運(yùn)用Matlab技術(shù)推進(jìn)光學(xué)教學(xué)現(xiàn)代化的探索與實(shí)踐

楊晨

摘要：光學(xué)是重要的物理學(xué)科之一，隨著計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，利用虛擬仿真技術(shù)展現(xiàn)客觀存在的現(xiàn)象成為重要課題，并且引入到光學(xué)教學(xué)體制中，解決了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器對光學(xué)教學(xué)的局限性。本文主要介紹了運(yùn)用Matlab仿真軟件對光學(xué)教學(xué)中的探索與實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)了光學(xué)教學(xué)現(xiàn)代化的目的。

關(guān)鍵詞：Matlab技術(shù)；光學(xué)；教學(xué)現(xiàn)代化

前言：隨著計算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，計算機(jī)虛擬仿真技術(shù)逐漸在各個行業(yè)被廣泛應(yīng)用。光學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為物理學(xué)科中的重要的基礎(chǔ)課程，傳統(tǒng)的教學(xué)儀器已經(jīng)難以達(dá)到教學(xué)現(xiàn)代化的目的，所以計算機(jī)虛擬仿真軟件就被引入到其中，抽象難懂復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象被直觀的展現(xiàn)在學(xué)生面前，提高了光學(xué)教學(xué)質(zhì)量，同樣突破了我國光學(xué)教學(xué)現(xiàn)代化的發(fā)展限制。一、光學(xué)教學(xué)的研究背景

光學(xué)是物理學(xué)中最重要的基礎(chǔ)學(xué)科，也是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展、崛起的重要支柱。傳統(tǒng)的光學(xué)教學(xué)模式主要在黑板或幻燈片上客觀的描述公式，對其光的波動曲線以及亮度特點(diǎn)難以直觀的表現(xiàn)出來，效果抽象并且讓學(xué)生難以理解，而運(yùn)用Matlab計算機(jī)虛擬仿真技術(shù)就很好的解決了這個問題，對光的特性以及光的呈現(xiàn)效果表現(xiàn)更加容易理解。

Matlab是一套數(shù)值分析軟件，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)值的分析、優(yōu)化、統(tǒng)計集很多功能與一身的強(qiáng)大數(shù)學(xué)軟件，是由美國MathWorks公司在1982年出品的商業(yè)教學(xué)軟件，如今經(jīng)過了30多年的發(fā)展和完善，已經(jīng)成為國際上最流行的科學(xué)教學(xué)與工程計算的專業(yè)軟件，具有廣泛的應(yīng)用前景的高級計算機(jī)語言編程，而且這種語言編程具有非常高的計算效率，可以對圖像、圖像進(jìn)行虛擬立體效果的展示，在光學(xué)教學(xué)現(xiàn)代化中具有重要的意義，讓學(xué)生們對光學(xué)課程產(chǎn)生濃厚的興趣。

二、運(yùn)用Matlab在光學(xué)教學(xué)中的探索

在Matlab計算機(jī)虛擬技術(shù)引入到物理專業(yè)的光學(xué)教學(xué)中后，對光學(xué)教學(xué)的教育意義起到了非常重要的作用，使學(xué)生可以充分的領(lǐng)會并理解光學(xué)知識，同樣也為學(xué)生自主研究光學(xué)基礎(chǔ)知識提供了科學(xué)可靠的計算工具，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力的同時，也幫助了老師更加直觀的表現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容，推進(jìn)了光學(xué)教學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)現(xiàn)代化進(jìn)程。

（一）Matlab技術(shù)對教師教學(xué)思想和觀念的影響

Matlab技術(shù)在光學(xué)教學(xué)中的運(yùn)用主要還是體現(xiàn)在，教師思想、方法和傳授觀念的轉(zhuǎn)變，作為光學(xué)教學(xué)的重要載體，必須要意識到這三者在教學(xué)意義中的重要性。傳統(tǒng)的物理學(xué)教學(xué)觀念主要以知識傳授為中心，而在教學(xué)中解決問題的實(shí)踐方法和培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力往往被忽略或不夠重視，基本的思維方法和研究方法經(jīng)常被跳過。我國傳統(tǒng)的教學(xué)模式就是老師手把手的教課本中的內(nèi)容，然后做大量的習(xí)題來應(yīng)付考試，這種理念不利于學(xué)生的創(chuàng)新思維和能力的發(fā)展，一旦自己獨(dú)立解決實(shí)際問題根本無法解決。

