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(gòu)建
根據(jù)大學物理知識及ＭＡＴＬＡＢ軟件的特點，運用ＭＡＴＬＡＢ數(shù)值模擬解決物理問題的步驟可大致分為選題、分析、數(shù)值計算、結(jié)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(huán)干涉，具體給出基于ＭＡＴＬＡＢ的大學物理可視化教學模式的構(gòu)建過程．
１．１選題
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，我們主要關注以下兩點：（１）牛頓環(huán)干涉條紋的分布規(guī)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?shù)奈锢砟Ｐ秃退惴ǎM行課題的分析和求解．
１．２分析
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．若入射光的波長為λ，則垂直入射的兩束反射光光程差為２．３數(shù)值計算根據(jù)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(shù)值計算．考慮到初學大學物理課的學生入學不久，缺少數(shù)值計算的基礎和經(jīng)驗，選擇的計算方法要盡量簡單，使學生能夠在短時間內(nèi)理解并掌握．以下簡單地給出牛頓環(huán)數(shù)值模擬所用到的主要程序代碼．２．４結(jié)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(huán)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(shù)關系．很容易看出，當透鏡與平面玻璃接觸時，牛頓環(huán)是以接觸點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(chǎn)生的牛頓環(huán)會發(fā)生相應的變化，如圖３所示．可以發(fā)現(xiàn)，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?yōu)槊靼撸划斁嚯x為λ２時，中心重新變?yōu)榘蛋撸绱搜h(huán)往復．由此，我們得到了牛頓環(huán)的性質(zhì)及變化規(guī)律，這與我們通過理論推導及物理實驗所得結(jié)論是吻合的．從以上分析過程可以看到，該數(shù)值模擬方法更為直觀、易懂，能夠更靈活地表現(xiàn)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(nèi)容繁多，傳統(tǒng)的授課方式都會顯得課時不足．將ＭＡＴＬＡＢ數(shù)值模擬引入大學物理教學，還需學生額外掌握ＭＡＴＬＡＢ語言、數(shù)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(zhàn)．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(yè)成績加分的重要依據(jù)．其次，大學物理課程受眾面廣，學生專業(yè)方向不一．我們對不同系院不同專業(yè)的學生和專業(yè)課教師進行了問卷調(diào)查，了解各專業(yè)后續(xù)專業(yè)課及后續(xù)升學就業(yè)需用到的大學物理知識情況．通過給不同專業(yè)學生介紹與本專業(yè)相關的物理內(nèi)容，增加學生的重視程度和參與熱情．最后，數(shù)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(jié)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(huán)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(huán)的性質(zhì)和變化規(guī)律，同時牛頓環(huán)實驗作為經(jīng)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(shù)值模擬方法，學生利用不同研究方法對該內(nèi)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(jié)論
將ＭＡＴＬＡＢ數(shù)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(xiàn)于學生面前，實現(xiàn)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(fā)作用．
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