姚瑞銳 李豐果

(華南范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院 廣東 廣州 510006)

新課程要求關(guān)注信息化環(huán)境下的教學(xué)改革，隨著2020年全國(guó)疫情的爆發(fā)，線下物理實(shí)驗(yàn)課程面臨著按下“暫停鍵”的問(wèn)題．因此，如何將信息技術(shù)高效滲透到中學(xué)物理教學(xué)之中，從而提高課堂效率、提高學(xué)生的認(rèn)知和理解能力，成為物理教師必須學(xué)習(xí)和研究的重要課題．本文整理并分析了2011—2022年3月國(guó)內(nèi)關(guān)于MATLAB在高中物理教學(xué)中的研究情況，希望能夠?qū)ξ磥?lái)的學(xué)者們起到拋磚引玉的作用．

1 研究數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

1.1 研究趨勢(shì)

在CNKI數(shù)據(jù)庫(kù)中，以“MATLAB，物理”為主題進(jìn)行檢索，截至2022年3月7日，共有2 637萬(wàn)條結(jié)果，而以“MATLAB，高中物理”為主題進(jìn)行檢索，共有28條結(jié)果(見(jiàn)圖1)．分析檢索結(jié)果發(fā)現(xiàn)，MATLAB一詞在1980年之前就已經(jīng)出現(xiàn)在“中國(guó)知網(wǎng)”中，但關(guān)于MATLAB與物理教學(xué)的相關(guān)文獻(xiàn)是從2001年開(kāi)始逐漸被教育者們關(guān)注，并將其引入到物理教學(xué)領(lǐng)域．近年來(lái)，文獻(xiàn)發(fā)表的數(shù)據(jù)呈上升趨勢(shì)，2020年為論文發(fā)表的鼎盛時(shí)期．這充分說(shuō)明了隨著全國(guó)疫情的到來(lái)，將MATLAB融入高中物理并輔助教學(xué)的研究持續(xù)被教育研究者們關(guān)注．

縱觀檢索數(shù)量可知，相關(guān)的研究還不夠深入，在熱學(xué)和聲學(xué)等板塊仍然存在空缺．特別是對(duì)于一線城市的教育研究者，在教學(xué)資源充足的條件下，更應(yīng)重視信息技術(shù)與實(shí)際教學(xué)的結(jié)合，力圖借助信息技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)最大化輔助教學(xué)．

圖1 文獻(xiàn)數(shù)據(jù)的趨勢(shì)圖

1.2 樣本選取

本文以檢索到的28篇文獻(xiàn)(20篇期刊論文，8篇學(xué)位論文)為研究樣本進(jìn)行整理和分析，以此來(lái)了解近年來(lái)國(guó)內(nèi)關(guān)于MATLAB軟件在高中物理教學(xué)中應(yīng)用的整體研究情況．目前，MATLAB輔助物理教學(xué)的研究現(xiàn)狀大致可以分為圖形可視化、模擬仿真、數(shù)值計(jì)算以及軟件對(duì)接4個(gè)方面(見(jiàn)表1).

表1 研究文獻(xiàn)的主題分布

2 研究?jī)?nèi)容

2.1 MATLAB的圖形可視化應(yīng)用

目前，主要利用MATLAB的可視化幫助學(xué)生建立概念，實(shí)時(shí)演示以及探究實(shí)驗(yàn)，三者是相互結(jié)合的．

一是力學(xué)和電磁學(xué)，有學(xué)者將其結(jié)合起來(lái)，考慮到多媒體展示的教學(xué)圖片有可能是從網(wǎng)頁(yè)上下載得來(lái)，而不是教師自主設(shè)計(jì),2020年，郭強(qiáng)友建立了MATLAB 輔助教學(xué)的幾種模式，展現(xiàn)了MATLAB繪圖和數(shù)據(jù)處理的功能[1]．分析可知，MATLAB的可視化在力學(xué)和電磁學(xué)板塊已經(jīng)得到了實(shí)踐并有助于教學(xué)，但多數(shù)為理論分析，很少有數(shù)據(jù)支撐，缺乏實(shí)證．

