《基于MATLAB的中學(xué)物理試驗仿真試驗平臺設(shè)計10000字（論文）》

基于MATLAB的中學(xué)物理試驗仿真試驗平臺設(shè)計摘要11前言31.1研究背景31.2研究現(xiàn)狀31.2.1國外研究現(xiàn)狀31.2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀41.3研究的目的及意義42理論基礎(chǔ)與相關(guān)技術(shù)52.1理論基礎(chǔ)52.1.1“經(jīng)驗之塔”理論及相關(guān)啟示62.1.2中學(xué)生的思維品質(zhì)特點62.1.3混合式學(xué)習(xí)模式及相關(guān)理論62.2相關(guān)技術(shù)62.2.1MATLAB簡介62.2.2基于MATLABGUI的快速平臺搭建技術(shù)63基于MATLAB的仿真平臺應(yīng)用實例73.1勻變速直線運動仿真73.2平拋運動仿真93.3光的雙縫干涉試驗仿真113.4普朗克定律仿真模擬123.5電子在磁場中的運動軌跡仿真134總結(jié)與展望154.1研究小結(jié)154.2論文的研究與展望16參考文獻(xiàn)17附錄18摘要學(xué)習(xí)的最好方法在于實踐與理論相結(jié)合，充分調(diào)動學(xué)生的主觀積極性，學(xué)生對于課本中的理論知識缺乏興趣，而試驗教學(xué)則可以充分調(diào)動學(xué)生的踴躍性。高中物理是一門理論性和實踐性很強的學(xué)科，涉及大量數(shù)學(xué)理論知識，知識點多、概念抽象、公式龐雜是這門學(xué)科的主要特點。為了達(dá)到良好的教學(xué)效果，學(xué)校通常會設(shè)置實踐課程來輔助理論教學(xué)。在大多數(shù)學(xué)校，物理試驗體系落后，有些試驗難以進(jìn)行或者難以觀測到有用現(xiàn)象，不利于學(xué)生快速、深入地理解所學(xué)內(nèi)容,使其在學(xué)習(xí)過程中產(chǎn)生畏難情緒。因此,將物理教學(xué)變得更加簡單直觀是教育改革的主要內(nèi)容之一。[1]將模擬現(xiàn)實試驗轉(zhuǎn)移到可移動端，構(gòu)建物理虛擬仿真系統(tǒng)——將計算機技術(shù)與傳統(tǒng)試驗結(jié)合，可以有效緩解物理試驗教學(xué)的壓力，解決試驗材料不足、空間限制、設(shè)備老化引起的精確度不足，試驗現(xiàn)象結(jié)果難以觀測等多種客觀問題，提高物理教學(xué)的質(zhì)量。但就目前而言，大多數(shù)的物理模擬試驗平臺仍存有許多問題，包括系統(tǒng)化差、優(yōu)化差等，因此如何構(gòu)建一個優(yōu)秀的物理仿真試驗平臺仍需要不斷探索。本設(shè)計以中學(xué)物理模擬現(xiàn)實試驗平臺為研究對象，以文獻(xiàn)研究法、案例分析法等為研究方法，總結(jié)概括了物理模擬現(xiàn)實試驗系統(tǒng)在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，分析現(xiàn)有中學(xué)物理模擬仿真試驗平臺的優(yōu)點與存在的問題，結(jié)合實際，使用MATLAB設(shè)計一個系統(tǒng)化的中學(xué)物理仿真試驗平臺。本文設(shè)計的基于MATLABGUI的中學(xué)物理仿真試驗平臺以MATLAB為底層運算平臺，利用其可靠的數(shù)值計算、畫圖功能和符號計算功能，通過對部分中學(xué)物理試驗進(jìn)行仿真，來說明該平臺及附件的設(shè)計與實現(xiàn)過程,并且通過這些實例,證明了這種開發(fā)方式的可行性以及平臺的可操作性。MATLABGUI具有上手快，軟件周期短，矩陣運算能力強等優(yōu)點，其還有利于編譯成獨立的.exe文件，用戶不需要安裝龐大內(nèi)存的MATLAB軟件就可以運行程序。關(guān)鍵詞：物理虛擬試驗；虛擬仿真試驗系統(tǒng)；MATLABGUI；交互1前言本章主要介紹了物理仿真試驗平臺的研究背景，探討了中學(xué)生物理試驗虛擬仿真平臺在國內(nèi)外的現(xiàn)狀以及研究的思路與方法。物理模擬仿真試驗平臺的不斷優(yōu)化與發(fā)展從而進(jìn)一步完善物理遠(yuǎn)程教習(xí)，具有較高的意義。1.1研究背景在高中課程中，物理試驗占據(jù)重要地位，是培養(yǎng)高中生運用科學(xué)研究方法進(jìn)行規(guī)范操作試驗的必修課程[2]。