Matlab软件在大学物理课程教学中的辅助应用

董成伟

［摘           要］  随着计算机技术的飞速发展与行业需求的驱动，大学物理课程的教学要求不断提高，传统的课程教学模式已然无法满足其相关要求。教育工作者需改进教学理念，改革教学方法，适当引入Matlab等信息技术软件，以提升教学水平。简述Matlab软件的概念，探究其运用于大学物理课程教学中的必要性与可行性，并分析其在大学物理课程教学中的辅助应用，以期为更多的教育工作者提供参考。

［关    键   词］  Matlab软件；大学物理；辅助应用

［中图分类号］  G642                    ［文献标志码］  A                  ［文章编号］  2096-0603（2023）19-0057-04

大学物理课程是理工科、医学与农学专业的基础课程，知识比较抽象，内容覆盖范围广泛。学生在学习大学物理课程时需具备扎实的数学基础，如果没有掌握足够的数学知识，学生是难以学好物理课程的。通常本科院校的物理课程在第一学年开设。在学习大学物理课程的初期，学生处理物理问题时常借助数学工具，例如极限、积分等，其为学生处理物理问题提供一定便利的同时，也要求学生具备一定的数学素养[1]。大学物理知识具有较强的逻辑关联性，该课程可有效锻炼学生的思维方式，教师可借助一些信息技术软件来辅助学习，帮助学生克服数学方面的学习障碍，并将抽象的物理问题变得更形象，使学生能够把握住物理本质，从而为学生学习大学物理课程提供一定的助力[2]。当前常见的信息技术软件包括Matlab、Maple、Excel等。在这些信息技术软件中，Matlab常被用于大学物理课程的教学过程中，该软件有着相对健全的数学函数，易学，具有独特的应用优势[3-4]。

一、Matlab软件的基本概述

Matlab是指矩阵实验室，Matlab软件是一种商业数学软件。随着互联网的普及与信息技术的飞速发展，Matlab软件的应用范围日益拓展[5-6]。现如今，该软件的身影逐渐出现在教育行业中，作为一种教学工具来使用，得到了许多教育工作者的重视。该软件由MathWorks公司研发而成，随着MathWorks公司不断进行改进与完善，该软件的功能越发强大。该软件主要涵盖Simulink与Matlab这两部分，通过该软件，人们可使用算法开发、数据分析等功能[7-8]。设计研究单位与工业部门时常研究并使用Matlab，该软件可使编程人员暂时脱离繁杂的程序代码，在一定程度上减轻编程人员的工作量，为其工作提供便利[9-10]。

二、在大学物理课程教学中引入Matlab的必要性与可行性

当学生步入大学校园，其学习已然迈入了新的阶段。对学生而言，大学物理与初高中物理有着极大的区别。大学物理关系到力学、热学、电磁学、光学、近代物理等，教师在开展大学物理教学时，不仅要教授物理知识，还要培养学生的实操能力与创新意识，指导学生严格按照步骤开展相关实验，让学生养成并保持严谨、认真的学术研究习惯[11]。当学生学习大学物理时，其学习特点大致可概括为以下两个方面：一是研究对象运动状况变化更为一般化。二是重视探究物理的本质，要求学生可定量或是定性分析形成某种物理现象的原因。比起高中物理，学生在学习大学物理时会感觉其概念更为抽象，在学习过程中需要具备一定的学习能力与想象力，能够进行逻辑分析，具有空间思维[12-13]。在开展大学物理教学时，怎样培养学生的空間思维能力与逻辑分析能力是教师重要的教学任务，同时空间思维能力与逻辑分析能力也是学生在学习大学物理时面临的两大难题。作为科学研究的关键手段，科学计算模拟能够在大学物理教学过程中充分发挥出计算机的透视，可为学生学习大学物理提供一定的便利。理工科院校的大学生需要具备运用计算机语言编写程序代码以完成专业知识学习的能力。因此，教师在大学物理课程教学中引入Matlab十分重要，可充分发挥其图像与符号计算的优势，帮助学生解决学习过程中所遇到的困难[14-15]。

