董成偉

［摘 ? ? ? ? ? 要］ ?隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展與行業(yè)需求的驅(qū)動，大學物理課程的教學要求不斷提高，傳統(tǒng)的課程教學模式已然無法滿足其相關(guān)要求。教育工作者需改進教學理念，改革教學方法，適當引入Matlab等信息技術(shù)軟件，以提升教學水平。簡述Matlab軟件的概念，探究其運用于大學物理課程教學中的必要性與可行性，并分析其在大學物理課程教學中的輔助應用，以期為更多的教育工作者提供參考。

［關(guān) ? ?鍵 ? 詞］ ?Matlab軟件；大學物理；輔助應用

［中圖分類號］ ?G642 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?［文獻標志碼］ ?A ? ? ? ? ? ? ? ? ?［文章編號］ ?2096-0603（2023）19-0057-04

大學物理課程是理工科、醫(yī)學與農(nóng)學專業(yè)的基礎課程，知識比較抽象，內(nèi)容覆蓋范圍廣泛。學生在學習大學物理課程時需具備扎實的數(shù)學基礎，如果沒有掌握足夠的數(shù)學知識，學生是難以學好物理課程的。通常本科院校的物理課程在第一學年開設。在學習大學物理課程的初期，學生處理物理問題時常借助數(shù)學工具，例如極限、積分等，其為學生處理物理問題提供一定便利的同時，也要求學生具備一定的數(shù)學素養(yǎng)[1]。大學物理知識具有較強的邏輯關(guān)聯(lián)性，該課程可有效鍛煉學生的思維方式，教師可借助一些信息技術(shù)軟件來輔助學習，幫助學生克服數(shù)學方面的學習障礙，并將抽象的物理問題變得更形象，使學生能夠把握住物理本質(zhì)，從而為學生學習大學物理課程提供一定的助力[2]。當前常見的信息技術(shù)軟件包括Matlab、Maple、Excel等。在這些信息技術(shù)軟件中，Matlab常被用于大學物理課程的教學過程中，該軟件有著相對健全的數(shù)學函數(shù)，易學，具有獨特的應用優(yōu)勢[3-4]。

一、Matlab軟件的基本概述

Matlab是指矩陣實驗室，Matlab軟件是一種商業(yè)數(shù)學軟件。隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及與信息技術(shù)的飛速發(fā)展，Matlab軟件的應用范圍日益拓展[5-6]?，F(xiàn)如今，該軟件的身影逐漸出現(xiàn)在教育行業(yè)中，作為一種教學工具來使用，得到了許多教育工作者的重視。該軟件由MathWorks公司研發(fā)而成，隨著MathWorks公司不斷進行改進與完善，該軟件的功能越發(fā)強大。該軟件主要涵蓋Simulink與Matlab這兩部分，通過該軟件，人們可使用算法開發(fā)、數(shù)據(jù)分析等功能[7-8]。設計研究單位與工業(yè)部門時常研究并使用Matlab，該軟件可使編程人員暫時脫離繁雜的程序代碼，在一定程度上減輕編程人員的工作量，為其工作提供便利[9-10]。

二、在大學物理課程教學中引入Matlab的必要性與可行性

當學生步入大學校園，其學習已然邁入了新的階段。對學生而言，大學物理與初高中物理有著極大的區(qū)別。大學物理關(guān)系到力學、熱學、電磁學、光學、近代物理等，教師在開展大學物理教學時，不僅要教授物理知識，還要培養(yǎng)學生的實操能力與創(chuàng)新意識，指導學生嚴格按照步驟開展相關(guān)實驗，讓學生養(yǎng)成并保持嚴謹、認真的學術(shù)研究習慣[11]。當學生學習大學物理時，其學習特點大致可概括為以下兩個方面：一是研究對象運動狀況變化更為一般化。二是重視探究物理的本質(zhì)，要求學生可定量或是定性分析形成某種物理現(xiàn)象的原因。比起高中物理，學生在學習大學物理時會感覺其概念更為抽象，在學習過程中需要具備一定的學習能力與想象力，能夠進行邏輯分析，具有空間思維[12-13]。在開展大學物理教學時，怎樣培養(yǎng)學生的空間思維能力與邏輯分析能力是教師重要的教學任務，同時空間思維能力與邏輯分析能力也是學生在學習大學物理時面臨的兩大難題。作為科學研究的關(guān)鍵手段，科學計算模擬能夠在大學物理教學過程中充分發(fā)揮出計算機的透視，可為學生學習大學物理提供一定的便利。理工科院校的大學生需要具備運用計算機語言編寫程序代碼以完成專業(yè)知識學習的能力。因此，教師在大學物理課程教學中引入Matlab十分重要，可充分發(fā)揮其圖像與符號計算的優(yōu)勢，幫助學生解決學習過程中所遇到的困難[14-15]。

