肖漢光+宋濤+鄒雪

摘要：“矢量分析與場論”是理工本科專業(yè)的重要基礎(chǔ)課程，該課程的主要特征是抽象、難教和難學(xué)。為此，在教學(xué)過程中利用MatLab進(jìn)行矢量分析的可視化教學(xué)，使課程更加生動(dòng)具體，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，取得了良好的教學(xué)效果，值得推廣。

關(guān)鍵詞：矢量分析;場論;可視化教學(xué);MatLab

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2015）20-0146-02

“矢量分析與場論”課程是理工科（如電子、電氣、信息、自動(dòng)化等專業(yè)）本科生必修的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。該門課程是其他核心課程的前續(xù)課程，如物理場論、電磁場與電磁波、波導(dǎo)理論、電磁兼容、電機(jī)學(xué)等重要專業(yè)課，所以該門課程掌握的好壞直接關(guān)系到核心專業(yè)知識的學(xué)習(xí)。因此，如何教好和學(xué)好這門課程顯得尤為重要。

由于該課程概念抽象、理論性強(qiáng)、數(shù)學(xué)能力要求高，所以教與學(xué)都有較大難度。為此，筆者將MatLab應(yīng)用到該門課程的教學(xué)過程中，使教學(xué)內(nèi)容變得生動(dòng)、具體，使學(xué)生產(chǎn)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣，取得了良好的教學(xué)效果。

一、矢量運(yùn)算

矢量運(yùn)算是該門課程的基礎(chǔ)，其教學(xué)較為容易，但部分學(xué)生計(jì)算時(shí)常常出錯(cuò)，利用MatLab的矢量計(jì)算函數(shù)可以方便地進(jìn)行矢量計(jì)算，幫助檢驗(yàn)計(jì)算結(jié)果，同時(shí)可以幫助觀察和理解矢量運(yùn)算。例如，求矢量■=（1，2，3），■=（1，1，1），■=（2，1，3）的矢量運(yùn)算。

代碼如下：

A=[1 2 3];B=[1，1，1];C=[2，1，3];

A+B;%矢量相加

A-B;%矢量相減

dot（A，B）;% ■·■，點(diǎn)積或標(biāo)積

cross（A，B）;% ■×■叉積或矢積

dot（A，cross（B，C））;% ■·（■×■）標(biāo)量三重積

cross（cross（A，B），C）;% ■×■×■矢量三重積

norm（A，2）% |■| 求模

A./norm（A，2）% ■■求單位矢量

在計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，利用quiver3可繪出矢量圖形，如圖1所示為以上代碼計(jì)算結(jié)果的空間可視化圖形，便于學(xué)生理解叉積等難掌握的新知識。

二、梯度、散度和旋度的計(jì)算

利用MatLab的符號運(yùn)算功能，學(xué)生可對梯度、散度、旋度等微分算子進(jìn)行符號計(jì)算。標(biāo)量場的梯度可利用gradient函數(shù)，例如：計(jì)算三維標(biāo)量場

f（x，y，z）xe■的梯度，則MatLab代碼為：

syms x y z

f = x .* exp（-x.^2 - y.^2- z.^2）

g=gradient（f，[x，y，z]）;

%繪制梯度場

[X，Y，Z]=meshgrid（-1∶.1∶1，-1∶.1∶1，-1∶

.1∶1）;

G1=subs（g（1），[x y z]，{X，Y，Z}）;

G2=subs（g（2），[x y z]，{X，Y，Z}）;

G3=subs（g（3），[x y z]，{X，Y，Z}）;

quiver3（X，Y，Z，G1，G2，G3）

利用quiver3函數(shù)可以繪出三維矢量場，上述三維標(biāo)量場的梯度場如圖2所示。

矢量場的散度和旋度可利用diff函數(shù)，例如：計(jì)算三維矢量場的■（x，y，z）=（x+y+z■）■x+（x■y）■■+2yz■■散度和旋度，則MatLab代碼為：

syms x y z

F=[x+y+z^2，x^2*y，2*z];

divF=diff（F（1），x）+diff（F（2），y）+diff（F（3），z）;

rotF=diff（F（3），y）-diff（F（2），z），diff（F（1），z）-diff（F（3），x），diff（F（2），x）-diff（F（1），y）];

%繪制散度場

[X，Y，Z]=meshgrid（-1.2∶.2∶1.2，-1∶.2∶1，-1∶.2∶1）;

V=subs（divF，[x y z]，{X，Y，Z}）;

slice（X，Y，Z，V，[-1 0 1]，0.2，[-.8]）

shading interp

%繪制旋度場

figure

G1=subs（rotF（1），[x y z]，{X，Y，Z}）;

G2=subs（rotF（2），[x y z]，{X，Y，Z}）;

G3=subs（rotF（3），[x y z]，{X，Y，Z}）;

quiver3（X，Y，Z，G1，G2，G3）

該三維矢量場的散度場和旋度場如圖3和圖4所示。

三、等值線和場線的繪圖

對于二維的標(biāo)量場，可以利用mesh函數(shù)繪制分布圖，圖5為f（x，y，z）=xe■的標(biāo)量場分布。

其代碼為：

[x，y]=meshgrid（-2∶.1∶2，-1∶.05∶1）;

z=x.*exp（-x.^2-y.^2）;

mesh（x，y，z）;

對于三維的標(biāo)量場，可以利用切片函數(shù)slice繪制分布圖，如圖3所示，其代碼為：

slice（X，Y，Z，V，[-.5 0 0.5]，0.2，[-.8]）;

二維標(biāo)量場的等值線可利用contour函數(shù)繪制，二維矢量場的場矢量分布圖可利用quiver函數(shù)繪制，圖6為標(biāo)量場f（x，y，z）=xe■的等值線和梯度矢量場的場分布。

二維矢量場的場線可利用streamline和stream2繪制。

四、結(jié)語

針對“矢量分析與場論”課程難教難學(xué)、概念抽象、計(jì)算復(fù)雜等特點(diǎn)，采用MatLab的向量計(jì)算、繪圖等技術(shù)，高效、便捷、直觀地實(shí)現(xiàn)了該門課程的可視化教學(xué)，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)學(xué)生可通過編程提高解決實(shí)際問題的能力和動(dòng)手能力，提升綜合素質(zhì)，實(shí)現(xiàn)教學(xué)相長的效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]唐軍杰，王愛軍.Matlab在電磁場可視化教學(xué)中的應(yīng)用[J].物理與工程，2013，（1）：42-45.

[2]帥春江.Matlab在電磁場與電磁波課程電解槽的應(yīng)用[J].吉林化工學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，29（9）：76-78.

[3]楊光杰.Matlab在電磁場教學(xué)中的應(yīng)用[J].成才之路，2012，（36）：41-41.

[4]李小兵.基于MATLAB對二維混合邊界靜電場域的分析[J].電子測試，2012，（9）：24-27.

[5]田雨波，張貞凱，解志斌.基于Matlab的電磁場理論之可視化教學(xué)研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34（20）：90-92.

[6]劉興鵬.MATLAB在電磁場可視化教學(xué)中的應(yīng)用[J].知識經(jīng)濟(jì)，2010，（14）：154-154.