矢量分析與場(chǎng)論課程的MatLab可視化教學(xué)實(shí)踐

肖漢光+宋濤+鄒雪

摘要：“矢量分析與場(chǎng)論”是理工本科專業(yè)的重要基礎(chǔ)課程，該課程的主要特征是抽象、難教和難學(xué)。為此，在教學(xué)過程中利用MatLab進(jìn)行矢量分析的可視化教學(xué)，使課程更加生動(dòng)具體，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，取得了良好的教學(xué)效果，值得推廣。

關(guān)鍵詞：矢量分析;場(chǎng)論;可視化教學(xué);MatLab

中圖分類號(hào)：G642.0 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：1674-9324（2015）20-0146-02

“矢量分析與場(chǎng)論”課程是理工科（如電子、電氣、信息、自動(dòng)化等專業(yè)）本科生必修的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。該門課程是其他核心課程的前續(xù)課程，如物理場(chǎng)論、電磁場(chǎng)與電磁波、波導(dǎo)理論、電磁兼容、電機(jī)學(xué)等重要專業(yè)課，所以該門課程掌握的好壞直接關(guān)系到核心專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)。因此，如何教好和學(xué)好這門課程顯得尤為重要。

由于該課程概念抽象、理論性強(qiáng)、數(shù)學(xué)能力要求高，所以教與學(xué)都有較大難度。為此，筆者將MatLab應(yīng)用到該門課程的教學(xué)過程中，使教學(xué)內(nèi)容變得生動(dòng)、具體，使學(xué)生產(chǎn)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣，取得了良好的教學(xué)效果。

一、矢量運(yùn)算

矢量運(yùn)算是該門課程的基礎(chǔ)，其教學(xué)較為容易，但部分學(xué)生計(jì)算時(shí)常常出錯(cuò)，利用MatLab的矢量計(jì)算函數(shù)可以方便地進(jìn)行矢量計(jì)算，幫助檢驗(yàn)計(jì)算結(jié)果，同時(shí)可以幫助觀察和理解矢量運(yùn)算。例如，求矢量■=（1，2，3），■=（1，1，1），■=（2，1，3）的矢量運(yùn)算。

代碼如下：

A=[1 2 3];B=[1，1，1];C=[2，1，3];

A+B;%矢量相加

A-B;%矢量相減

dot（A，B）;% ■·■，點(diǎn)積或標(biāo)積

cross（A，B）;% ■×■叉積或矢積

dot（A，cross（B，C））;% ■·（■×■）標(biāo)量三重積

cross（cross（A，B），C）;% ■×■×■矢量三重積

norm（A，2）% |■| 求模

A./norm（A，2）% ■■求單位矢量

在計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，利用quiver3可繪出矢量圖形，如圖1所示為以上代碼計(jì)算結(jié)果的空間可視化圖形，便于學(xué)生理解叉積等難掌握的新知識(shí)。

二、梯度、散度和旋度的計(jì)算

利用MatLab的符號(hào)運(yùn)算功能，學(xué)生可對(duì)梯度、散度、旋度等微分算子進(jìn)行符號(hào)計(jì)算。標(biāo)量場(chǎng)的梯度可利用gradient函數(shù)，例如：計(jì)算三維標(biāo)量場(chǎng)

f（x，y，z）xe■的梯度，則MatLab代碼為：

syms x y z

f = x .* exp（-x.^2 - y.^2- z.^2）

g=gradient（f，[x，y，z]）;

%繪制梯度場(chǎng)

[X，Y，Z]=meshgrid（-1∶.1∶1，-1∶.1∶1，-1∶

.1∶1）;

G1=subs（g（1），[x y z]，{X，Y，Z}）;

G2=subs（g（2），[x y z]，{X，Y，Z}）;

G3=subs（g（3），[x y z]，{X，Y，Z}）;

quiver3（X，Y，Z，G1，G2，G3）

利用quiver3函數(shù)可以繪出三維矢量場(chǎng)，上述三維標(biāo)量場(chǎng)的梯度場(chǎng)如圖2所示。

矢量場(chǎng)的散度和旋度可利用diff函數(shù)，例如：計(jì)算三維矢量場(chǎng)的■（x，y，z）=（x+y+z■）■x+（x■y）■■+2yz■■散度和旋度，則MatLab代碼為：

syms x y z

F=[x+y+z^2，x^2*y，2*z];

divF=diff（F（1），x）+diff（F（2），y）+diff（F（3），z）;

rotF=diff（F（3），y）-diff（F（2），z），diff（F（1），z）-diff（F（3），x），diff（F（2），x）-diff（F（1），y）];

%繪制散度場(chǎng)

[X，Y，Z]=meshgrid（-1.2∶.2∶1.2，-1∶.2∶1，-1∶.2∶1）;

V=subs（divF，[x y z]，{X，Y，Z}）;

slice（X，Y，Z，V，[-1 0 1]，0.2，[-.8]）

shading interp

%繪制旋度場(chǎng)

figure

G1=subs（rotF（1），[x y z]，{X，Y，Z}）;

G2=subs（rotF（2），[x y z]，{X，Y，Z}）;

G3=subs（rotF（3），[x y z]，{X，Y，Z}）;

quiver3（X，Y，Z，G1，G2，G3）

該三維矢量場(chǎng)的散度場(chǎng)和旋度場(chǎng)如圖3和圖4所示。

三、等值線和場(chǎng)線的繪圖

對(duì)于二維的標(biāo)量場(chǎng)，可以利用mesh函數(shù)繪制分布圖，圖5為f（x，y，z）=xe■的標(biāo)量場(chǎng)分布。

其代碼為：

[x，y]=meshgrid（-2∶.1∶2，-1∶.05∶1）;

z=x.*exp（-x.^2-y.^2）;

mesh（x，y，z）;

對(duì)于三維的標(biāo)量場(chǎng)，可以利用切片函數(shù)slice繪制分布圖，如圖3所示，其代碼為：

slice（X，Y，Z，V，[-.5 0 0.5]，0.2，[-.8]）;

二維標(biāo)量場(chǎng)的等值線可利用contour函數(shù)繪制，二維矢量場(chǎng)的場(chǎng)矢量分布圖可利用quiver函數(shù)繪制，圖6為標(biāo)量場(chǎng)f（x，y，z）=xe■的等值線和梯度矢量場(chǎng)的場(chǎng)分布。

二維矢量場(chǎng)的場(chǎng)線可利用streamline和stream2繪制。

四、結(jié)語

針對(duì)“矢量分析與場(chǎng)論”課程難教難學(xué)、概念抽象、計(jì)算復(fù)雜等特點(diǎn)，采用MatLab的向量計(jì)算、繪圖等技術(shù)，高效、便捷、直觀地實(shí)現(xiàn)了該門課程的可視化教學(xué)，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)學(xué)生可通過編程提高解決實(shí)際問題的能力和動(dòng)手能力，提升綜合素質(zhì)，實(shí)現(xiàn)教學(xué)相長的效果。

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