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(gòu)建
根據(jù)大學(xué)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(xué)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(xué)物理可視化教學(xué)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(xué)元件表面質(zhì)量精確檢驗及光譜儀設(shè)計中都有廣泛應(yīng)用．對于該部分知識，我們主要關(guān)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(dāng)?shù)奈锢砟Ｐ秃退惴ǎM(jìn)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(shè)計相應(yīng)的算法，并編寫程序進(jìn)行具體的數(shù)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(shù)值計算的基礎(chǔ)和經(jīng)驗，選擇的計算方法要盡量簡單，使學(xué)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(dāng)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(yīng)函數(shù)關(guān)系．很容易看出，當(dāng)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(yuǎn)光程差增加愈快的緣故．當(dāng)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(yīng)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(dāng)距離為λ４時，中心變?yōu)槊靼撸划?dāng)距離為λ２時，中心重新變?yōu)榘蛋撸绱搜h(huán)往復(fù)．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(dǎo)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(fù)雜的物理過程，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)模式實踐過程中，我們也遇到了一些問題，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)課時不足問題．大學(xué)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(xué)物理教學(xué)，還需學(xué)生額外掌握ＭＡＴＬＡＢ語言、數(shù)值計算方法等基本知識，對學(xué)生和指導(dǎo)教師都提出了很大的挑戰(zhàn)．因此，主要需要學(xué)生在課下進(jìn)行自主性學(xué)習(xí)，教師在課堂上只是引導(dǎo)和點撥．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(chǔ)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(fù)雜的物理問題即可；對于基礎(chǔ)好的學(xué)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(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掛鉤，作為學(xué)業(yè)成績加分的重要依據(jù)．其次，大學(xué)物理課程受眾面廣，學(xué)生專業(yè)方向不一．我們對不同系院不同專業(yè)的學(xué)生和專業(yè)課教師進(jìn)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(xué)就業(yè)需用到的大學(xué)物理知識情況．通過給不同專業(yè)學(xué)生介紹與本專業(yè)相關(guān)的物理內(nèi)容，增加學(xué)生的重視程度和參與熱情．最后，數(shù)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驗研究相結(jié)合，將能夠更好地幫助學(xué)生學(xué)習(xí)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(xué)物理課本都給出了相應(yīng)的理論推導(dǎo)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(xué)實驗，基本上也是大學(xué)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(xué)生利用不同研究方法對該內(nèi)容進(jìn)行研究并且對比，很容易會對相關(guān)物理知識有更清晰和深刻的認(rèn)識，從而促進(jìn)對大學(xué)物理課程的學(xué)習(xí)．
３結(jié)論
將ＭＡＴＬＡＢ數(shù)值模擬引入大學(xué)物理課程教學(xué)，可使抽象、復(fù)雜的物理知識以直觀、靈活的形式呈現(xiàn)于學(xué)生面前，實現(xiàn)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程，促進(jìn)大學(xué)物理課程的學(xué)習(xí)．同時，該教學(xué)模式的實施，對如何更好地開展其他通識性基礎(chǔ)課的教學(xué)，促進(jìn)基礎(chǔ)課程的教學(xué)改革，也有一定的啟發(fā)作用．
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