二是光學(xué)，由于學(xué)生只能通過(guò)教材上的文字與圖片去記憶、理解光的干涉或衍射圖樣，而不能直觀地觀察其變化，存在“只見(jiàn)山頭不見(jiàn)綠洲”的問(wèn)題，付酮程借助MATLAB GUI交互界面呈現(xiàn)光學(xué)等干涉圖樣，通過(guò)數(shù)值模擬，將復(fù)雜的物理規(guī)律“封裝”在程序中，從理論模型、參數(shù)設(shè)置、交互界面幾個(gè)維度展開(kāi)[2]．關(guān)于光的干涉這一知識(shí)，文獻(xiàn)[3]結(jié)合了自身長(zhǎng)期的課堂教學(xué)實(shí)踐已證實(shí)，利用MATLAB授課比用黑板或者PPT更靈活，效果更佳．

光的衍射與干涉等知識(shí)對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)是一個(gè)重難點(diǎn)，且實(shí)驗(yàn)環(huán)境和儀器設(shè)備要求較高，加之疫情影響，因此，MATLAB在物理光學(xué)板塊中具有很強(qiáng)的生命力，值得教育研究者探索．

三是熱學(xué)和聲學(xué)，近年來(lái)也逐漸引起了研究者們的關(guān)注．2020年，楊一鳴在高中物理教學(xué)中引入 MATLAB進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和結(jié)果的圖形顯示，認(rèn)為就其效果和意義而言，將其融入物理教學(xué)是一種創(chuàng)新行為，對(duì)于建立研究型高中具有重要意義[4]．同年，鄒法強(qiáng)也以微觀粒子為出發(fā)點(diǎn)，利用MATLAB的rand函數(shù)展現(xiàn)了“分子的熱運(yùn)動(dòng)”，這是Flash軟件無(wú)法達(dá)到的[5]．

然而，關(guān)于分子的表面張力如何形成？聲音是如何傳播的？傳播的軌跡怎么樣？如何消除噪聲？如何對(duì)聲信號(hào)進(jìn)行濾波、調(diào)頻和調(diào)幅？這些問(wèn)題都值得我們進(jìn)一步去思考和研究，對(duì)研究者和學(xué)習(xí)者來(lái)說(shuō)都具有一定的挑戰(zhàn)性．

2.2 MATLAB的模擬仿真應(yīng)用

分析發(fā)現(xiàn)，MATLAB的模擬仿真功能在高中物理教學(xué)中的應(yīng)用最廣．目前主要應(yīng)用在概念、習(xí)題以及實(shí)驗(yàn)與規(guī)律3個(gè)方面的物理教學(xué)中,分布情況如圖2所示．

圖2 MATLAB模擬仿真應(yīng)用分布情況

一是概念教學(xué)，2013年，朱國(guó)強(qiáng)利用MATLAB輔助質(zhì)點(diǎn)概念的教學(xué)[6]．2015年，紀(jì)婷婷提出了MATLAB在高中物理靜電場(chǎng)的應(yīng)用和實(shí)踐[7]．2016年，范書宇老師開(kāi)展了MATLAB在機(jī)械振動(dòng)和機(jī)械波中的教學(xué)研究，并通過(guò)實(shí)例分析，驗(yàn)證了其可行性[8]．2020年，皮傳君在開(kāi)展了MATLAB 輔助高中物理電場(chǎng)和電勢(shì)等概念的教學(xué)[9]．縱觀案例可知，MATLAB的模擬仿真功能在許多物理板塊中已經(jīng)有學(xué)者嘗試應(yīng)用，并且也取得了積極的效果．

