Matlab在大学物理实验教学中的应用

肖郑颖

（莆田学院电子信息工程学系 福建莆田 351100）

Matlab在大学物理实验教学中的应用

肖郑颖

（莆田学院电子信息工程学系 福建莆田 351100）

分析了大学物理实验课程的现状，阐述了MATLAB在大学物理实验课程中的三方面应用，提出了应用中应注意的问题。

Matlab；大学物理实验；应用

物理学是一门实验科学，物理实验课程的开展对于培养学生的动手能力，分析、解决问题的能力，巩固物理理论知识的掌握，有着毋庸置疑的重要作用。同时，它往往是本科生进入大学阶段的第一门实验课，对学生此后探索思维、科研精神的形成有着特殊地位。

1.大学物理实验课程现状

1.1 教师方面。教学方式手段、思想的陈旧，导致了实验课的教学变成教授“原理-操作-注意事项”式的“流水线”教学，学生在教学过程中没有参与感，无法集中注意力，常常出现茫然地对着老师讲得天花乱坠的物理公式。

1.2 学生方面。大部分学生对这门课程的积极性不高，认为只要完成了实验，就万事大吉，对应于教师的“流水线”式教学，大部分学生选择了“从讲义中抄写预习报告－课上操作、填表格－课后数据处理”这样的“流水线式实验”。学生眼里的实验，就是按照老师上课所说的实验步骤操作，然后填到表格中（甚至往往是老师事先设计好的表格），课后的实验报告也往往是应付的，甚至是抄袭的。在这种流水线式实验中，学生缺乏思考、探索，任何一个环节出现问题，他们往往会束手无策。在一些设计性实验中，这种学习方式的弊端暴露无遗。设计性实验往往没有明确的步骤，没有表格，只提供实验仪器和实验目的，学生常常没办法独立完成实验。

1.3 实验仪器方面。仪器的“过旧”和“过新”都常常引起问题。过于陈旧的仪器，常常在实验中出现问题，打击了学生的积极性，容易引起学生的烦躁情绪，不利于实验的进行；“过新”是指购买实验仪器时常常追求“智能”，导致实验只要按照说明书按几个钮，从面板上抄写几个数据就完成实验了，造成学生对于包装精美的那个面板后面隐藏的物理原理、规律一无所知。

2.Matlab技术

Matlab是MATrix LABoratory（矩阵实验室）的缩写，它以矩阵计算为基础，把计算、绘图及动态系统仿真等功能有机的融合在一起。[1]Matlab在科技领域的优秀表现使它广泛地应用于几乎所有的科学研究领域。由于其语法结构简单，数值计算高效，图形功能完备，使它在生成图形图像和进行数据处理方面的表现尤为突出。[2]Matlab在物理实验的演示、作图、完善优化数据处理、模拟仿真方面表现良好，有助于物理实验的教学过程变成一个交互的、师生之间不断探讨的过程。此外，软件包含的Simulink工具箱能实现实验的模拟仿真，激发学生的学习兴趣和研究热情。

2.1 应用：物理规律-数学模型-图形图像。物理规律、物理定律总是和一定的物理实验联系在一起的。因此可以对物理实验中涉及的原理进行分析，寻找其内在的规律。这些规律往往都能归结成一个或几个的物理学公式。在这些公式的基础上，建立一定的数学模型进行编程，再借助于Matlab在图形图像方面的优良表现，将这些公式绘制成图形。这些图形往往就是我们通过具体实验，在各种各样的仪器上观察到的现象。例如：力、热实验方面，基于Matlab利用声卡实现数据采集和输出，实现音叉的受迫振动、不良导体的导热系数、固体比热容、气垫导轨、声学实验等等，解决了一些实验因需要昂贵的仪器和复杂的程序而无法开设的难题，让学生接触到更多形形色色的物理实验。

Matlab在光学方面已有较多的探索，根据干涉的相关原理，可以进行多光束干涉的模拟，改变其中的参数，可以得到模拟出的干涉图样；此外，牛顿环和杨氏双缝干涉现象的模拟可以在讲授实验原理时展示，建立一个干涉现象的初步印象，有助于学生在此后实验中寻找干涉条纹。

在电磁学实验中，用示波器观察李萨如图形常常由于信号源不稳造成图形不稳，采用Matlab模拟，将其与实际观察到的图形相对照，有利于学生的认知；采用Matlab对静电场等位线和电力线的分布图进行描绘，探索实验得到静电场分布与软件的模拟结果的异同。

近代物理方面，根据多普勒效应的原理，用Matlab进行模拟，可以分别展现声源及听者接收到的现象，充分调动学生多感官的协作，加深对这一原理的认识。

可见，从枯燥的物理规律到生动的图形图像，有许多途径。而多样的展现方式，更容易为学生所记忆。当学生自己动手操作时，回忆起这些和物理规律联系在一起的图像，不仅实验操作过程事半功倍，更有助于这些概念原理的理解和记忆。

2.2 数据处理。Matlab除了在图形图像方面能力强大，在数据的分析计算方面也表现优异。因此，将其引入大学物理实验课程，完善优化原有的数据处理手段。在大学物理实验课程中，涉及的物理规律一般有线性和非线性两种。

