摘要：物理学是理工科类学生必修的一门重要的基础课程, 而大学物理实验是辅助大学物理教学的重要手段之一。基于传统物理实验不便于搬入课堂这一缺点, 讨论了虚拟仿真实验和传统课堂结合的可能性。基于MATLAB软件作为开发平台, 可以在课堂上以虚拟仿真实验为基础介绍大学物理理论, 使得枯燥的理论知识形象直观, 可以激发学生的学习兴趣, 从而提高大学物理课程的教学质量。

　　关键词：大学物理; 虚拟仿真; 物理实验;

　　物理学的基本理论渗透在自然科学各个领域, 应用于生产技术的许多部门, 是其他自然科学和工程技术的基础[1]。物理学不仅仅是一门自然科学, 也是一门实验科学, 这就要求物理学要以实验为依据, 同时也要接受实验的检验[2]。物理实验能够直观形象的展示物理现象和物理规律, 是辅助教学的重要手段, 对于大学物理的理论教学具有重要的意义。

　　但是传统的物理实验由于受到实验空间和实验仪器设备等教学资源的限制, 不适合搬入到理论课堂中。随着计算机网络技术的普及和发展, 虚拟仿真技术已经被广泛应用于各种实验教学中[3], 现在各个高校的多媒体教学方式的普及, 将虚拟仿真实验引入到理论教学中, 不仅能激发学生的好奇心和求知欲, 还能提高学生的自主创新能力和学习的能动性。

　　1 虚拟仿真实验概述

　　大学物理虚拟仿真实验是选取了一个物理系统或者抽象系统的一些特性, 再使用另外一种方法来表现它们的特性的过程[4]。

　　随着计算机技术的发展, 现在有很多的软件可以实现虚拟仿真实验的设计, 例如MATLAB软件, 可以实现很多光学现象等的虚拟仿真;LAB-VIEW软件功能比较强大, 在虚拟仪器构建方面能力较强, 主要被应用在物理虚拟设备方面;或者采用FLASH技术或者3D MAX技术[5], 都具有较强的人机互动性能。特别是FLASH技术, 可以采用IE的内嵌技术使得FLASH发布的相关作品可以直接通过网络进行播放, 实现物理实验的一些动画设计。其中MATLAB软件功能最为强大, 它不仅仅可以用来处理一些图像, 对于数据处理方面的表现也非常好, 是各大高校使用率较高的软件之一, 所以这里以MATLAB软件为例, 介绍大学物理中虚拟仿真做实验的制作方法。

　　由于物理理论各个部分特点不同, 所以在使用演示实验配合大学物理教学过程中, 也应该根据工具软件的特点, 制作出相应的虚拟仿真实验, 保证仿真实验能够在大学物理理论教学过程中能有较好的效果。

　　2 MATLAB制作仿真软件

　　MATLAB软件是由美国Math Works公司推出的一套具备高性能的数值计算和可视化软件。由于MATLAB可以将矩阵运算、图形显示、信号处理以及数值分析集于一体, 构造出的用户环境使用方便、界面友好, 因此MATLAB受到众多科研工作者的欢迎[6]。

　　2.1 衍射仿真实验

　　以大学物理中波动光学的内容为例, 基于各种衍射现象的理论, 借助惠更斯-菲涅尔原理, 使用MATLAB软件, 并且基于该软件内嵌的GUI技术, 设计出的夫琅禾费衍射仿真系统界面如图1所示。在仿真系统中, 学生可以根据需要先选择衍射类型, 然后输入合适的参数, 最后点击执行仿真按钮, 即可查看需要的衍射结果。

　　例如在上图中选择矩孔衍射, 输入各个参数的具体数值, 最后点击执行仿真按钮, 宽度和长度均为0.5mm的矩孔仿真结果。

　　2.2 振动系统仿真实验

　　若以大学物理中振动波动的内容为例, 基于各种情况下的多振动合成理论, 使用同样的方法, 也可以设计出基于GUI的振动合成系统, 设计好的振动合成系统界面。

　　用户可以根据需要选择待合成振动的数目和合成模式, 再输入分振动的各个参数, 如果输入有误, 还可以通过点击数据清空按钮重新输入, 若无误, 可直接点击合成按钮。

　　若选择合振动个数3个, 模式为同方向, 再分别输入三路振动参数如图3所示, 最后点击合成按钮, 合成结果如图4所示。

　　3 课堂上使用仿真实验系统

　　使用各种软件设计好了虚拟仿真实验系统以后, 利用各大高校已经建设好的多媒体教学设备, 可以将MATLAB设计好的各种仿真实验系统移植到课堂教学的计算机中, 由讲授教师在课堂中操作, 并在授课的同时, 演示给学生, 可以大大激发学生在课堂上的学习积极性。学生边学习物理理论知识, 边在仿真实验现象的基础上, 使用学习到的理论去分析该现象的产生原因和产生过程, 提高学生的创造性思维能力和实践动手能力。除此之外, 还可以由学生按自己的想法修改仿真实验的一些数据, 自行总结出条件改变之后, 仿真实验结果的改变规律。

　　也可以将虚拟仿真实验系统通过在线教学的模式上传至相应的教学网站, 由学生在课前预习, 或者课后复习的时候自行操作。

　　4 结语

　　物理学是一门实验科学, 大学物理的理论教学是离不开物理实验教学的, 所以物理的演示教学在课堂教学中也是必不可少的重要手段, 通过课堂的演示实验, 可以使具体的物理理论形象化, 枯燥的课堂气氛活跃化。但是基于传统物理实验的一些局限性, 使用虚拟仿真实验代替传统实验是非常有效的一个手段。它既可以帮助学生理解和掌握物理的理论知识, 还可以提高学生提出问题、分析问题和解决问题的能力。

　　可以看出, 使用MATLAB软件作为仿真平台, 基于GUI技术设计出的大学物理虚拟仿真实验, 可以在课堂上利用现代化多媒体教学技术, 形象生动直观的给学生们展示出各种不同的物理现象, 使得不具备MATLAB技术的学生也可以轻松掌握, 并可将理论和实际现象结合起来, 激发学生的学习兴趣, 达到加深理解的目的。

　　参考文献
　　[1]麻华丽, 霍瑞娜, 曾凡光.提高《大学物理》教学质量探讨[J].管理工程师, 2012 (1) :68-70.
　　[2]王金玉, 赵言诚, 孙秋华, 等.浅谈演示实验在大学物理教学中的作用[J].教育教学论坛, 2018 (5) :208-209.
　　[3]肖瑞, 刘敏.大学物理演示实验室的扩大建设与管理[J].实验室科学, 2018 (2) :184-186.
　　[4]刘丹, 张进, 于晓燕, 等.大学物理实验中仿真实验研究[J].贵阳学院学报 (自然科学版) , 2017 (4) :15-22.
　　[5]武艳玲.基于Flash技术的虚拟近代物理实验研究[J].西安文理学院学报 (自然科学版) , 2018 (4) :21-24.
　　[6]尹君驰, 刘克毅.基于MATLAB的PID控制系统参数调节[J].电子测试, 2014 (3) :98-99, 114.

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