MATLAB在物理实验CAI课件制作中的应用

李 斌，陈国杰，谢嘉宁，张潞英

（佛山科学技术学院，广东 佛山 528000）

随着计算机的迅速发展，计算机辅助教学（CAI）已经成为现代教育技术的重要组成部分，它为学生的思维提供了具体而生动的客体形象，它的使用能有效地缩短学生的学习时间，提高教学质量和教学效率。高品质的多媒体课件是CAI的重要保证，而CAI的教学软件常采用Powerpoint、 Authorware、 Visual Basic、 Flash、3DSMAX等进行制作，这些软件各有其特色但也都有其局限性。MathWorks公司推出的MATLAB软件，它具有强大的数值分析、矩阵运算、图形图像处理、信号处理和仿真功能［1］。物理实验具有原理性强、实验现象不易观察、实验操作比较复杂、实验数据要求严格等特点，特别是光学与电学的实验机理很难观察［2］。把MATLAB软件的数值计算和绘图的可视化等功能应用到物理实验的CAI课件制作中，模拟的实验原理清楚，实验现象逼真生动，并且课件操作方便、界面友好、交互能力强，能使教学内容的科学性与趣味性融为一体，达到提高教学质量，培养学生综合能力的目的。

1 MATLAB在物理实验CAI课件制作中的应用

1.1 在CAI课件中应用MATLAB软件

在实验教学实践中，教师通常运用Power－Point和Authorware等软件制作物理实验CAI课件。这些软件有其优点也有其缺陷，例如教师使用最多的PowerPoint，操作简单，易学易用，大量的模板和自定义动画可以很容易制作出美观大方的课件。其不足之处在于PowerPoint制作的课件缺乏交互性，不能作为独立的教学课件用于个别化教学，不能响应用户的实时请求产生新的界面。如果在这些软件制作的课件中应用MATLAB软件，可以弥补其缺陷，融合各自的优点，从而大大提高CAI课件的质量。

ActiveX技术是一门使用和集成组件的技术，通过ActiveX技术可以把MATLAB同外部程序接口［3］。MATLAB可以作为自动化控制器去操纵其他应用程序，也能作为自动化服务器而被其他应用程序所操纵。在VBA中开启MATLAB自动化服务器的语句为：

Dim matlab As Object

Set matlab＝CreateObject（“Matlab.Application”）

执行MATLAB命令的语句为：

Matlab.execute（Command）

PowerPoint支持VBA编程，将它作为自动化控制器。MATLAB的ActiveX作为自动化服务器，编程时在VBA中创建MATLAB自动化对象，通过适当的语句可以把MATLAB无缝地接入到PowerPoint中，实现PowerPoint和 MATLAB的数据交换［4－5］。在 PowerPoint课件中应用MATLAB来进行计算或绘图，使幻灯片在放映状态中增加实时交互操作功能，增强课件的活力。

例如在“迈克耳逊干涉实验”的PowerPoint课件中插入MATLAB来进行实时绘图，对迈克耳逊干涉现象进行仿真。制作过程如下：启动PowerPoint软件，在课件中插入一个空白幻灯片。单击“视图”工具栏的“Visual Basic”菜单，打开VBA工具栏上的“控件工具箱”。根据实际需要选择所需的控件添加到幻灯片上，并分别设置其属性。在本界面中设置了两个标签，一个图像控件，一个命令按钮。然后双击命令按钮，在出现的VB编辑窗口中输入程序，其思路是在Power－Point中将输入文本框的值通过VBA与MATLAB的接口传送到MATLAB，由MATLAB执行语句，完成相应的计算或绘图工作，并将结果通过接口传送回PowerPoint中显示［6］。限于篇幅在此不列出其代码。添加好代码后播放幻灯片，在输入文本框中键入迈克耳逊干涉实验的MATLAB程序，单击“仿真”按钮即可显示迈克耳逊干涉仿真图，其运行界面如图1所示。如果课堂教学中时间有限，课前老师可提前把程序编写好。在教学中教师可以改变参数值实现交互功能，例如改变级数（k）的数值研究级数对干涉图样的影响［7］（如图1（a）、（b）所示），改变波长（lambda）的数值研究波长对干涉图样的影响等等。这种动态教学方法可以有效地激发学生的学习兴趣，提高课堂教学质量，丰富教学内容。

图1 PowerPoint中应用MATLAB的动态仿真执行界面

同样，在Authorware等其他软件制作的CAI课件中，也可以应用MATLAB软件来扩充课件的功能，增强实时交互处理能力，为制作适合物理实验的CAI课件提供了一个新的途径。

1.2 基于MATLAB GUI的课件制作

MATLAB不仅提供了丰富的图形命令和图形函数，还具有强大的图形用户界面（GUI）功能。MATLAB GUI由窗口、菜单、按钮等各种图形对象组成，用户通过鼠标动作或键盘操作选择、激活这些图形对象，使计算机产生某种动作或变化，如实现计算、绘图等［8］。用GUI设计物理实验CAI课件，可以开发出良好的交互处理系统，在人机交互界面，用户只需输入相关参数就可以动态地显示实验仿真结果，使实验教学即形象又生动。

MATLAB GUI界面的制作包括界面设计与程序实现，其过程需要反复修改才能获得满意的界面，一般制作步骤如下：

（1）分析界面所要实现的主要功能，确定设计任务；

（2）构思草图，编排控件的布局，从使用者和功能实现的角度来审视草图，并上机实现；

（3）设置各控件的属性；

（4）编写对象的相应程序，对实现的功能进行逐项检查［9－10］。

例如利用MATLAB GUI制作“RLC串联电路的暂态过程”实验的CAI课件，此课件为了便于学生基本理论的学习，在界面设计了“实验目的”、“实验仪器”、“实验原理”等信息。为了研究电路中各参数如电阻、电感、电容及电源电压对电路暂态波形的影响，界面可直接输入的参数有：电阻R、电感L、电容C及电源电压E，设计了“放电过程的仿真”和“充电过程的仿真”控件等。编写相应控件的回调函数（Callback），限于篇幅在此不列出其代码，并对其功能进行检查调试。用户不需要懂得MATLAB语言，只要在界面上的编辑框中输入适当的参数就可以显示可视化结果，图2就是输入参数后RLC串联电路放电过程的仿真结果。用户可以任意修改电阻、电感、电容及电源电压的数值，来研究各值对充电与放电过程电路的暂态波形的影响，同时可实时地判断其处于何种振荡状态，图2（a）、2（b）为电阻不同时的仿真界面。利用 MATLAB GUI制作的实验CAI课件，不仅能实现常观教学中的实验基本理论的学习，还可以根据实验的具体需要设计可交互的编辑框和控件，将比较抽象的数学运算和物理规律用动态的图形演示，从而加深了学生对物理概念的理解，增强了学习兴趣，提高了课堂教学效率和教学质量。

图2 MATLAB GUI仿真RLC串联电路的暂态过程的界面

2 结 论

针对物理实验课程的特点，介绍了 MATLAB在物理实验CAI课件制作中常用的两种应用情况。利用MATLAB软件制作的课件可以生动、具体地表现理论知识，其互动性和真实性优于一般的动画及视频。将MATLAB制作的物理实验CAI课件引入教学，可以增加课件的交互能力，有效地激发学生的学习兴趣，丰富实验教学内容，提高课堂教学效率与教学质量，为制作高品质的CAI课件提供了一个新的途径。

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