二是習(xí)題教學(xué)，2020年，劉慶基于MATLAB建模對(duì)單擺進(jìn)行了教學(xué)設(shè)計(jì)，對(duì)比實(shí)驗(yàn)和普通兩個(gè)班級(jí)，得出了學(xué)生較能接受該教學(xué)模式且實(shí)驗(yàn)班級(jí)教學(xué)效果更顯著的結(jié)論，有一定的數(shù)據(jù)支撐[10]．但研究?jī)?nèi)容較為局限，實(shí)證力不足．針對(duì)MATLAB制作課件耗時(shí)費(fèi)力的問(wèn)題，要視情況來(lái)搭建問(wèn)題情境，在涉及微元和級(jí)數(shù)時(shí)便可以引入[11]．

三是實(shí)驗(yàn)與規(guī)律教學(xué)，2016年，劉海山利用MATLAB解釋了干涉現(xiàn)象中兩列波的頻率必須相同的原因[12]．

2017年，鄭穎等人利用MATLAB GUI開(kāi)展了電學(xué)的實(shí)驗(yàn)，以提高學(xué)生對(duì)電磁場(chǎng)問(wèn)題的分析能力[13]．但更為復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)情況以及如何完整地仿真出粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，還需進(jìn)一步的探討．

2018年，徐超凡借助MATLAB清楚地看到電容電感對(duì)于振蕩電路的影響[14]．同年7月，田潔利用MATLAB開(kāi)展了機(jī)械波干涉現(xiàn)象的參數(shù)可調(diào)仿真實(shí)驗(yàn)，有利于獲得不同實(shí)驗(yàn)條件的不同實(shí)驗(yàn)結(jié)果[15]．

2019年，殷麒翔從力學(xué)板塊出發(fā)，利用 MATLAB 的數(shù)值計(jì)算和圖形技術(shù)，模擬了雨滴在自由下落過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)過(guò)程[16]．

2020年，馬小花定量分析本地高中物理演示實(shí)驗(yàn)的不足并利用MATLAB開(kāi)展了電學(xué)的模擬仿真教學(xué)[17]，同年，賀盼盼利用MATLAB對(duì)電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了模擬仿真[18].廖湘萍等人對(duì)電磁波信號(hào)進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真[19]．但都只是個(gè)案分析，沒(méi)有進(jìn)行推廣應(yīng)用，因而無(wú)法給出普遍適用的信息．

總體來(lái)看，目前有許多利用MATLAB與高中物理結(jié)合的教學(xué)案例，案例也有一定的數(shù)據(jù)支撐，但能從個(gè)案到一般的經(jīng)驗(yàn)較少，只停留在理論分析層面，即將公式進(jìn)行理論推導(dǎo)后轉(zhuǎn)化成程序語(yǔ)言進(jìn)行模擬，對(duì)課堂教學(xué)的實(shí)施只是提供了一些原則性的觀點(diǎn)和思路．若能將研究?jī)?nèi)容進(jìn)行具體劃分，提供更為細(xì)致的理論分析和實(shí)踐案例的支撐，使MATLAB不僅能夠驗(yàn)證已知結(jié)論的實(shí)驗(yàn)，而且適用于探究實(shí)驗(yàn)．

需要注意的是，模擬仿真和遠(yuǎn)程教育只是作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的補(bǔ)充，無(wú)法替代學(xué)生動(dòng)手操作完成實(shí)驗(yàn)的教育價(jià)值，教學(xué)中要考慮技術(shù)的邊界和教育的目標(biāo)．

2.3 MATLAB數(shù)值計(jì)算應(yīng)用

單獨(dú)研究MATLAB數(shù)值計(jì)算功能的文獻(xiàn)較少，多數(shù)是結(jié)合模擬仿真的功能進(jìn)行研究．2013年，蔡亮借助MATLAB強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算功能，定量研究機(jī)車恒定功率模型，但卻只停留在了數(shù)值計(jì)算[20]．2020年，熊亮借助案例，設(shè)計(jì)了高中物理常規(guī)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理交互界面，快速得出直觀結(jié)論[21]．

