大學物理可視化教學模式論文
１基于ＭＡＴＬＡＢ大學物理可視化教學模式構建
根據大學物理知識及ＭＡＴＬＡＢ軟件的特點，運用ＭＡＴＬＡＢ數值模擬解決物理問題的步驟可大致分為選題、分析、數值計算、結論及分析４個過程．下面我們通過大學物理課程中一個簡單的實例———牛頓環干涉，具體給出基于ＭＡＴＬＡＢ的大學物理可視化教學模式的構建過程．
１．１選題
牛頓環是由透鏡下表面反射的光和平面玻璃上表面反射的光發生等厚干涉而形成的一些明暗相間的同心圓環，在光學元件表面質量精確檢驗及光譜儀設計中都有廣泛應用．對于該部分知識，我們主要關注以下兩點：（１）牛頓環干涉條紋的分布規律是怎樣的？（２）如果透鏡向上緩慢移動，干涉條紋如何變化？課題選定后，接下來的工作便是圍繞該課題，選定適當的物理模型和算法，進行課題的分析和求解．
１．２分析
牛頓環的原理圖如圖１所示．透鏡曲率半徑為Ｒ，牛頓環半徑為ｒ，牛頓環到平面玻璃最低處的平行距離為ｅ，透鏡與平面玻璃之間的距離為ｄ．若入射光的波長為λ，則垂直入射的兩束反射光光程差為２．３數值計算根據上一步所給出的物理模型，設計相應的算法，并編寫程序進行具體的數值計算．考慮到初學大學物理課的學生入學不久，缺少數值計算的基礎和經驗，選擇的計算方法要盡量簡單，使學生能夠在短時間內理解并掌握．以下簡單地給出牛頓環數值模擬所用到的主要程序代碼．２．４結論及分析圖２（ａ）是當透鏡與平面玻璃相接觸（即ｄ＝０）時所模擬得到的牛頓環圖樣，圖２（ｂ）給出了某點光強與該點到中心之間距離的對應函數關系．很容易看出，當透鏡與平面玻璃接觸時，牛頓環是以接觸點為中心的一系列明暗相間的同心圓環，且中央是暗斑．隨著半徑ｒ的增大，條紋間距越來越小，空間分布上越來越密集，這是由于離開中心愈遠光程差增加愈快的緣故．當透鏡向上移動時，隨著距離ｄ的變化，所產生的牛頓環會發生相應的變化，如圖３所示．可以發現，隨著ｄ的增大，干涉條紋會向中心移動．當距離為λ４時，中心變為明斑；當距離為λ２時，中心重新變為暗斑，如此循環往復．由此，我們得到了牛頓環的性質及變化規律，這與我們通過理論推導及物理實驗所得結論是吻合的．從以上分析過程可以看到，該數值模擬方法更為直觀、易懂，能夠更靈活地表現出復雜的物理過程，從而更容易被學生所理解和接受．
２思考及建議
在該教學模式實踐過程中，我們也遇到了一些問題，需要在教學中不斷摸索不斷改進．下面給出我們的一些思考和建議．首先，教學課時不足問題．大學物理課程本身內容繁多，傳統的授課方式都會顯得課時不足．將ＭＡＴＬＡＢ數值模擬引入大學物理教學，還需學生額外掌握ＭＡＴＬＡＢ語言、數值計算方法等基本知識，對學生和指導教師都提出了很大的挑戰．因此，主要需要學生在課下進行自主性學習，教師在課堂上只是引導和點撥．對不同能力水平的學生可以提出不同的要求，如對于基礎差的學生，他們能夠看懂模擬仿真程序，能夠借助模擬方法理解復雜的物理問題即可；對于基礎好的學生，可以給他們安排一些簡單的`課題，讓他們在課下獨立編程完成．為提高學生的參與性，可將學生的課題完成情況與期末考試成績掛鉤，作為學業成績加分的重要依據．其次，大學物理課程受眾面廣，學生專業方向不一．我們對不同系院不同專業的學生和專業課教師進行了問卷調查，了解各專業后續專業課及后續升學就業需用到的大學物理知識情況．通過給不同專業學生介紹與本專業相關的物理內容，增加學生的重視程度和參與熱情．最后，數值模擬作為科學研究的一種重要手段，如果能與理論研究和實驗研究相結合，將能夠更好地幫助學生學習大學物理知識．大學物理課程因其自身兼具理論性和實踐性的特點，可以完美地將這３種科研方法融合在一起．以本文所介紹的牛頓環為例，幾乎所有的大學物理課本都給出了相應的理論推導來分析牛頓環的性質和變化規律，同時牛頓環實驗作為經典的光學實驗，基本上也是大學物理實驗課程的必做實驗項目．加上本文所介紹的數值模擬方法，學生利用不同研究方法對該內容進行研究并且對比，很容易會對相關物理知識有更清晰和深刻的認識，從而促進對大學物理課程的學習．
３結論
將ＭＡＴＬＡＢ數值模擬引入大學物理課程教學，可使抽象、復雜的物理知識以直觀、靈活的形式呈現于學生面前，實現大學物理教學的可視化，幫助學生更好地理解物理過程，促進大學物理課程的學習．同時，該教學模式的實施，對如何更好地開展其他通識性基礎課的教學，促進基礎課程的教學改革，也有一定的啟發作用．
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