随着我国教育行业改革进程的不断加快，计算机辅助教学越发普及，将该教学手段引入物理课程教学中，可帮助学生摆脱枯燥乏味的课本，促使学生改进学习方法，提高学习效率。将Matlab引入物理课程教学中，师生可使用该软件的数值计算、数值模拟等多项功能，使原本抽象的物理现象变得可视化。教师不仅可通过该软件激发学生的学习热情，还可借助该软件引导学生将所学知识运用于实际中，提高学生的知识应用能力。Matlab软件的编程语言学习难度较低，且有许多已被编好的程序块，能够直接进行调用，可求解方程的解析解，若问题不存在解析解，利用给定初值或是边界条件，一样能够得到数值解。教师可按照知识点的不同寻找与之相对应的应用模型，借助Matlab软件的数值模拟系统可通过更为直观的形式向学生展现物理规律，将难懂的直接讲述转变成具有一定趣味性的直观感受，激发学生的学习热情。与此同时，针对许多没有解析解的非线性物理模型，教师可带领学生利用辅助工具进行求解数值解，并可对系统的发展趋势进行预测，提升学生的学习效率。

三、Matlab软件在大学物理课程教学中的辅助应用

（一）能够处理数学问题

大学物理课程中含有许多物理公式，学生学习这些关系式与推导过程具有一定难度。Matlab软件中所包含的符号计算是借助符号数学工具箱来实现的，能够应用相关函数进行绝大多数的符号运算，因此学生在运用Matlab软件时能够通过符号计算处理解决物理问题，帮助学生摆脱烦琐的数学计算，更好地处理数学问题。在学习质点的运动及其运动规律章节时，一些学生对于位移、速度与加速度间关系的理解仍然处于高中阶段，在分析探究质点运动问题时，会不自觉地使用高中学习过的知识及方法，其学习思维没有变化，对数学知识的运用不够灵活，这导致学生在后续的学习过程中感到吃力，感觉物理课程的学习难度不断加大，从而慢慢失去学习兴趣。该章节中所涵盖的数学知识基本为极限、求导等，学生在学习该章节时如果能够精准把握章节内容的数学与物理间的关系，可在一定程度上提升其学习效率。

教师在教授质点的运动及其运动规律章节时，可在教学过程中合理应用Matlab软件。在质点运动中，极限的运用基本展示在瞬时、平均二者间的关系方面，学生在求瞬时速度时，便是求取平均速度的时间的极限，用物理学科的视野看待该问题，关键点在于时间段与时间点二者间的变化。教师在教授该课程时，运用Matlab软件取一个函数的极限可直接调动limit（r，t，0）形式，r为位置矢量函数，t为时间参量，0为让时间变量t无限接近于零。在大学物理中，运用导数基本展现在考察两变量间的相对关系上。学生学习该知识点时常常碰到以下两方面的问题：其一，未能熟练掌握导数的基本公式，在运用的过程中无法准确识别应当使用什么公式。其二，学生可能难以理解矢量的求导。为了帮助学生深入了解矢量的求导，教师在教授该部分内容时可通过极限的形式来表示导数。在教授大学物理课程的过程中，教师还要积极教授学生掌握并运用Matlab软件，鼓励学生运用Matlab软件自行解决数学问题[16]。

（二）物理問题的图形处理

Matlab软件不仅可以直接调用函数，还可以用图形展示出这些函数[17-18]。以电磁学章节为例，教师在教授该章节的电场与电势的分布这一部分内容时，学生仅仅借助点电荷的电势公式与电场强度难以看出其具体的分布情况，也难以把握电场强度与电势间的关系。此时，教师可借助Matlab软件来解决该问题[19]。在开展物理实验时，许多学生觉得描绘多个点电荷的电场线有较大的难度，借助辅助计算可有效连接理论与实验，引导学生深入思考相关的物理问题。