整理發(fā)現(xiàn)，從數(shù)值計(jì)算和物理過(guò)程模擬的角度處理復(fù)雜電磁學(xué)和力學(xué)問(wèn)題是目前研究的熱門，教學(xué)反饋也是最佳的．因此，為了避免學(xué)生“背公式”“套步驟”的答題習(xí)慣，在教學(xué)條件和時(shí)間允許的情況下，利用MATLAB的數(shù)值計(jì)算和仿真模擬功能輔助復(fù)雜習(xí)題求解也是一種創(chuàng)新．

2.4 教學(xué)軟件的對(duì)接及教學(xué)改革探討

檢索文獻(xiàn)中，最早將MATLAB與教學(xué)軟件結(jié)合的是嚴(yán)大虎，他利用 MATLAB簡(jiǎn)單快捷地制作出適合高中物理特點(diǎn)的課件，解決了在PowerPoint中實(shí)時(shí)繪圖的問(wèn)題[22]．之后，紀(jì)婷婷等人以MATLAB可視化圖形用戶界面為核心模塊，在Author ware平臺(tái)下統(tǒng)籌Flash和MATLAB軟件(見(jiàn)圖3)[23]．這一系統(tǒng)解決了MATLAB制作課例耗時(shí)，教師時(shí)間和精力有限而不能系統(tǒng)地學(xué)習(xí)和使用 MATLAB的問(wèn)題．

圖3 中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室結(jié)構(gòu)框架圖

關(guān)于教學(xué)改革探討方面，有學(xué)者強(qiáng)調(diào)，學(xué)習(xí)MATLAB和物理時(shí)應(yīng)重點(diǎn)介紹其help功能以及如何用MATLAB理解線性代數(shù)，探討有效調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性、激發(fā)學(xué)生主觀能動(dòng)性的具體方法，為提高物理教學(xué)質(zhì)量提供了參考和借鑒．

將MATLAB與教學(xué)軟件對(duì)接是物理教學(xué)中的一個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)，目前的研究還不夠深入，在當(dāng)代信息化教學(xué)模式下，這是改革的一個(gè)探究點(diǎn)，值得我們做進(jìn)一步的研究和探討．

3 總結(jié)與展望

從整理結(jié)果來(lái)看，近些年MATLAB在國(guó)內(nèi)的發(fā)展逐漸趨于完善并應(yīng)用于中學(xué)物理教學(xué)，但也仍然存在著一些問(wèn)題．鑒于此，本文提出了以下幾點(diǎn)建議與展望．

3.1 以知識(shí)為載體 傳遞價(jià)值理念

引起學(xué)生的興趣是有效教學(xué)的關(guān)鍵，課堂不僅是知識(shí)傳授的舞臺(tái)，更是價(jià)值引領(lǐng)的陣地．尤其在抗“疫”期間，在打破常規(guī)的教學(xué)模式下，物理課堂僅僅通過(guò)展示視頻與PPT是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，因此，推廣MATLAB與高中物理的有機(jī)融合與取長(zhǎng)補(bǔ)短是一條有效的途徑．為此，學(xué)?？梢試L試著修訂校本課程，在物理概念和物理理論的建立過(guò)程中嵌入MATLAB給予學(xué)生感性認(rèn)識(shí)，從科學(xué)家的探索經(jīng)歷和科學(xué)成就中開(kāi)展課程思政，激發(fā)學(xué)生的好奇心與求知欲，引發(fā)學(xué)生強(qiáng)烈的愛(ài)國(guó)情感．

值得注意的是，教材中不是每一個(gè)知識(shí)點(diǎn)都能與MATLAB有機(jī)融合，需要選擇有合適的物理模型以及學(xué)科知識(shí)不能過(guò)于綜合的知識(shí)點(diǎn)展開(kāi)教學(xué)．同時(shí)也需要考慮學(xué)生的參與能力，教師是否能駕馭，教學(xué)內(nèi)容是否符合課程標(biāo)準(zhǔn)，是否有利于推廣等問(wèn)題．

3.2 與時(shí)俱進(jìn) 注重能力培養(yǎng)