隨著我國教育行業(yè)改革進程的不斷加快，計算機輔助教學越發(fā)普及，將該教學手段引入物理課程教學中，可幫助學生擺脫枯燥乏味的課本，促使學生改進學習方法，提高學習效率。將Matlab引入物理課程教學中，師生可使用該軟件的數(shù)值計算、數(shù)值模擬等多項功能，使原本抽象的物理現(xiàn)象變得可視化。教師不僅可通過該軟件激發(fā)學生的學習熱情，還可借助該軟件引導學生將所學知識運用于實際中，提高學生的知識應用能力。Matlab軟件的編程語言學習難度較低，且有許多已被編好的程序塊，能夠直接進行調(diào)用，可求解方程的解析解，若問題不存在解析解，利用給定初值或是邊界條件，一樣能夠得到數(shù)值解。教師可按照知識點的不同尋找與之相對應的應用模型，借助Matlab軟件的數(shù)值模擬系統(tǒng)可通過更為直觀的形式向?qū)W生展現(xiàn)物理規(guī)律，將難懂的直接講述轉(zhuǎn)變成具有一定趣味性的直觀感受，激發(fā)學生的學習熱情。與此同時，針對許多沒有解析解的非線性物理模型，教師可帶領(lǐng)學生利用輔助工具進行求解數(shù)值解，并可對系統(tǒng)的發(fā)展趨勢進行預測，提升學生的學習效率。

三、Matlab軟件在大學物理課程教學中的輔助應用

（一）能夠處理數(shù)學問題

大學物理課程中含有許多物理公式，學生學習這些關(guān)系式與推導過程具有一定難度。Matlab軟件中所包含的符號計算是借助符號數(shù)學工具箱來實現(xiàn)的，能夠應用相關(guān)函數(shù)進行絕大多數(shù)的符號運算，因此學生在運用Matlab軟件時能夠通過符號計算處理解決物理問題，幫助學生擺脫煩瑣的數(shù)學計算，更好地處理數(shù)學問題。在學習質(zhì)點的運動及其運動規(guī)律章節(jié)時，一些學生對于位移、速度與加速度間關(guān)系的理解仍然處于高中階段，在分析探究質(zhì)點運動問題時，會不自覺地使用高中學習過的知識及方法，其學習思維沒有變化，對數(shù)學知識的運用不夠靈活，這導致學生在后續(xù)的學習過程中感到吃力，感覺物理課程的學習難度不斷加大，從而慢慢失去學習興趣。該章節(jié)中所涵蓋的數(shù)學知識基本為極限、求導等，學生在學習該章節(jié)時如果能夠精準把握章節(jié)內(nèi)容的數(shù)學與物理間的關(guān)系，可在一定程度上提升其學習效率。

教師在教授質(zhì)點的運動及其運動規(guī)律章節(jié)時，可在教學過程中合理應用Matlab軟件。在質(zhì)點運動中，極限的運用基本展示在瞬時、平均二者間的關(guān)系方面，學生在求瞬時速度時，便是求取平均速度的時間的極限，用物理學科的視野看待該問題，關(guān)鍵點在于時間段與時間點二者間的變化。教師在教授該課程時，運用Matlab軟件取一個函數(shù)的極限可直接調(diào)動limit（r，t，0）形式，r為位置矢量函數(shù)，t為時間參量，0為讓時間變量t無限接近于零。在大學物理中，運用導數(shù)基本展現(xiàn)在考察兩變量間的相對關(guān)系上。學生學習該知識點時常常碰到以下兩方面的問題：其一，未能熟練掌握導數(shù)的基本公式，在運用的過程中無法準確識別應當使用什么公式。其二，學生可能難以理解矢量的求導。為了幫助學生深入了解矢量的求導，教師在教授該部分內(nèi)容時可通過極限的形式來表示導數(shù)。在教授大學物理課程的過程中，教師還要積極教授學生掌握并運用Matlab軟件，鼓勵學生運用Matlab軟件自行解決數(shù)學問題[16]。