靈活運用試驗教學(xué)的方式，可以培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)的踴躍性，幫助學(xué)習(xí)者養(yǎng)成良好的學(xué)習(xí)能力和實踐能力以及嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的科學(xué)精神。但隨著國家教育改革的不斷深入，傳統(tǒng)的教學(xué)方式已越來越難以滿足社會的需求，尤其是物理學(xué)這種理論性與實踐性極強的學(xué)科，就目前而言在理論教學(xué)方面，許多教師對于信息化教學(xué)方式還僅僅停留在ppt教學(xué)或者借用一些FLASH軟件來制作演示動畫等方式，這種方式固然在圖像處理上具有一定的優(yōu)勢，但是物理是一門偏向于計算的學(xué)科，需要一定的數(shù)據(jù)處理，這時候就應(yīng)該借助一些數(shù)據(jù)處理軟件來幫助教學(xué)，MATLAB這款軟件就精通數(shù)據(jù)計算，符號計算以及建模仿真，于物理學(xué)這門學(xué)科的契合度還是相當(dāng)高的。而傳統(tǒng)的試驗教習(xí)則有著試驗過程不可逆，試驗資源稀缺，教習(xí)模式單一等諸多問題。學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)物理試驗知識的歷程中，更多的是以死記理論知識，背誦試驗的過程和試驗結(jié)果，以考試得高分為主要目標(biāo)而不是進(jìn)修掌握知識，這種方式限制了學(xué)生獨立思索的能力，學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)的踴躍性得不到有效的調(diào)動，想象力也難以發(fā)揮，這并不符合國家對于人才培養(yǎng)的要求，培養(yǎng)出來的學(xué)生也不一定能夠以嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的態(tài)度來面對將來在學(xué)術(shù)生活中所遇到的問題。實踐證明，選擇適合的試驗講習(xí)方式，可以達(dá)到理想的教學(xué)成果。而信息技術(shù)的不斷發(fā)展，為模擬仿真試驗系統(tǒng)的出現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)，而模擬現(xiàn)實仿真試驗室則成為了未來試驗教學(xué)的方向與目標(biāo)，與傳統(tǒng)試驗講習(xí)相比，模擬現(xiàn)實仿真試驗的要求更低，且擁有極高的資源共享性，能夠節(jié)約大量的時間與人力物力，而且試驗結(jié)果更直白，更有利于學(xué)生去理解掌握知識。以MATLAB為例，借助MATLAB的繪圖功能將抽象的物理公式轉(zhuǎn)變?yōu)楦鼮橹庇^的圖像，利用程序語言將結(jié)果模擬呈現(xiàn)出來，相較于傳統(tǒng)的試驗教學(xué)方式，其更加簡單，形象，且改變試驗的條件只需要改變輸入?yún)?shù)即可1.2研究現(xiàn)狀虛擬試驗室因其低廉的使用成本與極高的使用價值而在教學(xué)與科研方面都具有重要意義，許多國內(nèi)外的高校，科研院所對于仿真試驗的研究都已經(jīng)取得了許多不錯的成果1.2.1國外研究現(xiàn)狀虛擬現(xiàn)實技術(shù)起源于美國，美國的研究水平可以代表虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展水平[3]。一開始，這種虛擬仿真技術(shù)在早期的美國主要是運用于軍事領(lǐng)域。隨著冷戰(zhàn)結(jié)束后美國軍費投入的縮減以及這些年虛擬仿真技術(shù)不斷的發(fā)展，其技術(shù)中心逐漸向民用偏移。20世紀(jì)80年代，美國國家航空航天局(NASA)和美國國防部(USDOD)在虛擬現(xiàn)實技術(shù)研究方面的成就，引起了人們對虛擬現(xiàn)實技術(shù)的關(guān)注[4]。哈佛大學(xué)開發(fā)的幫助初中生學(xué)習(xí)自然科學(xué)的網(wǎng)絡(luò)虛擬學(xué)習(xí)平臺TheRiverCityProject,可以讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中同專家一起學(xué)習(xí)觀察，提出問題，探究問題，解決問題，最后得出結(jié)論。