教师在教授光学的相关内容时，光波的叠加与干涉均是借助数学计算，而后分析相对应的物理量，进而探究光波的性质。这时学生很容易感到困惑，教师可通过Matlab软件来展开光波的性质研究。通过mesh来对相干波画图，从而直接了解空间各处的光矢量具体振动情况，清晰显示其亮条纹与暗条纹的位置[20]。教师采用Matlab软件来表示相干波时，无须开展复杂计算，可有效节约其时间与精力，有利于提升课堂教学效率，同时学生还能够利用修改频率、波长等参量来探索研究不同情况下波的图样。教师在大学物理课程教学中应用Matlab软件，能够借助该软件物理问题图形处理的优点减少计算。此种借助Matlab软件图形处理的优势来研究物理问题的方式，能够极大限度克服物理问题抽象化对学生造成的困难，有助于锻炼学生的创新能力与思维能力。

一些物理规律如果仅仅通过公式的形式来表达，学生很难形成感观认知，但以图像形式对物理规律进行直观展示，可提升学生的学习效率。学生在学习物理课程时，常常因为想象力不足难以理解一些物理现象与物理过程，而Matlab软件能够提供多类动画功能函数，借助动画技术来使物理过程变得动态化，方便学生理解，有助于提升学生的学习效率。Matlab软件含有良好的图形表达式功能，适合作物理课程的教学工具。借助图形用户界面上的GUI，Matlab软件的使用者便可通过一些难度较低的编程把一些物理现象及物理规律转变成可视化图形，甚至可能让学生想象出动态物理图像。例如，当学生学习力学和热学现象时会学习到布朗运动。该运动是悬浮于流体内的微粒因粒子和流体分子的相互碰撞而出现的随机运动。该运动不会停息，且剧烈程度同温度具有相关性，十分抽象，所以学生在学习此内容时很难想象该运动的表现。若教师在课程教学中使用Matlab软件，可将该运动进行可视化，直接向学生展现模拟效果图。除了布朗运动外，教师在教授阻尼振动、简谐振动等物理知识时，也可以通过Matlab软件进行可视化，同样能够取得良好的教学效果。有时大学物理教师开展课程教学会带领学生进行物理实验，而非简单教授物理知识。优秀的物理学人才应当同时具备足够的专业知识水平、实践操作能力及知识应用能力。在进行物理实验时，实验人员一般会通过作图法、列表法等手工处理方法来处理数据，过程烦琐、枯燥，实验人员需要耗费大量的时间与精力，效率难以提升。有时实验人员会借助最小二乘法来进行数理统计，此方法的可靠性与合理性要高于图解法，但该方法的使用过程较为复杂，需面对很大的计算量，学生难以顺利开展。所以，大学物理教师以Matlab软件为教学工具来开展实验教学，既可让学生在短时间内学会使用方法，又可有效弥补最小二乘法的弊端，快速处理实验数据，精准拟合出实验曲线，完成数据可视化。例如，当大学物理教师带领学生开展电阻相关实验，绘制伏安特性曲线时，可通过Matlab软件来完成曲线拟合，计算出精确的误差平方和，直接得出计算误差、电阻值及伏安特性曲线。在绘制伏安特性曲线的过程中，教师可指导学生进行多次拟合，次数越多，其所得曲线的精准度便越高。