（二）物理問題的圖形處理

Matlab軟件不僅可以直接調(diào)用函數(shù)，還可以用圖形展示出這些函數(shù)[17-18]。以電磁學章節(jié)為例，教師在教授該章節(jié)的電場與電勢的分布這一部分內(nèi)容時，學生僅僅借助點電荷的電勢公式與電場強度難以看出其具體的分布情況，也難以把握電場強度與電勢間的關(guān)系。此時，教師可借助Matlab軟件來解決該問題[19]。在開展物理實驗時，許多學生覺得描繪多個點電荷的電場線有較大的難度，借助輔助計算可有效連接理論與實驗，引導學生深入思考相關(guān)的物理問題。

教師在教授光學的相關(guān)內(nèi)容時，光波的疊加與干涉均是借助數(shù)學計算，而后分析相對應的物理量，進而探究光波的性質(zhì)。這時學生很容易感到困惑，教師可通過Matlab軟件來展開光波的性質(zhì)研究。通過mesh來對相干波畫圖，從而直接了解空間各處的光矢量具體振動情況，清晰顯示其亮條紋與暗條紋的位置[20]。教師采用Matlab軟件來表示相干波時，無須開展復雜計算，可有效節(jié)約其時間與精力，有利于提升課堂教學效率，同時學生還能夠利用修改頻率、波長等參量來探索研究不同情況下波的圖樣。教師在大學物理課程教學中應用Matlab軟件，能夠借助該軟件物理問題圖形處理的優(yōu)點減少計算。此種借助Matlab軟件圖形處理的優(yōu)勢來研究物理問題的方式，能夠極大限度克服物理問題抽象化對學生造成的困難，有助于鍛煉學生的創(chuàng)新能力與思維能力。

一些物理規(guī)律如果僅僅通過公式的形式來表達，學生很難形成感觀認知，但以圖像形式對物理規(guī)律進行直觀展示，可提升學生的學習效率。學生在學習物理課程時，常常因為想象力不足難以理解一些物理現(xiàn)象與物理過程，而Matlab軟件能夠提供多類動畫功能函數(shù)，借助動畫技術(shù)來使物理過程變得動態(tài)化，方便學生理解，有助于提升學生的學習效率。Matlab軟件含有良好的圖形表達式功能，適合作物理課程的教學工具。借助圖形用戶界面上的GUI，Matlab軟件的使用者便可通過一些難度較低的編程把一些物理現(xiàn)象及物理規(guī)律轉(zhuǎn)變成可視化圖形，甚至可能讓學生想象出動態(tài)物理圖像。例如，當學生學習力學和熱學現(xiàn)象時會學習到布朗運動。該運動是懸浮于流體內(nèi)的微粒因粒子和流體分子的相互碰撞而出現(xiàn)的隨機運動。該運動不會停息，且劇烈程度同溫度具有相關(guān)性，十分抽象，所以學生在學習此內(nèi)容時很難想象該運動的表現(xiàn)。若教師在課程教學中使用Matlab軟件，可將該運動進行可視化，直接向?qū)W生展現(xiàn)模擬效果圖。除了布朗運動外，教師在教授阻尼振動、簡諧振動等物理知識時，也可以通過Matlab軟件進行可視化，同樣能夠取得良好的教學效果。有時大學物理教師開展課程教學會帶領(lǐng)學生進行物理實驗，而非簡單教授物理知識。優(yōu)秀的物理學人才應當同時具備足夠的專業(yè)知識水平、實踐操作能力及知識應用能力。在進行物理實驗時，實驗人員一般會通過作圖法、列表法等手工處理方法來處理數(shù)據(jù)，過程煩瑣、枯燥，實驗人員需要耗費大量的時間與精力，效率難以提升。有時實驗人員會借助最小二乘法來進行數(shù)理統(tǒng)計，此方法的可靠性與合理性要高于圖解法，但該方法的使用過程較為復雜，需面對很大的計算量，學生難以順利開展。所以，大學物理教師以Matlab軟件為教學工具來開展實驗教學，既可讓學生在短時間內(nèi)學會使用方法，又可有效彌補最小二乘法的弊端，快速處理實驗數(shù)據(jù)，精準擬合出實驗曲線，完成數(shù)據(jù)可視化。例如，當大學物理教師帶領(lǐng)學生開展電阻相關(guān)實驗，繪制伏安特性曲線時，可通過Matlab軟件來完成曲線擬合，計算出精確的誤差平方和，直接得出計算誤差、電阻值及伏安特性曲線。在繪制伏安特性曲線的過程中，教師可指導學生進行多次擬合，次數(shù)越多，其所得曲線的精準度便越高。