北卡羅萊納州立大學(xué)利用跨平臺性較好的Java語言研發(fā)的LAAP（LearnAnytimeAnywherePhysics），是一款基于Web的虛擬仿真試驗平臺，主要模塊包括：試驗課程模塊；試驗研究結(jié)果；評價模塊；協(xié)作模塊。LAAPhysics物理試驗使用戶不受時間、空間限制進(jìn)行物理知識學(xué)習(xí)[5]。科羅拉多大學(xué)研發(fā)了一個比較成熟完善的PhET仿真試驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)里囊括了極其豐富的試驗案例，這些模擬試驗均基于Java，flash獲flex技術(shù)開發(fā)，使用者可以直接從互聯(lián)網(wǎng)上下載資源進(jìn)行試驗，但是這個系統(tǒng)的不足就在于沒有為學(xué)習(xí)者提供互動交流的機會。1.2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀國內(nèi)的虛擬仿真試驗系統(tǒng)的起步時間相較于國外較晚，北京航空航天大學(xué)是最早開始研究虛擬仿真技術(shù)的機構(gòu)之一，[6]他們早在2007年時就建立了國家重點研究試驗室并且開發(fā)了像模擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)、北京奧運會開幕式模擬現(xiàn)實仿真創(chuàng)意現(xiàn)實環(huán)境等應(yīng)用系統(tǒng)。南京金華科軟件有限公司研發(fā)的基于C/S的中學(xué)物理仿真試驗平臺，[7]該平臺涵蓋了力學(xué)，光學(xué)和電學(xué)的相關(guān)試驗，并且能夠提供較為逼真的試驗器材，能夠讓學(xué)生自主學(xué)習(xí)，其支持學(xué)生創(chuàng)建大部分試驗，使學(xué)生學(xué)習(xí)的踴躍性有了極大的提高。國內(nèi)大學(xué)的模擬現(xiàn)實仿真試驗平臺的研究，因為有許多外國的相關(guān)成果做參考，發(fā)展非常迅速，一些高校的物理仿真試驗平臺，幾何光學(xué)試驗平臺等早已應(yīng)用到實際的講習(xí)試驗當(dāng)中。當(dāng)然國內(nèi)有些高校的其他類型虛擬仿真試驗平臺也非常優(yōu)秀。湖南大學(xué)采用Simulink仿真技術(shù)，開發(fā)出了交互效果良好，場景逼真的飛行仿真系統(tǒng)；[8]北京大學(xué)的計算機系開發(fā)了支持計算量大且具有極強交互性的虛擬試驗系統(tǒng)[9]。該系統(tǒng)為用戶提供了各種試驗儀器，并且會告知用戶試驗的試驗要求，在用戶完成試驗后，系統(tǒng)會將試驗結(jié)果返回客戶端。[10]云南大學(xué)設(shè)計的通信和信號處理試驗平臺是結(jié)合了MATLAB和LabVIEW兩種仿真軟件[11]。其利用兩方軟件的web功能，分別實現(xiàn)了QPSK調(diào)制解調(diào)試驗和FM接收調(diào)解試驗，其優(yōu)勢就在于用戶可以在網(wǎng)頁就可以通過改變參數(shù)來調(diào)整試驗。1.3研究的目的及意義在現(xiàn)代社會中，學(xué)生獲取知識的方法早已不限于老師在課堂上的教授，因此將更加信息化的教學(xué)方式同傳統(tǒng)的教學(xué)模式相結(jié)合，讓教育跟上日新月異的科技研究進(jìn)度至關(guān)重要。就物理這門學(xué)科而言，隨著教育改革的不斷并深入，對實踐教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生科研能力和綜合素質(zhì)方面提出了更高的要求，這就要求學(xué)生在學(xué)習(xí)探究物理知識的時候，需要從不同的角度去親身體會，去理解知識，而MATLAB因其具有精準(zhǔn)的符號計算和數(shù)字計算功能與強大的畫圖功能、可靠實用的編程語言體系以及內(nèi)置多功能的應(yīng)用工具箱等優(yōu)勢，與物理學(xué)有著極高的契合度，通過利用MATLAB將不同表征方式的知識進(jìn)行轉(zhuǎn)換，來加深學(xué)生對于知識的理解。