大學(xué)物理可視化教學(xué)模式論文
１基于ＭＡＴＬＡＢ大學(xué)物理可視化教學(xué)模式構建
根據大學(xué)物理知識及ＭＡＴＬＡＢ軟件的特點(diǎn)，運用ＭＡＴＬＡＢ數值模擬解決物理問(wèn)題的步驟可大致分為選題、分析、數值計算、結論及分析４個(gè)過(guò)程．下面我們通過(guò)大學(xué)物理課程中一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)例———牛頓環(huán)干涉，具體給出基于ＭＡＴＬＡＢ的大學(xué)物理可視化教學(xué)模式的構建過(guò)程．
�。保边x題
牛頓環(huán)是由透鏡下表面反射的光和平面玻璃上表面反射的光發(fā)生等厚干涉而形成的一些明暗相間的同心圓環(huán)，在光學(xué)元件表面質(zhì)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(guān)注以下兩點(diǎn)：（１）牛頓環(huán)干涉條紋的分布規律是怎樣的？（２）如果透鏡向上緩慢移動(dòng)，干涉條紋如何變化？課題選定后，接下來(lái)的工作便是圍繞該課題，選定適當的物理模型和算法，進(jìn)行課題的分析和求解．
�。保卜治�
牛頓環(huán)的原理圖如圖１所示．透鏡曲率半徑為Ｒ，牛頓環(huán)半徑為ｒ，牛頓環(huán)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(cháng)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(xiě)程序進(jìn)行具體的數值計算．考慮到初學(xué)大學(xué)物理課的學(xué)生入學(xué)不久，缺少數值計算的基礎和經(jīng)驗，選擇的計算方法要盡量簡(jiǎn)單，使學(xué)生能夠在短時(shí)間內理解并掌握．以下簡(jiǎn)單地給出牛頓環(huán)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(shí)所模擬得到的牛頓環(huán)圖樣，圖２（ｂ）給出了某點(diǎn)光強與該點(diǎn)到中心之間距離的對應函數關(guān)系．很容易看出，當透鏡與平面玻璃接觸時(shí)，牛頓環(huán)是以接觸點(diǎn)為中心的一系列明暗相間的同心圓環(huán)，且中央是暗斑．隨著(zhù)半徑ｒ的增大，條紋間距越來(lái)越小，空間分布上越來(lái)越密集，這是由于離開(kāi)中心愈遠光程差增加愈快的緣故．當透鏡向上移動(dòng)時(shí)，隨著(zhù)距離ｄ的變化，所產(chǎn)生的牛頓環(huán)會(huì )發(fā)生相應的變化，如圖３所示．可以發(fā)現，隨著(zhù)ｄ的增大，干涉條紋會(huì )向中心移動(dòng)．當距離為λ４時(shí)，中心變?yōu)槊靼�；當距離為λ２時(shí)，中心重新變?yōu)榘蛋�，如此循環(huán)往復．由此，我們得到了牛頓環(huán)的性質(zhì)及變化規律，這與我們通過(guò)理論推導及物理實(shí)驗所得結論是吻合的．從以上分析過(guò)程可以看到，該數值模擬方法更為直觀(guān)、易懂，能夠更靈活地表現出復雜的物理過(guò)程，從而更容易被學(xué)生所理解和接受．
２思考及建議
在該教學(xué)模式實(shí)踐過(guò)程中，我們也遇到了一些問(wèn)題，需要在教學(xué)中不斷摸索不斷改進(jìn)．下面給出我們的一些思考和建議．首先，教學(xué)課時(shí)不足問(wèn)題．大學(xué)物理課程本身內容繁多，傳統的授課方式都會(huì )顯得課時(shí)不足．將ＭＡＴＬＡＢ數值模擬引入大學(xué)物理教學(xué)，還需學(xué)生額外掌握ＭＡＴＬＡＢ語(yǔ)言、數值計算方法等基本知識，對學(xué)生和指導教師都提出了很大的挑戰．因此，主要需要學(xué)生在課下進(jìn)行自主性學(xué)習，教師在課堂上只是引導和點(diǎn)撥．對不同能力水平的學(xué)生可以提出不同的要求，如對于基礎差的學(xué)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(wèn)題即可；對于基礎好的學(xué)生，可以給他們安排一些簡(jiǎn)單的`課題，讓他們在課下獨立編程完成．為提高學(xué)生的參與性，可將學(xué)生的課題完成情況與期末考試成績(jì)掛鉤，作為學(xué)業(yè)成績(jì)加分的重要依據．其次，大學(xué)物理課程受眾面廣，學(xué)生專(zhuān)業(yè)方向不一．我們對不同系院不同專(zhuān)業(yè)的學(xué)生和專(zhuān)業(yè)課教師進(jìn)行了問(wèn)卷調查，了解各專(zhuān)業(yè)后續專(zhuān)業(yè)課及后續升學(xué)就業(yè)需用到的大學(xué)物理知識情況．通過(guò)給不同專(zhuān)業(yè)學(xué)生介紹與本專(zhuān)業(yè)相關(guān)的物理內容，增加學(xué)生的重視程度和參與熱情．最后，數值模擬作為科學(xué)研究的一種重要手段，如果能與理論研究和實(shí)驗研究相結合，將能夠更好地幫助學(xué)生學(xué)習大學(xué)物理知識．大學(xué)物理課程因其自身兼具理論性和實(shí)踐性的特點(diǎn)，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(huán)為例，幾乎所有的大學(xué)物理課本都給出了相應的理論推導來(lái)分析牛頓環(huán)的性質(zhì)和變化規律，同時(shí)牛頓環(huán)實(shí)驗作為經(jīng)典的光學(xué)實(shí)驗，基本上也是大學(xué)物理實(shí)驗課程的必做實(shí)驗項目．加上本文所介紹的數值模擬方法，學(xué)生利用不同研究方法對該內容進(jìn)行研究并且對比，很容易會(huì )對相關(guān)物理知識有更清晰和深刻的認識，從而促進(jìn)對大學(xué)物理課程的學(xué)習．
３結論
將ＭＡＴＬＡＢ數值模擬引入大學(xué)物理課程教學(xué)，可使抽象、復雜的物理知識以直觀(guān)、靈活的形式呈現于學(xué)生面前，實(shí)現大學(xué)物理教學(xué)的可視化，幫助學(xué)生更好地理解物理過(guò)程，促進(jìn)大學(xué)物理課程的學(xué)習．同時(shí)，該教學(xué)模式的實(shí)施，對如何更好地開(kāi)展其他通識性基礎課的教學(xué)，促進(jìn)基礎課程的教學(xué)改革，也有一定的啟發(fā)作用．
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