（二）Matlab使光學(xué)教學(xué)更加現(xiàn)代化

明確我國光學(xué)教學(xué)的發(fā)展方向，必須認(rèn)識到現(xiàn)代化的教學(xué)思想和觀念的重要性，同時需要有現(xiàn)代化的教學(xué)技術(shù)作用力支撐。而在實(shí)際教學(xué)中認(rèn)識到重要性還往往不夠，具體實(shí)現(xiàn)還是存在一定的困難的。比如：光的干涉和衍射，普通的傳統(tǒng)教學(xué)難以表達(dá)出其現(xiàn)象的基本特點(diǎn)，一定的習(xí)題只能讓學(xué)生模糊的了解，這鐘通過習(xí)題數(shù)據(jù)來解析光的干涉和衍射實(shí)在過于難以理解。而Matlab技術(shù)的運(yùn)用，可以很好的解決這一問題。學(xué)生們可以通過虛擬軟件很快的掌握數(shù)據(jù)計算、圖像模擬、圖形制作等計算機(jī)設(shè)計技術(shù)，而且可以通過這些直觀可見的表現(xiàn)方式與習(xí)題數(shù)據(jù)相結(jié)合，對研究大量光學(xué)知識和光學(xué)問題起到了很大的作用，而Matlab在光學(xué)教學(xué)現(xiàn)代化的支撐體現(xiàn)主要體現(xiàn)兩方面。

首先，與以往的傳統(tǒng)教學(xué)相比能很好的豐富教學(xué)內(nèi)容。由于以往的傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容過于理論化，在實(shí)際的生產(chǎn)過程和科學(xué)研究中出現(xiàn)的問題無法得到有效解決，造成了理論與實(shí)際想脫軌的現(xiàn)象，而在引入了Matlab后就能很好的處理這種現(xiàn)象。目前，Matlab已經(jīng)成為國際上最流行工程設(shè)計計算軟件，在實(shí)際運(yùn)用中可以提出豐富有效的解決方案。而在光學(xué)教學(xué)現(xiàn)代化更體現(xiàn)出其重要作用，例如：光的雙縫干涉在教材中的介紹只是針對單色光，而實(shí)際光譜都是非單色光，所以可以通過Matlab的強(qiáng)大計算和圖像顯現(xiàn)能力，就可以實(shí)現(xiàn)非單色光的雙縫干涉的曲線效果。

然后，Matlab能把很多難學(xué)難教的內(nèi)容簡單化，通過該技術(shù)的數(shù)值模擬和圖像演示的相結(jié)合，能讓學(xué)生對抽象的光學(xué)現(xiàn)象和難以理解的光學(xué)概念更容易理解，并與之前在書本中所學(xué)到的數(shù)值公式相呼應(yīng)。例如：邁克爾遜干涉儀產(chǎn)生等厚干澀條紋一直是教學(xué)難點(diǎn)，學(xué)生們可以采用Matlab技術(shù)，對光波相干疊加進(jìn)行數(shù)值、圖像處理，就能很簡單直觀的理解其規(guī)律。

（三）Matlab塑造了良好的素質(zhì)教育和創(chuàng)新教育的學(xué)習(xí)環(huán)境

Matlab技術(shù)的引入對我國光學(xué)教學(xué)具有重要的教育意義，這種全新的教學(xué)模式極大豐富了教學(xué)內(nèi)容，有利于提高教師的素質(zhì)教育和創(chuàng)新教育能力，同時也為學(xué)生們的創(chuàng)新思維提供了良好的環(huán)境，所以，教師需要把解決問題和創(chuàng)新思維的敲門磚傳授給學(xué)生，就必須要在教育思想和方法上下功夫。

我國傳統(tǒng)教學(xué)模式主要是通過解析公式的結(jié)果來解決問題，學(xué)生對這個結(jié)果的整體概念和具體內(nèi)容并不清楚。有時候?qū)唧w復(fù)雜問題的解析過程，老師都未必能夠完全的解釋清楚，讓學(xué)生明白其中的含義更是難上加難。而利用了Matlab技術(shù)的圖像、圖形顯示功能，便可以直觀的把提前所處理的公式分析結(jié)果呈現(xiàn)在學(xué)生眼前，很好的對老師對復(fù)雜問題的解析過程提供的良好的幫助。在光學(xué)教材方面，知識的局部細(xì)節(jié)描述很詳細(xì)，當(dāng)時其中的整體貫通連接是少之又少。如單縫衍射、多封衍射和多縫干涉的描述都很詳細(xì)，但是三種的關(guān)系連接就沒有提高。而通過Matlab技術(shù)的應(yīng)用，學(xué)生們就可以自己獨(dú)立對三者進(jìn)行圖形、圖像化顯示，并且很容易的理解他們的關(guān)系，并且掌握到書本上所學(xué)不到的知識。因此，現(xiàn)代化的光學(xué)教學(xué)少不了Matlab的運(yùn)用，它能夠讓學(xué)生的創(chuàng)新能力思維和綜合素質(zhì)得到有效的提高，讓學(xué)生掌握獨(dú)立的思維和方法，并在實(shí)際應(yīng)用中研究各種光學(xué)問題。

結(jié)語：

Matlab軟件在我國光學(xué)教學(xué)中的運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)了光學(xué)教學(xué)的現(xiàn)代化，解放了傳統(tǒng)教學(xué)的思想和觀念，使光學(xué)中的抽象、復(fù)雜、難以理解的想象和問題得到了很好的解決，從而豐富了教學(xué)內(nèi)容和學(xué)生們的創(chuàng)新思維，為培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐操作能力提供了良好的方法和工具，讓學(xué)生在日后踏入社會工作打下了牢靠的基礎(chǔ)。