四、Matlab軟件運用于大學物理課程教學中應注意的事項

Matlab軟件雖然在大學物理課程教學中具有十分明顯的應用優(yōu)勢，但教師需重視其局限性，在開展課程教學時不可過分依賴該軟件。教師應當精準區(qū)分物理問題與編程語言間的聯(lián)系與區(qū)別，合理應用Matlab軟件。在借助Matlab軟件處理相關(guān)物理問題時，教師需注意以下幾點事項：其一，需明確Matlab語言同物理問題間的對立關(guān)系。若是學生不能精準利用Matlab語言來表達物理問題，其所得的結(jié)果也會出現(xiàn)偏差。對于抽象的物理問題，在使用Matlab語言進行描述時必須把握其問題本質(zhì)，再進行推敲驗證，以保證所得結(jié)果的精確性。其二，解決物理問題時不能過度依賴Matlab軟件。若是過度依賴，會限制學生的思維，不利于學生提升分析與解決問題的能力。其三，處理問題時需考量Matlab軟件的局限性。比如，借助Matlab軟件來表示物理問題時是以點或是數(shù)的形式，但使用者不可取完全部的點，故而存在精準度的問題。

在高校中，Matlab常被用于計算機等專業(yè)的課程教學過程中，一些基礎課程教師對Matlab軟件的認知度不足，尚未了解其實際用途，也暫未掌握其具體用法，故而不能將實踐教學同Matlab軟件的運用進行有效結(jié)合。同時，教師指導學生通過Matlab軟件來解決學習過程中遇到的問題，需學生不斷提高自身的Matlab軟件運用能力。教師在教授大學物理課程時將Matlab軟件作為一種教學手段，可為學生的學習提供一定的便利。然而，多數(shù)理工院校的基礎課程教學內(nèi)容中很少通過科學計算來解決實際問題，這不利于培養(yǎng)學生的Matlab軟件操作技能，需加以改進。高校是培養(yǎng)高質(zhì)量人才的專業(yè)場所，培養(yǎng)學生科學計算的能力是其重要的教學目標，故而在教學內(nèi)容中融入一種或是多種計算語言具有重要意義。若是具備充足的教學條件，高校還可針對怎樣培養(yǎng)并提升學生的科學計算能力建立一個專業(yè)的組織，制訂完善、可行的培養(yǎng)方案，在教學計劃中把科學計算語言的相關(guān)課程納入必修課體系中。

將Matlab軟件應用于大學物理課程教學中具有十分重要的現(xiàn)實意義，可滿足教師的教學需求，提升學生的知識理解與應用能力，進一步激發(fā)學生的創(chuàng)新思維，讓學生充分發(fā)揮其學習主體的作用。在應用過程中，教師還要幫助學生掌握Matlab軟件的相關(guān)知識，指導學生如何應用Matlab軟件。少數(shù)教師可能認為只要將相關(guān)知識點講授一遍，就能夠滿足學生基本的應用需求便可，這種想法太過片面。教師在帶領(lǐng)學生學習Matlab軟件時，不僅要講授相關(guān)知識，還需依靠相關(guān)教材的練習題與例題讓學生開展實踐操作練習，幫助學生掌握理論知識與操作流程，同時有利于鍛煉學生分析并解決復雜問題的能力。在指導學生應用Matlab軟件時，教師可根據(jù)該軟件的不同功能板塊進行講解。同一功能板塊的知識點具有一定的關(guān)聯(lián)性，按照板塊內(nèi)容來制訂教學計劃能夠幫助學生更好地理解，有利于提升其學習效率。

