擊“初中物理”圖標，會彈出初中物理頁面。初中物理涵蓋了人教版八年級、九年級的所有實驗。在系統(tǒng)的菜單欄點擊“高中物理”圖標，會彈出高中物理頁面。高中物理模塊收納了必修一、必修二、選修3-1、3-2、3-3、3-4的大部分實驗。

在系統(tǒng)的菜單欄點擊“練習題庫”圖標，系統(tǒng)就進入練習題庫頁面。練習題庫分為初中物理練習題庫和高中物理練習題庫；在系統(tǒng)的菜單欄點擊“趣味模塊”圖標時，系統(tǒng)即進入休閑娛樂時刻；當學習完畢點擊菜單欄的“退出學習”圖標，系統(tǒng)即自動關閉。

3.2 系統(tǒng)實驗室展示

中學物理實驗室系統(tǒng)由初中物理和高中物理2個模塊組成，各模塊均包括相應教材的同步實驗室模塊，實驗內(nèi)容涵蓋教材各章節(jié)和知識點。下面以高中物理實驗室為例，進行實驗室功能演示。

在高中物理實驗室界面中有帶電粒子在電場中的運動、帶電粒子在磁場中的運動、歐姆定律、點電荷形成的電場等實驗。

（1）帶電粒子在電場中的運動。在高中物理實驗室的主界面中，用鼠標點擊“選修3-1”進入選修3-1實驗室的主界面。在該界面用鼠標點擊“帶電粒子在電場中的運動”，在彈出的界面中點擊“演示”按鈕，得到的結(jié)果如圖4（a）和圖4（b）所示。

（2）帶電粒子在磁場中的運動。在選修3-1主界面中，用鼠標點擊“帶電粒子在磁場中的運動”，在彈出的界面中點擊“演示”按鈕，在彈出的界面中分別輸入“帶電粒子射入磁場的角度”，點擊“Start”按鈕，繪制出如圖5（a）所示的運動軌跡，點擊菜單欄的旋轉(zhuǎn)按鈕，實現(xiàn)如圖5（b）所示的旋轉(zhuǎn)效果。

4 結(jié)語

本文采用Matlab開發(fā)了一個通用性強、簡單易用的中學物理實驗室系統(tǒng)，該系統(tǒng)充分利用Matlab的數(shù)值計算能力和數(shù)據(jù)可視化能力以及強大的繪圖功能，實現(xiàn)了物理現(xiàn)象和物理過程的形象化和可視化，有利于開拓學生視野，激發(fā)學習興趣，改善了傳統(tǒng)教學方式單一性缺陷，促進了多媒體技術(shù)在教學中的應用。

參考文獻：

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[2]朱 云，孟憲松.MATLAB軟件在中學物理中的實際應用[J].中小學電教，2011（1）：101102.

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[4]魏義永.例析Matlab軟件融入光學教學課堂[J].合肥師范學院學報，2011（3）：3941.

[5]朱國強.MATLAB軟件在物理教學中的應用[J].物理通報，2014（4）：812.

[6]史崇升，湯全武，吳 佳，等.基于Matlab和B/S的中學數(shù)學實驗室系統(tǒng)[J].微型機與應用，2014（14）：1416.

[7]陳垚光，毛濤濤，王正林.精通MATLAB GUI設計[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[8]韓文虹.物理虛擬實驗室的設計與實現(xiàn)[D].鄭州：鄭州大學，2010.

[9]繆亮，賈朝蓉.Flash MX 2004課件制作百例[M].北京：清華大學出版社，2004.

[10]馮瑛.淺析Authorware多媒體課件制作的技巧[J].信息通信，2013（6）：132133.

責任編輯（責任編輯：杜能鋼）