物理学中的动画教学探索

□杨远航 孙国航 段敬文 张 丽 张 勇

随着计算机技术的发展，计算机动画技术辅助教学也走入人们的视野。目前，在课堂上使用动画进行物理过程的演示，以及进行理想状况下的推论，不断地走向高校日常的教学课堂。国内的动画行业以及使用动画进行教学仍处在起步阶段，进行基于MATLAB的动画研究极为重要，所以本文基于MATLAB对物理教学中动画进行改进，在增强可视化的前提下，做出更符合课堂使用的动画。

一、MATLAB介绍

(一)背景介绍。多媒体教学，相比于传统的“粉笔黑板”式教学，有着非常多方面的优越性。但是，多媒体教学在以“PowerPoint”软件为基础制作电子教案的过程中，有一些物理学中的运动和结果无法用“PowerPoint”软件表达，特别是图像，即使能够勉强表达，也缺少了点意思和精髓。对于动画，“PowerPoint”就无能为力了，在很长的一段时间里电子课件里的动画一直用Flash作为代替，并未有一个全新的、方便的、简洁的软件出现。

(二)MATLAB介绍。自1984年，商业数学软件MATLAB由美国MathWorks公司推出并进入市场，经过30多年的不断发展、完善，MATLAB现在已发展成为集数值计算、符号计算、可视化功能以及诸多的工具箱为一体的大型科学计算软件，MATLAB以它的功能强大、界面简洁、操作简单使它成为大多数发达国家的科研人员，各技术部门，乃至各大学生、研究生热衷的工具软件。

二、MATLAB模拟动画在物理教学中的应用

(一)声速测量。声速的测量是大学物理实验中重要的部分，通常学生通过信号发生器和示波器，进行李萨如图形的观察。但在教学过程中不难发现，学生们对于理论部分在原始的板书、讲解的情况下，很难建立一个清晰的概念，故本文利用MATLAB进行模拟李萨如图，既能学习数值计算方法研究，又可直观观察变化的连续动画。

1.驻波法测声速。由波动理论可知，波速与波长、频率有如下关系：v=f λ，只要知道频率和波长就可以求出波速。图1是超声波测声速实验装置图。

由超声波发射器产生的一定频率的超声波通过超声波发生头发射而出，经过在空气中一定距离的传播到达超声波接收头，此时如果距离为半波长的整数倍，即发射面与接收面之间的距离L为λ/2的整数倍时，且发射面与接收面垂直，那么空气中就会形成稳定的驻波共振现象。

图1 声速测量仪图

在大学物理实验的理论教学中测量声波的特性在观察驻波时很难调整到合适的频率，由于操作的原因，以及受教学设备的限制影响，学生在实验过程中很难观察到驻波，更不要说理解其机制。

而MATLAB可以清楚明了地向学生展示驻波，并生成动画，直观展现驻波发生机理。以下是MATLAB创建的模拟驻波的程序。

clear all;

xm=5;

x=0:0.01:xm;

u1=0.1*cos((2*pi)*x+pi/4);

u2=u1;

% u2=0.4*cos((pi/4)*x+(pi/6));

u=u1+u2;

figure

h=plot(x,u,' r' ,' LineWidth' ,2);

axis([0,5,-0.4,0.4]) ;

grid on

%加网格

fs=16; %字体大小

% xlabel(' itx/lambda' ,' FontSize' ,fs) %x标签

% ylabel(' itu/A' ,' FontSize' ,fs) %y标签

% title(' 驻波的形成' ,' FontSize' ,fs) %标题

hold on;

h1=plot(x,u1,' b' ,' LineWidth' ,2) %右行波句柄

h2=plot(x,u2,' k' ,' LineWidth' ,2) %左行波句

while 1

u1=[u1(end),u1(1:end-1)]; %倒数第二个元素移到第一个

u2=[u2(2:end),u2(1)]; %第二个元素移到最后一个

u=u1+u2; %合成波

set(h1,' YData' ,u1) %设置左行波的位移

set(h2,' YData' ,u2) %设置右行波的位移

set(h,' YData' ,u) %设置合成波的位移

[um,i]=max(u1); %求右行波的最大值和下标

% set(ht1,' Position' ,[x(i),um+0.1]) %设置右箭头的位置

[um,i]=max(u2); %求左行波的最大值和下标

% set(ht2,' Position' ,[x(i),um+0.2]) %设置左箭头的位置

drawnow %更新屏幕

pause(0.1) %延时

end

图2 驻波模拟图(不同的值下的驻波曲线)

其实不难看出，对于学生而言，MATLAB具有的动画以及模拟，可以进一步提升物理数据的可视化，使得抽象问题更加形象化。基于MATLAB的物理学中的动画教学，不仅可以提高教学效率，让学生对物理现象轻松理解，还可以激发学生的想象力，加深学生对物理规律的理解。

而对于教师而言，以MATLAB作为教学工具，对物理现象进行模拟，不仅能为学生带来直观上的体验，MATLAB具有丰富的、简洁的库函数,还使得使用它的编程人员或教师们从其他计算机语言的繁纷杂琐的底层编辑中解放出来，让技术人员有更多时间和精力去关注科学问题背后的原因。MATLAB的优点就是简洁、直观。

三、基于MATLAB的动画教学优点

(一)动画教学有利于复杂运算与逻辑的推理。物理教学是越发深入的东西,越到后来,越是抽象,也许学生能死记硬背强硬记住一大堆公式、术语,却缺少了科研本身的探索,通过日复一日的学习，学生们可以进行计算推导，但本身却缺少灵活，而基于MATLAB的动画演示可以进行观察实验现象和理论数据的推导。在声学实验、力学试验、电磁学实验、光学实验、机械振动中，组织动画演示实验课件，MATLAB都取得了一定的成果。

(二)动画教学有利于学生对复杂计算以及复杂物理过程进行理解。MATLAB可以进行动态模拟，清晰直观的为学生展现出,宏观、微观上的变化方式，种类多样，丰富充足，使学生形成对知识感性、鲜明的记忆，然后不断上升为理论知识奠定学生的基础。比如物理中的抛物运动，核外电子的运动。使用MATLAB进行动画教学，极大地增强了学生对知识理解的速度和深度，不断地让学生的基础更加扎实、厚重。

(三)动画教学有利于培养学生求知兴趣、动手能力。动画教学对学生有着极为正向的促进作用，使学生主动去学习。动画教学擅长完成一些教学器材不足实验条件差的物理实验，农村中学实验教学中的不足将被弥补，动画可以清晰明了地展示物理过程，甚至达到现实实验的精确，还达到了事半功倍的效果。

总而言之，动画教学改变了学生的学习方式，促进自主的探究式学习。也激发出新的教学理念，对教师教学进行促进。

四、结语

在教学过程中插入MATLAB做出的一些图像和动画,进行电子教案的编写,可以进行原理的再现，很大程度上便利了学生和教师。为学者提供了新的学习途径，将网络学习障碍减到最小，减轻学习过程多余的认知负载，提高学习效率与质量。通过MATLAB进行编程与在网上搜集相关资料，进行一个对物理现象的演示软件，让学生能够充分认识到物理实验的魅力，MATLAB软件具有强大的数值计算、绘制立体图形以及动态演示等功能，将MATLAB软件运用到物理实验的教学中，能有效地增强学生的空间立体感，使其直观。在做好物理教学之后，可以涉及化学和更好层次的物理的教学软件，做大做强。