以布朗運動為例，傳統(tǒng)的講習(xí)方式難以直觀的呈現(xiàn)布朗運動，但是借助MATLAB的動態(tài)演示等功能開發(fā)出的模擬程序可以讓學(xué)生輕松觀測到布朗運動以及各參數(shù)對粒子分布狀態(tài)的影響。通過仿真試驗平臺來演示普通教學(xué)條件下難以進(jìn)行的試驗，讓學(xué)生直觀的看到試驗結(jié)果，比死記硬背試驗內(nèi)容結(jié)果更加有利于學(xué)生學(xué)習(xí)理解知識?？梢詫崿F(xiàn)模擬現(xiàn)實仿真的平臺的主要有LabVIEW、Web3D、MATLAB這三種平臺，本篇論文將通過以MATLAB為底層平臺，利用MATABGUI創(chuàng)建一個中學(xué)物理試驗平臺來探究虛擬仿真試驗平臺在中學(xué)物理試驗教學(xué)中的應(yīng)用模式。[12]2理論基礎(chǔ)與相關(guān)技術(shù)2.1理論基礎(chǔ)2.1.1“經(jīng)驗之塔”理論及相關(guān)啟示“經(jīng)驗之塔”是美國教育專家戴爾在1946年提出的，其將人們通過進(jìn)修獲得的知識經(jīng)歷按照抽象程度來劃分，在后人對其不斷完善下，形成了圖2.1這個為人民所熟知的塔模型，其主要分為三大類，十個層次。圖2.1戴爾“經(jīng)驗之塔”學(xué)生通過參加教學(xué)任務(wù)，直接經(jīng)歷學(xué)習(xí)歷程的這類教習(xí)活動就屬于“行為性”，也就是教給學(xué)習(xí)者“做的經(jīng)驗”；教學(xué)者利用教學(xué)傳媒開展講學(xué)就屬于“形象性”層次，也就是“觀察性的經(jīng)驗”；而“抽象性”就是利用符號表象開展教學(xué)活動，也就是“抽象性的經(jīng)驗”。另外，戴爾認(rèn)為教學(xué)活動應(yīng)該從“動作性”入手，通過“映像性”的教學(xué)手段逐漸過度到“抽象性”教學(xué)內(nèi)容[13]。“經(jīng)驗之塔”理論認(rèn)為，學(xué)生需要充分利用感覺器官并參與學(xué)習(xí)活動，才能在經(jīng)驗中習(xí)得知識。[14]而“經(jīng)驗之塔”應(yīng)用到物理試驗中則表現(xiàn)為學(xué)生通過觀察虛擬仿真試驗?zāi)K來獲得“影響性”的經(jīng)驗，通過自我消化來獲得“抽象性”的經(jīng)驗，最后受到啟發(fā)，獲得知識。在現(xiàn)實生活中，由于種種限制，學(xué)生基本不可能通過直接經(jīng)驗來獲得學(xué)習(xí)，但是學(xué)生卻可以通過虛擬仿真試驗平臺來學(xué)習(xí)經(jīng)驗，設(shè)計試驗，通過自主的學(xué)習(xí)來彌補這種不足。2.1.2中學(xué)生的思維品質(zhì)特點我國中學(xué)生的年齡主要為12~15歲，處于這個年齡階段的學(xué)生正處于身體，身心健康發(fā)展的重要階段[15]，這個年齡段的學(xué)生表現(xiàn)出了強烈的學(xué)習(xí)欲望，其專注力也表現(xiàn)出穩(wěn)定性，持久性。結(jié)合心理學(xué)的相關(guān)內(nèi)容，我們可以了解到中學(xué)生的思維有如下幾個特點：抽象思維發(fā)展迅速在這一階段的學(xué)生能夠脫離事物的具體特征，利用一些抽象的符號來進(jìn)行科學(xué)計算或推理論證，并且能夠在大腦里利用這種符號語言來重建事物的特征。知識表征以符號表征為主布魯納將人的認(rèn)知表征分為三種方式：動作表征、符號表征以及形象表征。隨著人不斷地發(fā)展和成長，人的表征方式也逐漸從動作表征像其他兩個表征發(fā)展，中學(xué)生這三個表征都有，其中符號表征和形象表征占主要方面。中學(xué)生學(xué)習(xí)物理時從運用單純的算數(shù)方法逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槔靡苑枮橹饕獢?shù)學(xué)工具的方法，包括利用函數(shù)，矢量，圖線等。學(xué)生學(xué)習(xí)遠(yuǎn)離經(jīng)驗主義中學(xué)生在獲得知識的過程中會更傾向于運用科學(xué)驗證，邏輯計算的方法而不是通過日常的生活經(jīng)驗，這樣通過自己的努力去獲得的知識印象更深，雖然在日常學(xué)習(xí)中仍不能完全擺脫經(jīng)驗主義去學(xué)習(xí)理解知識，但進(jìn)行運算的時候能夠?qū)Ｐ闹轮镜剡\用科學(xué)方法而不是生活經(jīng)驗。