四、Matlab软件运用于大学物理课程教学中应注意的事项

Matlab软件虽然在大学物理课程教学中具有十分明显的应用优势，但教师需重视其局限性，在开展课程教学时不可过分依赖该软件。教师应当精准区分物理问题与编程语言间的联系与区别，合理应用Matlab软件。在借助Matlab软件处理相关物理问题时，教师需注意以下几点事项：其一，需明确Matlab语言同物理问题间的对立关系。若是学生不能精准利用Matlab语言来表达物理问题，其所得的结果也会出现偏差。对于抽象的物理问题，在使用Matlab语言进行描述时必须把握其问题本质，再进行推敲验证，以保证所得结果的精确性。其二，解决物理问题时不能过度依赖Matlab软件。若是过度依赖，会限制学生的思维，不利于学生提升分析与解决问题的能力。其三，处理问题时需考量Matlab软件的局限性。比如，借助Matlab软件来表示物理问题时是以点或是数的形式，但使用者不可取完全部的点，故而存在精准度的问题。

在高校中，Matlab常被用于计算机等专业的课程教学过程中，一些基础课程教师对Matlab软件的认知度不足，尚未了解其实际用途，也暂未掌握其具体用法，故而不能将实践教学同Matlab软件的运用进行有效结合。同时，教师指导学生通过Matlab软件来解决学习过程中遇到的问题，需学生不断提高自身的Matlab软件运用能力。教师在教授大学物理课程时将Matlab软件作为一种教学手段，可为学生的学习提供一定的便利。然而，多数理工院校的基础课程教学内容中很少通过科学计算来解决实际问题，这不利于培养学生的Matlab软件操作技能，需加以改进。高校是培养高质量人才的专业场所，培养学生科学计算的能力是其重要的教学目标，故而在教学内容中融入一种或是多种计算语言具有重要意义。若是具备充足的教学条件，高校还可针对怎样培养并提升学生的科学计算能力建立一个专业的组织，制订完善、可行的培养方案，在教学计划中把科学计算语言的相关课程纳入必修课体系中。

将Matlab软件应用于大学物理课程教学中具有十分重要的现实意义，可满足教师的教学需求，提升学生的知识理解与应用能力，进一步激发学生的创新思维，让学生充分发挥其学习主体的作用。在应用过程中，教师还要帮助学生掌握Matlab软件的相关知识，指导学生如何应用Matlab软件。少数教师可能认为只要将相关知识点讲授一遍，就能够满足学生基本的应用需求便可，这种想法太过片面。教师在带领学生学习Matlab软件时，不仅要讲授相关知识，还需依靠相关教材的练习题与例题让学生开展实践操作练习，帮助学生掌握理论知识与操作流程，同时有利于锻炼学生分析并解决复杂问题的能力。在指导学生应用Matlab软件时，教师可根据该软件的不同功能板块进行讲解。同一功能板块的知识点具有一定的关联性，按照板块内容来制订教学计划能够帮助学生更好地理解，有利于提升其学習效率。

五、结束语

现如今，我国的本科教育改革进程不断加快，教育工作者需始终坚持立德树人的教育目标，改进自身的教学方式，在教学过程中合理采用信息技术软件作为教学工具，如此方可切实提升教学效果。物理学是自然科学与工程技术科学的连接纽带，大学物理是航空航天类、人工智能类、智能科学与技术类等新工科专业的基础。对于工科类的大学生而言，物理课程是其必修课，学好物理课程具有重要意义。在大学物理课程中，数学处理较为复杂，学习难度相对较大，学生在学习过程中很容易感到困惑与枯燥，难以提起学习兴趣。若是教师能够对物理图像进行可视化展示，以更为直观的方式让学生了解、认识数学公式，可有效缩短理论同实际之间的差距，加快学生的认知过程，有助于提高教学质量。一直以来，大学物理课程教学采用单一的教师教授方式，已然难以满足当代教学要求。随着信息技术水平的不断提升与行业需求的内在驱动，大学物理教师应顺应教育行业发展趋势，探索恰当的教学改革路径，转变以往的课程教学方式，以期提升自身教学水平。Matlab软件有着良好的计算、作图等功能，教师应开展课程改革，调整并优化教学内容与教学手段等，在教学过程中合理应用Matlab等软件，以提高教学质量，指导学生更好地学习大学物理课程。

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◎编辑 栗国花