目前的教學(xué)模式多數(shù)停留在“教”的層面，而不是與“學(xué)”相輔．普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)2017年版的核心素養(yǎng)中一個(gè)重要的原則便是“注重時(shí)代性”，這就要求課堂教學(xué)模式需要與時(shí)俱進(jìn)，不能墨守成規(guī)．注重因材施教與個(gè)性化發(fā)展是物理教學(xué)中歷久彌新的原則．

嚴(yán)峻的疫情使線下課程陷入了困頓，同時(shí)也為信息技術(shù)教學(xué)帶來(lái)了新機(jī)遇．因此，引入MATLAB要符合當(dāng)下“雙減”政策的要求，不能無(wú)形之中給學(xué)生增添負(fù)擔(dān)，可以選取周末的時(shí)間，讓感興趣的學(xué)生通過(guò)小組合作的形式進(jìn)一步探討．這種知識(shí)輸出的教學(xué)形式，既尊重學(xué)生能力的正態(tài)分布規(guī)律，也是銜接大學(xué)物理的體現(xiàn)．

3.3 整合創(chuàng)新 建立教學(xué)資源庫(kù)

目前的研究較多涉及案例分析，知識(shí)比較零散，不具有普遍性，并且教師還不能快速高效地利用MATLAB輔助教學(xué)．鑒于此，筆者嘗試提出建議：

第一，建立數(shù)據(jù)庫(kù)，知識(shí)按照5大板塊4個(gè)方面各自分類整合(見(jiàn)圖4)．比如電磁學(xué)中靜電場(chǎng)；光學(xué)中雙縫干涉；力學(xué)中小球做自由落體運(yùn)動(dòng)；聲學(xué)中信號(hào)采集處理以及熱學(xué)中分子的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)等內(nèi)容．以某一知識(shí)為這一板塊的出發(fā)點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上做參數(shù)調(diào)整與程序修改，同時(shí)兼容各類格式，支持批量導(dǎo)入，不僅實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源的良性循環(huán)，也可大大減輕教師的備課負(fù)擔(dān)．

第二，創(chuàng)新教學(xué)方式，強(qiáng)化MATLAB移動(dòng)學(xué)習(xí)的支持功能，并且提供平臺(tái)開(kāi)放式接口技術(shù)，支持資源庫(kù)“能學(xué)，輔教”的功能定位，共享優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源，降低教學(xué)研發(fā)成本，支撐教師課堂教學(xué)，輔助學(xué)生自主學(xué)習(xí)．

圖4 知識(shí)整合框架圖

3.4 實(shí)事求是 注重學(xué)業(yè)質(zhì)量評(píng)價(jià)

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，MATLAB正逐漸滲透進(jìn)各個(gè)校園，并在實(shí)際教學(xué)中得到了較好的反饋．但是MATLAB輔助高中物理教學(xué)的有效性到底有多少？是否得到認(rèn)可？與傳統(tǒng)教學(xué)相比教學(xué)結(jié)果到底如何？哪些知識(shí)點(diǎn)能吸引學(xué)生的注意？學(xué)生的成績(jī)和綜合能力能否提升？目前還沒(méi)有具體的衡量指標(biāo)體系，且形式單一，測(cè)量結(jié)果存在主觀性和不全面的問(wèn)題．

若能開(kāi)發(fā)出適合衡量本校、本地以及全國(guó)的客觀量表，形式不限于紙筆，并建立高校自己的“學(xué)習(xí)分析系統(tǒng)”，提供集數(shù)據(jù)挖掘、模化和案例運(yùn)用的聯(lián)合框架，自動(dòng)收集學(xué)生行為數(shù)據(jù)，智能分析學(xué)生學(xué)習(xí)狀態(tài)，為教師提供參考數(shù)據(jù)，為個(gè)性化教學(xué)提供有力支持．以此為出發(fā)點(diǎn)調(diào)整和改進(jìn)教學(xué)，使得物理真正成為一門嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?，?shí)事求是的自然科學(xué)課程．