2.1.3混合式學(xué)習(xí)模式及相關(guān)理論隨著互聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，人們對于高效率的學(xué)習(xí)方式也在不斷探究，而混合式學(xué)習(xí)就誕生在一場“沒有圍墻的高校是否會代替有圍墻的高?！钡霓q論之后。其定義是指適當(dāng)?shù)囟嘣剡\用信息技術(shù)，根據(jù)自己的風(fēng)格，選擇合適的學(xué)習(xí)時間，來讓學(xué)習(xí)更加簡單高效。進(jìn)入21世紀(jì)，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的普及，E-Learning數(shù)字化學(xué)習(xí)方式快速發(fā)展。此后，“混合式學(xué)習(xí)”（BlendedLearning），在企業(yè)培訓(xùn)領(lǐng)域是經(jīng)常出現(xiàn)的一個詞[16]。為了使員工培訓(xùn)的效率更高，企業(yè)往往會選擇將網(wǎng)上培訓(xùn)和傳統(tǒng)培訓(xùn)結(jié)合起來。這種方法企業(yè)出現(xiàn)之后，一些教育專家也開始關(guān)注這種混合式學(xué)習(xí)的模式，經(jīng)過國際教育界的研究和探討之后，這種優(yōu)良的學(xué)習(xí)模式便被引入到了學(xué)校的教學(xué)中，以此來提高學(xué)校的教學(xué)質(zhì)量。傳統(tǒng)的教學(xué)模式和信息化互聯(lián)網(wǎng)教學(xué)各有優(yōu)劣，只有在教育上“相互扶持”，取長補短，才能夠被時代所認(rèn)可，才能走得更長遠(yuǎn)。2.2相關(guān)技術(shù)2.2.1MATLAB簡介MATLAB，即“矩陣試驗室”，是MathWorks公司發(fā)布的多功能商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，它集數(shù)值分析，算法開發(fā)，科學(xué)數(shù)據(jù)可視化，以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強大功能于一體[17]，一些常用模型組件所對應(yīng)的函數(shù)均可以在MATLAB的算法庫中找到對應(yīng)的算法，被廣泛用于科學(xué)與工程繪圖，可視化以及交互式程序設(shè)計的高科技計算環(huán)境。[18]MATLAB軟件具有編程簡單易學(xué)，用較少的程序語言能夠?qū)崿F(xiàn)其他軟件的功能等優(yōu)點將科研工作者從繁瑣的編程工作解脫出來，并且能夠?qū)⒏嗑劢沟窖芯康暮诵膯栴}中，因此受到科研工作者廣泛喜愛[19]。2.2.2基于MATLABGUI的快速平臺搭建技術(shù)GUI是GraphicalUserInterfaces的縮寫，指的是圖形用戶界面。圖形用戶界面是指程序中由鼠標(biāo)、按鍵、菜單和窗口等不同的對象組成的圖形用戶界面。[20]，用戶可以用不同的操作激活不同的對象是計算機做出相應(yīng)的動作，比如可以設(shè)計圖形用戶界面進(jìn)行繪圖、計算等操作[21]。在日常的學(xué)習(xí)過程中，一些抽象的難以用試驗去觀測到的問題常常會阻礙學(xué)生去學(xué)習(xí)理解新知識，而GUI則可以通過可視化試驗的方法去處理這些問題，將這些難以觀測到的現(xiàn)象直觀地呈現(xiàn)在學(xué)生面前，幫助學(xué)生去學(xué)習(xí)理解。而正是考慮到GUI的便捷性，所以本論文以MATLABGUI為底層平臺，搭建一個物理仿真試驗平臺，來探究虛擬仿真試驗對于中學(xué)物理試驗教學(xué)的影響。一個優(yōu)良的程序設(shè)計所必備的三要素，任何一個物理試驗都可以分為輸入、處理、輸出三要素。[22]其主要技術(shù)框架如圖2.2所示，在輸入階段，MATLAB以其優(yōu)秀的兼容性支持對各種常見數(shù)據(jù)像視頻、音頻、圖像、表格等進(jìn)行I/O讀取，通過Click事件調(diào)用事先編寫好并保存為.m文件來處理輸入的內(nèi)容，再通過參數(shù)的傳遞，從MATLAB豐富的函數(shù)庫中通過相關(guān)函數(shù)來計算結(jié)果，最后回饋到GUI界面中。而數(shù)據(jù)的個性化輸入一般是利用句柄屬性傳遞方法將框中的數(shù)據(jù)傳遞出去，而個性化輸出則是利用Table表格和Ax圖形的輸出結(jié)果的可視化來完成的。