高中物理教学辅助系统的设计与实现

杨阔 吴建军 刘川

摘  要：培养学生的物理学核心素养，促进学生思维的形成是高中物理教学的重要目标。丰富课堂教学手段，引入计算机辅助教学提高教学质量，是近年来教学改革的重要方向。该文针对高中物理中的难点模块，采用科学计算软件Matlab设计开发了高中物理教学辅助系统，该系统具有交互性和能实现动画效果。该系统可在课堂教学中帮助学生更加直观地观察到物理过程，提高教学的效果。

关键词：高中物理  教学改革  Matlab GUI  可视化

中图分类号：G642                             文献标识码：A                   文章编号：1672-3791（2020）09（c）-0001-05

Abstract： It is an important goal of senior high school physics teaching to cultivate students' core qualities in physics and promote the formation of students' physical thinking. It is an important direction of teaching reform in recent years to enrich classroom teaching methods and introduce computer aided teaching to improve teaching quality. Aimed at the difficult modules in high school physics and using matlab， the physics teaching assistant system is designed and realized， which has interaction and can achieve animation effect. This system can help students observe the physical process more dynamically and improve the teaching effect.

Key Words： Physics of senior high school; Teaching reform; Matlab GUI; Visualization

在2017年《普通高中物理新课程标准》中明确指出：“物理学基于观察与实验，建构物理模型，应用数学工具，通過科学推理和论证，形成系统的研究方法和理论体系”。也就是说，在物理学的方法论中，“观察与实验”是两大基本方法，可以获得基于现象的和基于定量的物理事实，而物理模型与数学工具是进一步深入探究物理规律的两个支柱性方法。高中物理的教学过程中，课堂教学占据了主要地位，许多抽象的概念、原理以及涉及各方面的数学知识和物理模型，如果能采用可视化的图像法进行辅助教学，可以将复杂的规律“动”起来，“活”起来，增强学生对物理规律的直观性理解[1-5]。采用Matlab GUI合理设计可视化环节，可用于辅助教学，推进数学工具与物理模型的结合，增强学生的学习兴趣，落实新课标中“物理观念、科学思维”的要求。该文选取了高中物理中具有代表性的内容模块，设计并实现了交互性强、直观性强的教学辅助系统，可以在教学中起到很好的辅助效果，提高学生的学习兴趣。

1  Matlab GUI概述

Matlab是一门目前广泛使用的科学计算语言，在数值计算和图形图像方面具有非常突出的优势，是全世界科技工作者的必备工具。Matlab GUI是它的一个图形图像界面的模块，编程容易、直观，操作方便、具有人机交互功能。能够为用户提供较为丰富的使用体验，在动画和图像演示方面具有独特的优势。由于其强大的数学计算功能和建模功能，在处理高中物理大部分物理问题的图像化方面能够发挥出重要的作用[6]。

图像化界面，既可以增加课堂的立体性，丰富教学手段，又可以把复杂的物理问题进行图像化，用生动的图像和动画展示物理过程，将抽象的问题具体化，增加学生的兴趣，突破教学难点[4]。同时，也可以启发学生的编程思维，引导他们认识Matlab编程工具，在数学建模的思想启蒙方面起到一定的作用。

2  教学辅助系统的设计与实现

根据高中物理的课程内容特点，结合在教学过程中存在的难点问题，对于方便进行图像化的知识点进行图像化处理，编写了方便教师操作和使用的模块。主要包含了力学和电磁学部分。该方法的优势是可以人机交互，修改模型的参数非常方便，可以提供给使用者更加灵活的选择，同时，可以根据不同的教学内容进行合理的增加和完善。图1给出了可视化辅助教学平台的主界面，通过主界面可以直接连接各子界面进行对应的教学演示。以下对其中的几个典型模块的设计过程和结果进行举例说明，以体现系统的设计思路和特点。

2.1 简谐振动和机械波可视化辅助教学模块的设计

在简谐振动的教学中，简谐振动的3个特征量：振幅、周期、初相位是教学重点，可以结合三角函数的图形来理解。学生在理解相位的时候比较抽象，如果结合人机交互界面进行图形演示和动画设计，则可以取得较好的教学效果。

2.1.1 简谐振动的图像演示及合成教学设计

如图2所示，设计了简谐振动的图像演示和振动的合成图像的演示界面，通过该界面，可以对任意相位、振幅、频率的振动图像进行演示，并且可以对同一条直线上两个简谐振动的合成情况进行描述。

