基于Matlab的物理实验系统设计与实现

纪婷婷　王芙蓉　汤全武

摘要：以Matlab为主要开发技术，在Authorware平台下统筹Flash和Matlab软件，根据新课程标准要求设计了中学物理实验室系统。该系统能帮助学生理解和掌握抽象的物理概念，激发学习兴趣，提高教学效率与教学质量。

关键词：Matlab；Flash；Authorware；物理实验教学

DOIDOI：10.11907/rjdk.151135

中图分类号：TP319

文献标识码：A 文章编号：16727800（2015）006009703

基金项目基金项目：宁夏教育厅大学生创业计划项目（12CHY01）

作者简介作者简介：纪婷婷（1990—），女，河南濮阳人，宁夏大学教育学院硕士研究生，研究方向为数字媒体应用；王芙蓉（1989—），女，甘肃陇南人，宁夏大学教育学院硕士研究生，研究方向为数字媒体应用；汤全武（1965—），男，宁夏银川人，宁夏大学物理电气信息学院副教授、硕士生导师，研究方向为教育资源开发与应用、数字媒体应用。

0 引言

Matlab在图形虚拟和数据处理方面有着独特的优势，能有效帮助学生理解和学习物理规律[1]。Matlab在大学物理中应用广泛，近些年，在中学物理教学中也进行了探索和实践。朱云、孟宪松[2]利用Matlab处理实验数据，在用伏安法测定电源电动势和内阻的关系中，记录电压表和电流的示数，通过使用Matlab绘图得出电压和电流的图线，动态演示物体平抛与斜抛运动的图线等。周小奋[3]用实例介绍了Matlab在电场作图和求解极值问题中的应用，利用Matlab画出共线点电荷系统的电场线分布以及两个正点电荷周围的电场线分布。魏义永[4]在课堂上举例阐述应用Matlab编程模拟光的双缝干涉、单缝衍射和光栅衍射的实验现象，提高学生学习光学的兴趣，教学效果明显。朱国强[5]在课堂教学中使用Matlab动态演示异号电荷等势面和电场线的形状。Matlab帮助学生理解物理现象作用是明显的。但是使用Matlab制作物理课例需要耗费很多时间，由于很多一线教师的时间和精力有限，他们并不能系统地学习和使用Matlab。因此，制作出基于Matlab的中学物理实验室系统很有必要。

1 系统总体设计

1.1 系统功能结构

中学物理实验室系统主要由产品介绍、初中物理实验室、高中物理实验室、练习题库和趣味模块5个部分组成。其中，初中物理实验室和高中物理实验室结合中学物理教学实际需求，实验内容涵盖教材各章节和知识点，是教材的同步实验室，并且结果表现形式丰富。同时，初中物理实验室和高中物理实验室提供基于Matlab设计的学生用计算器。练习题库由高中数学题库和初中数学题库两部分组成，均按教材分类，包括章节的检测题、综合检测题、升学考试题、中期模拟卷、期末模拟卷等。趣味模块提供有益智开发大脑的小游戏，让学生在学习过程中劳逸结合，减少枯燥感。系统功能结构如图1所示。

1.2 系统技术路线

①开发平台为Matlab R2008a、Flash、Authorware、Microsoft Windows 7；②开发语言为Matlab；③使用Authorware作为第三方软件平台统筹Matlab和Flash，使之形成一个系统。采用流行的B/S体系架构；④使用Photoshop以及Flash进行页面优化；⑤考虑系统的针对性、易用性。系统技术路线如图2所示。

1.3 系统运行环境

系统操作环境：Microsoft Windows XP、Microsoft Windows 7、Microsoft Windows 8。Matlab软件版本包括 Matlab R2008a、Matlab R2008b、Matlab R2009a、MatlabR2009b等，后续升级软件可直接运行中学物理实验室系统的 exe 程序；如果操作系统为Windows32位系统，则版本为 MCR_R2012a_win32；如果操作系统为Windows64位系统，则版本为MCR_R2012a_win64；如果电脑中未安装Flash软件和Authorware软件，则需要进行安装。

2 系统设计与实现

2.1 系统设计思路

由于本系统是通过Matlab软件、Flash软件开发，再通过Authorware兼容平台统筹Matlab和Flash，使之形成一个系统的应用软件。因此，首先使用Matlab语言及其携带的GUI工具，建立良好的人机交互界面，完成部分物理实验室设计，包括初中物理和高中物理模块实现；其次将经过调试的物理实验室利用Matlab自带的Compiler工具，转换为可独立运行的.exe文件，并对转化的.exe文件进行调试；然后使用Flash软件完成部分物理实验的设计、开发和实现；最后使用Authorware平台统筹整体界面设计、开发和实现，具体包括产品介绍、初中物理、高中物理、练习题库和趣味模块。设计路线框架如图3所示。

2.2 系统仿真实现

2.2.1 Matlab制作实验

中学物理实验室的核心模块采用Matlab可视化图形用户界面设计方法。Matlab设计GUI程序的前台界面有全命令行的M文件编程和GUIDE辅助的图形界面设计两种方式[6]。GUIDE即Maltab提供的GUI程序的集成化设计和开发环境，是一种可视化的图形用户界面设计方法[7]。由于中学物理实验室是教材的同步实验室，其设计与实现根据教材逐一进行。