掌握Excel的數(shù)據(jù)讀取，句柄的屬性傳遞方法傳遞數(shù)據(jù)，.m文件的編寫，Click事件調(diào)用函數(shù)，Table、Ax的可視化輸出這些關(guān)鍵點，將他們結(jié)合到一起然后利用MATLABComplier打包即可完成一個簡單的虛擬仿真試驗平臺的開發(fā)與分發(fā)。圖2.2MATLABGUI搭建技術(shù)框架3基于MATLAB的仿真平臺應(yīng)用實例本章旨在通過MATLABGUI對于中學(xué)生的部分物理試驗進(jìn)行模擬仿真，包括力學(xué)中的勻變速直線運動，平拋運動，光學(xué)中的雙縫干涉試驗，熱力學(xué)中的普朗克黑體輻射問題以及電磁學(xué)中的電子在磁場中的運動軌跡。3.1勻變速直線運動仿真勻變速直線運動是指一個初速度為V0的物體，受到一個或多個力的影響，使物體往某個方向做加速度恒定的加速或減速運動。勻變速直線運動在物理教學(xué)中具有基礎(chǔ)性的作用，為平拋、類平拋鑒定良好的基礎(chǔ)，同時提高學(xué)生根據(jù)規(guī)律推導(dǎo)的能力，利用圖像解決實際問題的能力。勻變速直線運動中通過反映出速度與時間、位移與時間、速度與位移、自由落體等運動中各個量之間的關(guān)系，因此圖像更能體現(xiàn)出數(shù)與形的結(jié)合。MATLABGUI強大的圖像功能為我們提供了一個良好的平臺，將函數(shù)、實例化為具體的運動圖像，并且可以隨機改變參數(shù)以便觀察不同的變量發(fā)生變化時物體運動的改變，為我們試驗探究提供了理想化的空間。GUI界面的布局分布完成后，在回調(diào)函數(shù)中編輯相關(guān)代碼。代碼編寫中不僅要設(shè)計坐標(biāo)軸的取值范圍，還要把運動函數(shù)關(guān)系式編寫完整。函數(shù)編輯完成保存即可運行。設(shè)已知質(zhì)量為m的物體，在某一合力的影響下來開始做加速度為a的勻變速直線運動，物體的初速度為V0，在合力方向上可以得出物體在運行了時間t之后物體的瞬時速度公式，如公式2-1所示Vt=V0+at（2-1）物體在這段時間內(nèi)的速度位移公式如公式2-2所示X=V0t+12根據(jù)這些符號即可開始設(shè)計規(guī)劃一個簡單的GUI界面。如圖3.1(a)所示3.1(a)GUI界面設(shè)置一定的條件運行后如圖3.1(b)所示，用戶可在基礎(chǔ)屬性一欄中優(yōu)先輸入物體運動的初速度和加速度，后臺就會根據(jù)用戶輸入的這些數(shù)據(jù)在旁邊的圖表中繪制速度曲線，然后用戶就可以根據(jù)需求通過輸入某個時間點，就可以得到物體在這個時間點的瞬時速度以及進(jìn)行的位移。運動的線條可以形象生動的展現(xiàn)出各個變量之間的聯(lián)系，以及某個時刻對應(yīng)的瞬時速度和位移，同時觀察到速度的變化。形象、直觀的表示出物理量之間的關(guān)系，為學(xué)生建立理想的物理情境，理解內(nèi)在過程規(guī)律，大大提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力。圖3.1(b)仿真實例界面3.2平拋運動仿真拋體運動是指物體以一定的初速度向外拋出，在僅受重力的作用下所做的運動，其根據(jù)拋出方向的不同又分為豎直上拋，豎直下拋，斜拋以及平拋運動。而本論文主要研究平拋運動這一特殊的拋體運動。平拋運動是指物體被水平拋出，在只受重力的影響下所做的運動。平拋運動是中學(xué)物理必修二的內(nèi)容，旨在讓學(xué)生學(xué)習(xí)了解運動的合成與分解，其運動軌跡對于知識點的理解與把控起著重要的作用，而學(xué)生在學(xué)習(xí)平拋運動的過程中，對于物體的運動軌跡往往只是在腦海中有粗略的認(rèn)識，為了幫助學(xué)生準(zhǔn)確的了解在平拋運動中各個元素如高度h，初速度v對于其軌跡的影響，我設(shè)計了一個模擬仿真平拋運動的軌跡演示平臺，其界面如圖3.2(a)所示。為了驗證在相同高度下，物體的水平初速度對于運動軌跡的影響，因此在演示中采用了同一高度45m，而初速度則設(shè)為3m/s與5m/s，在點擊模擬運行按鈕，在旁邊的坐標(biāo)圖就會顯示兩個平拋運動的運動軌跡，并計算并顯示物體運動的時間，如圖3.2(b)所示。