对于呈线性关系的规律，对数据处理的方法较为常见的有逐差法、作图法以及最小二乘法。逐差法如果在数据点不多的情况下，有可能出现较大的误差。而作图法是手工画一条直线，让数据点均匀分布直线两侧，这条直线的绘制全凭个人判断。尤其是数据点分布较松散时，学生往往难以决定如何绘制这样一条直线。最小二乘法运用统计规律，寻找“最优”的拟合直线，但是运算量巨大。而这庞大的计算量，刚好可以交由Matlab来进行。它将学生从复杂的人工运算中解放出来。编写好最小二乘法的运算程序后，只要修改实验数据和调用程序，即可以得到相关系数、线性回归方程、不确定度以及拟合好的直线。这种做法有效避免了原有的较为粗糙的、受诸多因素影响的数据处理方法，也把学生从一些简单、枯燥的运算中解救出来。

对于呈非线性关系的规律，在大学物理实验课程中，往往仅需要绘制出相关的曲线，一般不需要得到函数关系。为了得到较好的曲线，一般实验时需要先测量足够的数据再画图。这种方式数据量大，描点连线又容易引入误差，而且耗时长。这容易导致学生在写实验报告时，出现应付心理，影响实验报告的质量。若与Matlab相结合，可以较准确地描出数据点，再借助其曲线拟合（polyfit）或一维插值（interpl）的方法，得到理想的曲线。其中，较为简单的曲线一般选择曲线拟合，函数关系复杂的曲线一般用一维插值的方法，采用一维插值法得到的曲线，一般都比较平滑。

在数据处理中引入Matlab，大大提高了数据处理的质量和速度，而且可以便捷地得到直观的图像以及相应的方程。一方面，缓解学生在撰写实验报告时的倦怠心理，提高效率，有助于提高学生对于本课程的兴趣，增强主动性；另一方面，还可以迅速地检验实验结果，出现较大误差时，可即时地重做实验，有效避免了学生课后胡乱篡改原始数据的情况，有利于科研精神的培养。

2.3 Simulink仿真。Simulink是一个基于Matlab的软件包，可以对动态系统进行建模和仿真。其元件库中大量的模型块可以搭建成不同的动态系统的仿真模型。它操作简单，并能随时观察结果并干预仿真过程，[1]尤其适合将其应用于电路系统中。

一方面，它可以直观地展现电路的构成、性能、各个部分的特点、用途，有助于学生对一些较复杂电路的分析和理解。它也可以很方便地改变其中的某些参数，并能即时地得到这些改变带来的实验结果的变化。这样，学生面对的不再是一个个枯燥的电路图，而是一个个生动有趣的“活动”的电路。

另一方面，学生可以先用Simulink的仿真功能搭建自己设计出的电路，再按需要使用元器件，根据电路的实际情况修改调整自己的设计方案，改变各个实验参量，观察实验电路的变化，最后还可以在真实的仪器上实现实际的电路。

需要设计电路的实验常常出现这样一种情况：学生拿着设计好的电路图连接电路，接好后发现无法达到实验要求，于是就在电路上修修改改，往往电路越改越乱，学生的学习热情降到了最低点，实验仪器也容易被损坏。而通过上述的方法，学生有一个探索的过程，并在此过程中，发现自己方案的不足和需要改善之处，而这些缺漏又能在电脑上轻松的修改，直到实现合理的设计。设计方案完善后，在实物连接中实现实验要求，提高了实验效率，学生的主动性得到了充分的调动。

3.结束语

Matlab由于其在图形图像和数据处理方面的强大能力，在许多方面都能和大学物理实验课程进行有机结合。但是，这种结合也需要注意一些问题：一方面，不能因为Matlab可以模拟许多物理实验现象，就用模拟来代替实验。学生在亲手操作实验仪器的过程中，才能得到实验的主观感受，才能培养他们的动手能力，这不是依靠程序模拟出的图形图像就能够实现的。另一方面，一些数据处理较复杂的实验可以借助Matlab，但对于一些较为简单的数据处理，还是应该要求学生人工处理，因为通过对数据的分析、处理、作图、计算，学生才能对数据处理的基本过程、基本要求有实际的感受。实验才不会演变成数据处理只是“输入数据”到“输出数据”的简单过程，有助于他们实验能力的总体提高。将Matlab应用于大学物理实验课程中，由于其编程相对容易，功能强大，在许多方面都表现出强大的生命力。教师应寻求更多的结合途径，帮助学生明确物理概念，培养他们动手操作和解决问题的能力，使物理实验教学更充实、更有价值。

[1]蔡旭晖，刘卫国，蔡立燕.MATLAB基础与应用教程[M].人民邮电出版社，2009，P1-180.

[2]张德丰.数字图像处理（MATLAB版）[M].人民邮电出版社，2009，P13.

肖郑颖（1985-），女，福建莆田人，莆田学院电信系助理实验师，主研方向：大学物理实验，光学。

2010-11-19