2.1.2 简谐波的动画演示和简谐波的叠加演示（动画）

如图3所示，演示了两列不同振幅、不同频率、相同初相位的简谐波的相遇时的叠加情况。通过演示，可以很清楚地看到机械波的叠加和独立传播现象。

2.2 带电粒子在匀强磁场中运动的图像及动画演示

带电粒子在匀强磁场中的运动是高中物理中的一个难点，也是学生难以掌握的一个部分。通过设计制作基于Matlab GUI的动画界面，可以使学生对带电粒子在匀强磁场中的圆周运动的认识更加深刻。通过人机交互界面，可以将带电粒子在匀强磁场中运动的各种情况进行演示，并进行直观的比较。该文设计的程序所做出的带电粒子在匀强磁场中的运动图像，具体见图6、图7所示。

通过该文所设计Matlab GUI程序，能非常方便地演示如下现象。

（1）同种粒子在不同入射角情况下的圆周运动轨迹（见图4a）。

（2）同种粒子在不同入射速度下的圆周运动半径和轨迹：通过改变入射速度改变运动轨迹和运动半徑。

（3）不同带电粒子的圆周运动轨迹：通过改变荷质比来实现不同带电粒子的运动轨迹。

（4）磁感应强度大小对运动的影响（见图4b），在界面上可以通过调节对话框中磁感强度B的大小来实现。

需要说明的是，在该程序中，磁场大小和范围可以自己设定，该例中只列出了上半平面为匀强磁场垂直于纸面向外的情况。

2.3 磁聚焦现象的图像演示模块的设计

磁聚焦是带电粒子在匀强磁场中的一种非常重要的物理现象，磁聚焦在许多电真空系统（如电子显微镜）中得到广泛应用。在高中物理的框架中，如果仅仅通过理论推导，学生很难把抽象的公式和直观的图像联系起来，不能够理解磁聚焦的具体内涵。通过Matlab图像辅助，可以得学生理解并掌握这一较难理解的物理现象[7-8]。

磁聚焦的理论分析：一束质量为m，带电量为q的粒子在同一点以很小的发散角θ进入沿着Z方向的匀强磁场B中，其横向速度大小υr，轴向速度为υz。设磁场轴向路径长度为L，则有：该粒子在磁场完成一周的运动，其周期为，半径为，若粒子恰好能够在磁场端点会聚，则要满足条件;若在轴向能会聚n次，也就是具有n个焦点，则要满足条件具体如下。

结合以上理论分析，采用Matlab进行编程，结合Matlab GUI界面，可以很方便地控制输入聚焦次数和带电粒子速度发散角，从而观察磁聚焦的情况。通过设置“旋转图像”按钮，可以从不同角度观察磁聚焦的过程中，带电粒子的运动情况。

通过以上的理论分析和图像演示，可以非常生动地向学生展示磁聚焦的过程。同时，可以引导学生进行思考：如磁场是非均匀的，那么是否可以实现磁聚焦呢？如果入射速度发散角度很大，是否可以有条件实现磁聚焦呢？通过这些问题的提出，可以激发学生进一步探究的热情。

从以上实例可以看出Matlab在高中物理力学和电磁学中的典型应用。其实，在其他物理学分支模块，如光学、原子物理以及热学、近代物理方面，Matlab均可以表现出强大的教学辅助功能，该文也对此进行了设计研究，在此并为列出示例。

3  结语

通过利用Matlab GUI编程，设计并实现了用于高中物理各模块的可视化教学程序，使得传统的图像界面具有了人机交互功能，能够为中学物理课堂带来更多的生动体验。该方法可以向热学、光学等其他高中物理的章节进行拓展，可以覆盖高中物理所有教学模块。这套系统的设计开发和应用对于提高学生的学习兴趣和应用数学解决物理问题的能力具有辅助作用，同时，对于培养学生的物理核心素养具有重要意义。

参考文献

[1] 张芳芳，姚斌.Matlab在中学物理教学中的应用探讨[J].物理之友，2017，33（3）：13-15.

[2] 陈林杰.Matlab在中学物理教学中的应用[D].福建师范大学，2015.

[3] 肖展望.例析Matlab在中学物理教学中的实时应用[J].湖南中学物理，2017，32（9）：21-24.

[4] 张光斌，王冰雪.基于Matlab GUI的物理演示实验设计[J].物理通报，2017（7）：99-102.

[5] 徐超凡，王林.Matlab仿真电磁振荡实验在教学中的应用[J].物理教学探讨，2018，36（8）：46-49，52.

[6] 杨阔，郭娟，雷晓蔚.大学物理可视化仿真实验系统设计与实现[J].实验室研究与探索，2019，38（2）：81-84，94.

[7] 袁晓鹤.带电粒子在匀强磁场中运动的磁聚焦问题归类分析[J].物理教学，2018，40（8）：31-34，36.

[8] 程琳，翟立朋.基于Matlab电磁聚焦的动力学仿真[J].物理实验，2019，39（3）：15-19.