五、結(jié)束語

現(xiàn)如今，我國的本科教育改革進程不斷加快，教育工作者需始終堅持立德樹人的教育目標，改進自身的教學方式，在教學過程中合理采用信息技術(shù)軟件作為教學工具，如此方可切實提升教學效果。物理學是自然科學與工程技術(shù)科學的連接紐帶，大學物理是航空航天類、人工智能類、智能科學與技術(shù)類等新工科專業(yè)的基礎。對于工科類的大學生而言，物理課程是其必修課，學好物理課程具有重要意義。在大學物理課程中，數(shù)學處理較為復雜，學習難度相對較大，學生在學習過程中很容易感到困惑與枯燥，難以提起學習興趣。若是教師能夠?qū)ξ锢韴D像進行可視化展示，以更為直觀的方式讓學生了解、認識數(shù)學公式，可有效縮短理論同實際之間的差距，加快學生的認知過程，有助于提高教學質(zhì)量。一直以來，大學物理課程教學采用單一的教師教授方式，已然難以滿足當代教學要求。隨著信息技術(shù)水平的不斷提升與行業(yè)需求的內(nèi)在驅(qū)動，大學物理教師應順應教育行業(yè)發(fā)展趨勢，探索恰當?shù)慕虒W改革路徑，轉(zhuǎn)變以往的課程教學方式，以期提升自身教學水平。Matlab軟件有著良好的計算、作圖等功能，教師應開展課程改革，調(diào)整并優(yōu)化教學內(nèi)容與教學手段等，在教學過程中合理應用Matlab等軟件，以提高教學質(zhì)量，指導學生更好地學習大學物理課程。

參考文獻：

［1］師玉榮，顧永建，李春.Matlab在面向“拔尖學生”的大學物理教學中的應用［J］.物理通報，2022（1）：14-17.

［2］黃旭初，李艷青.MATLAB在“大學物理”課程學習中的應用［J］.教育教學論壇，2022（32）：41-44.

［3］杜會靜，張素紅，王曉穎，等.多元化教學方案實現(xiàn)大學物理“靈動課堂”［J］.物理通報，2023（4）：915-916.

［4］范玲玲，圣宗強.大學物理實驗教學中Matlab應用研究的綜述報告［J］.創(chuàng)新教育研究，2020，8（2）：147-150.

［5］賈寧，楊欣.MATLAB GUI在大學物理實驗中的應用：以金屬電子逸出功實驗為例［J］.軟件導刊（教育技術(shù)），2018，17（5）：86-88.

［6］顧錦華，龍浩，王皓寧，等.Matlab在大學物理實驗教學中的應用［J］.綠色科技，2018（7）：251-253.

［7］王銳，劉美玲.基于Matlab在大學物理實驗中的數(shù)據(jù)處理及圖像仿真［J］.河北農(nóng)機，2019（12）：70.

［8］范麗琴，張春紅.Matlab程序編輯在大學物理實驗數(shù)據(jù)處理中的應用［J］.電子測試，2021（5）：97-98，104.

［9］曹躍龍，賈婉麗，張琳.引導學生利用Matlab處理大學物理實驗數(shù)據(jù)的探究［J］.科教導刊，2020（22）：43-45.

［10］郭云均.基于Matlab的大學物理溯源式教學：以行星運動問題為例［J］.科教文匯，2023（3）：73-77.

［11］周曉紅，曾維友，毛書哲，等.高中物理實驗與大學物理實驗銜接現(xiàn)狀調(diào)查及優(yōu)化路徑研究［J］.物理通報，2023（1）：127-131.

［12］周志玉.基于Matlab GUI的大學物理實驗數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)設計［J］.太原師范學院學報（自然科學版），2022，21（1）：77-81.

［13］蔣志潔，陽生紅，張曰理，等.運用Matlab輔助大學物理教學，提高教學質(zhì)量［J］.物理與工程，2019（S1）：69-72.

［14］夏麗莉，趙靜翔，馬余全.Matlab在大學物理教學中的輔助應用［J］.物理通報，2022（1）：10-13.

［15］孟影，訾振發(fā)，魯海勝，等.Matlab軟件在大學物理教學中的應用［J］.電腦知識與技術(shù)（學術(shù)版），2022， 18（31）：43-45.

［16］肖文波.大學物理理論教學與Matlab/Simulink仿真技術(shù)結(jié)合的教學探討［J］.大學物理實驗，2021，34（1）：105-108.

［17］李幼真，徐富新，何彪，等.面向拔尖人才培養(yǎng)的大學物理實驗教學改革實踐［J］.大學物理實驗，2023， 36（1）：149-152.

［18］王麗，蘇雪瓊，劉鳳艷.工科留學生“大學物理”課程教學模式改革探索［J］.教育教學論壇，2023（6）：94-97.

［19］李愛濱，錢明芳，張學習，等.MATLAB離散數(shù)據(jù)數(shù)值積分教學案例：泡沫鋁材料吸能特性計算［J］.實驗技術(shù)與管理，2023，40（1）：169-174.

［20］黃冬梅，馬樂，王樹鑫，等.Matlab仿真軟件在《電力電子技術(shù)》教學實踐中的應用［J］.軟件，2022，43（3）：10-12.

◎編輯 栗國花