为了实现Matlab部分功能，需要为系统界面中各控件编写相应的回调函数，以完成系统的功能和目标。回调函数的编写包括各个实验的功能界面、游戏界面等。

采用Matlab Compiler工具实现Matlab/GUI转化成.exe文件，屏蔽Matlab生成.exe文件时出现黑屏问题的方法是通过对compopts.bat添加程序代码。

2.2.2 Flash制作实验

Flash是一款交互式矢量多媒体技术动画软件。它不仅可以通过文字、图片、视频、声音等手段综合展现动画内容，还可以通过强大的脚本语言（Action Script）制件交互动画，其以操作简单、功能强大、易学易用、浏览速度快等特点受到广大动画设计人员的喜爱，在网页动画制作和多媒体课件制作方面有较强优势[8]。Flash软件可以实现多种动画特效，是表现动态过程、阐明抽象原理的一种重要媒体。使用动画设计，有助于学科知识的表达和传播，加深对知识的理解，提高学习兴趣和教学效率，对以抽象教学内容为主的课程应用效果很好[9]。

2.2.3 系统平台制作

Authorware软件采用面向对象的设计思想，采用图标、流线等多媒体开发工具，主要承担多媒体素材的组织任务，能够同多种开发工具兼容，共同实现多媒体功能[10]。Authorware对编程要求较低，不具有编程能力的人员也能创作出一些高水平的多媒体课件。

将Matlab转换成的.exe文件和Flash生成的.exe文件置于第三方平台Authorware软件中，利用Authoeware编辑，统一界面风格，整体打包形成新的.exe文件，即设计出中学物理实验室系统。

3 系统展示

3.1 系统整体界面展示

双击桌面上的“中学物理实验室”图标后，进入系统主界面。整个系统由系统名称和菜单栏组成。菜单栏由“产品介绍”、“初中物理”、“高中物理”、“练习题库”、“趣味模块”等要素构成，整个版面清新明亮、简单美观。

在系统主界面中单击“产品介绍”图标，会弹出系统介绍页面，该页面用简洁的语言介绍了软件主要特点。在系统菜单栏点击“初中物理”图标，会弹出初中物理页面。初中物理涵盖了人教版八年级、九年级的所有实验。在系统的菜单栏点击“高中物理”图标，会弹出高中物理页面。高中物理模块收纳了必修一、必修二、选修3-1、3-2、3-3、3-4的大部分实验。

在系统的菜单栏点击“练习题库”图标，系统就进入练习题库页面。练习题库分为初中物理练习题库和高中物理练习题库；在系统的菜单栏点击“趣味模块”图标时，系统即进入休闲娱乐时刻；当学习完毕点击菜单栏的“退出学习”图标，系统即自动关闭。

3.2 系统实验室展示

中学物理实验室系统由初中物理和高中物理2个模块组成，各模块均包括相应教材的同步实验室模块，实验内容涵盖教材各章节和知识点。下面以高中物理实验室为例，进行实验室功能演示。

在高中物理实验室界面中有带电粒子在电场中的运动、带电粒子在磁场中的运动、欧姆定律、点电荷形成的电场等实验。

（1）带电粒子在电场中的运动。在高中物理实验室的主界面中，用鼠标点击“选修3-1”进入选修3-1实验室的主界面。在该界面用鼠标点击“带电粒子在电场中的运动”，在弹出的界面中点击“演示”按钮，得到的结果如图4（a）和图4（b）所示。

（2）带电粒子在磁场中的运动。在选修3-1主界面中，用鼠标点击“带电粒子在磁场中的运动”，在弹出的界面中点击“演示”按钮，在弹出的界面中分别输入“带电粒子射入磁场的角度”，点击“Start”按钮，绘制出如图5（a）所示的运动轨迹，点击菜单栏的旋转按钮，实现如图5（b）所示的旋转效果。

4 结语

本文采用Matlab开发了一个通用性强、简单易用的中学物理实验室系统，该系统充分利用Matlab的数值计算能力和数据可视化能力以及强大的绘图功能，实现了物理现象和物理过程的形象化和可视化，有利于开拓学生视野，激发学习兴趣，改善了传统教学方式单一性缺陷，促进了多媒体技术在教学中的应用。

参考文献：

[1]王付军.Matlab在中学物理教学和实验中的应用[J].中学物理，2010（9）：2931.

[2]朱 云，孟宪松.MATLAB软件在中学物理中的实际应用[J].中小学电教，2011（1）：101102.

[3]周小奋.Matlab在中学物理教学中的应用初探[J].物理通报，2011（10）：6871.

[4]魏义永.例析Matlab软件融入光学教学课堂[J].合肥师范学院学报，2011（3）：3941.

[5]朱国强.MATLAB软件在物理教学中的应用[J].物理通报，2014（4）：812.

[6]史崇升，汤全武，吴 佳，等.基于Matlab和B/S的中学数学实验室系统[J].微型机与应用，2014（14）：1416.

[7]陈垚光，毛涛涛，王正林.精通MATLAB GUI设计[M].北京：电子工业出版社，2011.

[8]韩文虹.物理虚拟实验室的设计与实现[D].郑州：郑州大学，2010.

[9]缪亮，贾朝蓉.Flash MX 2004课件制作百例[M].北京：清华大学出版社，2004.

[10]冯瑛.浅析Authorware多媒体课件制作的技巧[J].信息通信，2013（6）：132133.

责任编辑（责任编辑：杜能钢）