在此界面中，學(xué)生可以根據(jù)自己的需求來更改參數(shù)來直觀地顯示平拋運動的軌跡，也可以用來對比物體在不同條件下所做的平拋運動的不同。圖3.2（a）平拋運動仿真GUI界面圖圖3.2（b）平拋運動軌跡示意圖3.3光的雙縫干涉試驗仿真雙縫干涉是一種演示光，電子等微觀物體的波粒二象性的試驗，是中學(xué)生學(xué)習(xí)量子力學(xué)的入門試驗，其試驗內(nèi)容是在經(jīng)過雙縫后的兩束單色光會發(fā)生干涉現(xiàn)象以至于在背景板上產(chǎn)生黑白相間的干涉條紋。在傳統(tǒng)試驗教學(xué)模式中，雙縫干涉試驗縮略圖如圖3.3(a)所示。圖3.3(a)傳統(tǒng)雙縫干涉試驗縮略圖由圖3.3(a)可見，在傳統(tǒng)的試驗教學(xué)中，要完成一個簡單的雙縫干涉試驗所需要用到的試驗器具之多，內(nèi)容之復(fù)雜，一般的學(xué)校往往不能滿足所有人的需求，在實際操作中往往是多人操作一組試驗器具，而這樣的后果就是打擊了那些不能上手操作試驗的學(xué)生學(xué)習(xí)知識的積極性。因此我借用MATLABGUI設(shè)計了一個可以省去復(fù)雜的試驗操作的雙縫干涉試驗?zāi)M平臺，學(xué)生通過直接輸入數(shù)據(jù)就可以實現(xiàn)試驗成果的展示，大大節(jié)約了試驗成本于時間。其原始界面如圖3.3(b)所示。圖3.3(b)雙縫干涉試驗初始界面轉(zhuǎn)到程序操作界面，學(xué)生通過設(shè)定光的波長，雙縫間距以及縫到光屏的距離就可以在旁邊的坐標(biāo)圖中得到干涉條紋以及光強的分布曲線。設(shè)定光的波長λ為500nm，在后臺的程序中會將其自動轉(zhuǎn)換成國際單位米（m），雙縫之間間距為2mm，縫到屏之間的距離為1m，點擊“運行”按鈕，得到的結(jié)果如圖3.3(c)所示。圖3.3(c)雙縫干涉試驗運行實例3.3普朗克定律仿真模擬普朗克定律，也被稱為普朗克黑體輻射定律，其表明了在溫度T下，一個黑體放射出的電磁輻射的輻射率與頻率之間的關(guān)系。μ該定律在熱力學(xué)中具有重要意義，但由于其復(fù)雜性，在中學(xué)物理中只是一筆帶過而并沒有詳細(xì)的解說，通過MATLAB的仿真功能，我們可以大大減少學(xué)生理解普朗克定律的難度，幫助學(xué)生學(xué)習(xí)理解而不是像傳統(tǒng)教學(xué)那樣一筆帶過，可以顯著提高學(xué)生對于該定律的理解。普朗克定律仿真的難度沒有太大，利用MATLAB設(shè)計的普朗克黑體輻射定律的仿真界面如圖3.4(a)所示。其設(shè)計目的是通過改變波長頻率來模擬黑體發(fā)出的電磁輻射的輻射率的分布曲線。在圖3.4(b)和圖3.4(c)中，選取熱力學(xué)溫度為300k和400k進(jìn)行模擬得出來的結(jié)果，從中可知，隨著溫度不斷升高，黑體輻射出的能量峰值也在不斷增大，表明溫度越高黑體輻射出的能量越大，其結(jié)果符合普朗克定律。圖3.4(a)普朗克定律仿真界面圖3.4(b)300k下電磁輻射的輻射率圖3.4(c)400k下電磁輻射的輻射率3.5電子在磁場中的運動軌跡仿真下面將以帶電粒子在磁場中的運動軌跡為例，來說明MATLAB仿真在電磁理論中的運用。為了降低分析問題的難度，因此僅考慮帶電粒子在恒定磁場中的受力以及運動情況，其運動主要分為三種，一種是帶電粒子運動方向與磁場平行，該情況帶電粒子不受額外力而做勻速直線運動，第二種是帶電粒子運動方向垂直于磁場，該情況下帶電粒子因所受力與運動方向垂直而做圓周運動，第三種也是本文重點介紹的一種，帶電粒子以一定的角度射入磁場中，對其速度進(jìn)行分解，如圖3.5(a)?？梢姡瑤щ娏Ｗ釉诖艌鲋凶雎菪\動。已知帶電粒子做圓周運動的半徑：R平行于磁場方向的速度分量Vb：Vb=vcos(θ)利用GUI設(shè)計的仿真界面如圖3.5(b)所示，用戶可以通過設(shè)定帶電粒子的初速度，切入磁場的角度以及磁感應(yīng)強度，就可以直觀地看到帶電粒子的運動軌跡。以下給出實例。圖3.5(a)速度分解圖圖3.5(b)電子在恒定磁場中運動仿真界面實例1：初速度為5m/s，切入磁場的夾角為30°，磁感應(yīng)強度為5T。如圖3.5(c)實例2：初速度為5m/s，切入磁場的夾角為60°，磁感應(yīng)強度為5T。如圖3.5(d)實例3：初速度為5m/s，切入磁場的夾角為60°，磁感應(yīng)強度為10T。