中学电学实验的Simulink设计与优化

沈静聪

关键词：中学物理：实验设计：Simulink仿真：教育技术

中学科学的物理部分在整个科学理论课程体系中起着重要的基础性作用，它包含物理学的基本概念和物理实验的基本操作方法。作为一门强调理论与实践相结合的白然科学，中学物理的教学模式更应该关注教学过程中的互动与实践。但在实际教学过程中，一些原理复杂的物理问题和实验现象，很难通过普通实验器材形象生动地进行演示，从而引起学生理解更加困难、教师教学更难开展等问题。另外，部分学校存在物理实验设备老旧、原材料不足、实验员缺乏等问题，直接或间接地增大了实验误差，减弱了实验现象，降低了实验教学效果，甚至有可能导致学生养成不严谨的科学态度，违背了实践教学课程设置的初衷。

1Simulink仿真系统介绍

针对以上问题，可以将计算机仿真技术应用到物理实验教学中。它与传统实验教学模式相结合，成为现代化物理教学的突破口和发展点。目前，物理实验仿真软件有Multisim（电学仿真软件）、MATLAB Simulink、EWB（电子设计平台）、Proteus（电路分析与实物仿真软件）、NoBook（仿真物理教学软件）、PhET（互动仿真实验软件）等。其中，Simulink具备简洁明了的可视化操作界面和庞大的模块库，支持连续或离散型的高精度仿真，拥有极高的仿真计算效率以及与MAT-LAB编程互通极高的可拓展性。

Simulink的模块库按照功能可以划分为Continuous（连续模块）、Discrete（离散模块）、Function&Tables（函数和平台模块）、Math（数学模块）、Nonlinear（非线性模块）、Signals&Svstems（信号和系统模块）、Sinks（接收器模块）和Sources（输入源模块）8大功能模块。其中，Continuous模块如图1所示。

在中学科学的电学实验部分，最常用的实验器材包括干电池组成的电池组、导线、开关、定值电阻、滑动变阻器、电压表、电流表、小灯泡等，相应的模块全部可以在Simulink模块库中找到，如表1所示。

利用Simulink模块可以将实验中的电路图转换为仿真电路图，从而把现实的物理实验环境转换为虚拟的计算机仿真实验环境。当然，这种转换并非一蹴而成，需要进行设计、调试与优化。

2中学电学实验的Simulink仿真设计与优化

下面，我们就以中学电学实验为例，详细说明该实验的Simulink仿真设计与优化过程。中学阶段的电学实验涉及实验器材的使用方法、电路连接、电压测量、电流测量等基础电学实验技能，以此来探究电压与电流之间的关系。该实验的实物电路图如图2所示。

该实验要求学生能正确连接电路，并能够通过改变滑动变阻器的阻值来探究电压与电流之间的关系。然而，现实实验的效果会受到多方因素的影响（如实验器材的精度、电压表和电流表中不可忽略的电阻、操作的规范与否、读数误差等），最终由实验数据得到的U-I关系图很难成为一条“完美”的直线。这需要我们结合Simulink仿真实验对该实验的实验现象或结果进行进一步优化。

根据实物电路图和电学实验器材与Simulink模块对应关系表（表1），可以在Simulink仿真平臺中绘制相应的电路图，将实物电路图（图2）转化为计算机仿真图（图3）。

现实实验需要学生改变滑动变阻器的阻值，来不断记录电压表和电流表的示数，从而绘制电压一电流关系图。而在仿真实验中，只需不断改变可变电阻的阻值，计算机即可实时读取电压表和电流表的值，大大提高了实验的便捷性和可操作性。同时，仿真实验能够解决实物电路中电压表和电流表内电阻无法忽略的问题，避免了系统误差，从而最大程度上得到理想的实验数据。这些仿真实验的优势能够帮助学生提高计算机思维能力和实践创新能力。

现实电路实验中，学生要反复改变滑动变阻器的阻值，记录多组电压与电流的实验数据，才能画出U-I图。这在实际操作时步骤繁多，比较耗时耗力。而通过Simulink仿真电路的优化设计，可以实现以上步骤的自动化处理。优化设计后的仿真电路图如图4所示。

通过设置一个斜坡信号源，将随时间变化的信号值导入到时变电阻中，形成一个随时间自动变化阻值的滑动变阻器（即时变电阻），并将电压表和电流表的读数导出到XY二维图生成器中，点击“运行”后即可实现多组数据的白动记录和图像的自动生成，仿真结果如图5所示。

Simulink仿真充分利用计算机运算准确、快速的特点来提高实验效率，可进一步加深学生对电学实验的理解，提升学生的实践创新能力，培养学生对计算机仿真编程的兴趣。另一方面，仿真实验也从侧面提升了课堂的趣味性和创新性，为改进传统物理实验教学模式，提升教师实验教学效果和学生学习效率提供一种较为新颖且有效的途径。

3总结与展望

文章针对中学电学实验中的“探究电压与电流关系”设计了一个Simulink仿真实验案例，通过引入斜坡信号和时变电阻完成了仿真实验的优化设计，实现了电压与电流关系图的自动化生成，提高了课堂实验教学的趣味性。但由于仿真实验中涉及模拟信号和数字信号的处理与转换，该软件工具可能需要学生有较高的知识储备。在未来的研究中，将持续深入开发中学电学中各类实验的Simulink仿真设计，形成一套完整的中学电学仿真实验教学方案，进一步推进物理实验教学的数字化变革。