如圖3.5(e)圖3.5(c)v=5m/s，θ=30°，B=5T圖3.5(d)v=5m/s，θ=60°，B=5T圖3.5(e)v=5m/s，θ=60°，B=10T從這三個實例中可以看出，帶電粒子在磁場中做螺旋運動的圓周運動的半徑與進(jìn)場角度呈正比而與磁場強度呈反比，模擬結(jié)果符合公式推論。4總結(jié)與展望本文分別以技術(shù)與理論雙層面對中學(xué)物理仿真試驗平臺進(jìn)行研究。在理論方面，遵循國家教育技術(shù)理念與相關(guān)理論，尋找優(yōu)化中教師理論授課和試驗教學(xué)的新出路，這符合國家教育改革發(fā)展對教育要緊跟時代發(fā)展的要求。在技術(shù)方面，采用了兼容性較高的MATLABGUI作為底平臺。現(xiàn)對本文進(jìn)行總結(jié)，回顧過去，總結(jié)經(jīng)驗，展望未來。4.1研究小結(jié)本設(shè)計是以MATLABGUI設(shè)計仿真試驗平臺來研究虛擬仿真技術(shù)在我國中學(xué)物理試驗教學(xué)中的應(yīng)用，本文主要以兩個大方面為主展開論述，分別為文獻(xiàn)研究和實踐研究，總結(jié)如下。通過研讀大量相關(guān)文獻(xiàn)，研究了我國近年來在中學(xué)教育方面存在的一些弊端，像教育資源不足，試驗儀器損毀嚴(yán)重，設(shè)備老化，學(xué)習(xí)枯燥乏味以至于學(xué)生學(xué)習(xí)積極性低下等問題，隨著時代的進(jìn)步，這樣的教學(xué)模式必然會越來越落后，在這樣的情況下，顯然有必要將逐漸成熟的虛擬仿真技術(shù)同傳統(tǒng)的教學(xué)方式相結(jié)合。通過閱讀相關(guān)文獻(xiàn)，研究了“經(jīng)驗之塔”，中學(xué)生的思維模式特點，混合學(xué)習(xí)模式等幾個教育學(xué)，心理學(xué)的理論在中學(xué)教育中的應(yīng)用，也為虛擬試驗平臺的開發(fā)奠定了理論基礎(chǔ)。在實踐部分是從虛擬仿真輔助教學(xué)中學(xué)物理的角度出發(fā)，建立了MATLAB軟件仿真試驗平臺，從實施目標(biāo)，內(nèi)容選取，平臺構(gòu)建等方面研究了虛擬仿真試驗在中學(xué)物理試驗教學(xué)中的應(yīng)用，通過對中學(xué)物理幾個典型的試驗進(jìn)行仿真來驗證其可行性與優(yōu)越性。最后，論文對于基于MATLAB的虛擬仿真試驗平臺的設(shè)計與實現(xiàn)進(jìn)行工作總結(jié)，探討研究的不足之處并展望后續(xù)的研究。4.2論文的研究與展望虛擬仿真平臺雖然在輔助物理試驗教學(xué)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，自主學(xué)習(xí)能力有幫助。在研究學(xué)習(xí)的過程中也鍛煉了自己，但時間精力有限，就整體平臺搭建而言，有些問題還有待完善。1、該研究最大的問題是在利用MATLAB設(shè)計完成物理試驗仿真平臺時，完全是用程序語言去模擬公式，也就是通過物理公式去驗證理論，這和物理試驗講究探索的觀念的是完全相反的。因此，MATLAB在模擬仿真試驗時，僅僅是對已知理論公式結(jié)果的試驗進(jìn)行驗證性模擬，是不適用探究性試驗的?？偠灾瑐鹘y(tǒng)試驗教學(xué)中的一些試驗是虛擬仿真技術(shù)模擬所實現(xiàn)不了的，因此在中學(xué)物理試驗教學(xué)中，將二者有機地結(jié)合統(tǒng)一起來才是雙贏的方法。2、目前市面上成熟虛擬仿真試驗平臺基本上在像數(shù)據(jù)庫技術(shù)，三維建模技術(shù)，3D動畫制作技術(shù)，JavaBean技術(shù)等多門學(xué)科技術(shù)領(lǐng)域中綜合多個技術(shù)，而本論文僅僅是使用了MATLAB這個底層平臺，和目前日漸成熟的虛擬仿真技術(shù)相比還有較大差距，后期還需要做更近一步的優(yōu)化。參考文獻(xiàn)：[1]張夢嬌,李瑞歌,李輝,李聰,鄭丹,賈芳,袁超.基于MATLAB的仿真模擬在大學(xué)物理教學(xué)及試驗中的應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息.2016，11：130-132[2]劉松梅.虛擬平臺的中學(xué)信息技術(shù)課程設(shè)計與應(yīng)用[D].四川師范大學(xué),2012.[3]ZhangC,YangT,WangQ,etal.Designandimplementationofthepassivethree-dimensi