物理學中的動畫教學探索

□楊遠航 孫國航 段敬文 張 麗 張 勇

隨著計算機技術的發展，計算機動畫技術輔助教學也走入人們的視野。目前，在課堂上使用動畫進行物理過程的演示，以及進行理想狀況下的推論，不斷地走向高校日常的教學課堂。國內的動畫行業以及使用動畫進行教學仍處在起步階段，進行基于MATLAB的動畫研究極為重要，所以本文基于MATLAB對物理教學中動畫進行改進，在增強可視化的前提下，做出更符合課堂使用的動畫。

一、MATLAB介紹

(一)背景介紹。多媒體教學，相比于傳統的“粉筆黑板”式教學，有著非常多方面的優越性。但是，多媒體教學在以“PowerPoint”軟件為基礎制作電子教案的過程中，有一些物理學中的運動和結果無法用“PowerPoint”軟件表達，特別是圖像，即使能夠勉強表達，也缺少了點意思和精髓。對于動畫，“PowerPoint”就無能為力了，在很長的一段時間里電子課件里的動畫一直用Flash作為代替，并未有一個全新的、方便的、簡潔的軟件出現。

(二)MATLAB介紹。自1984年，商業數學軟件MATLAB由美國MathWorks公司推出并進入市場，經過30多年的不斷發展、完善，MATLAB現在已發展成為集數值計算、符號計算、可視化功能以及諸多的工具箱為一體的大型科學計算軟件，MATLAB以它的功能強大、界面簡潔、操作簡單使它成為大多數發達國家的科研人員，各技術部門，乃至各大學生、研究生熱衷的工具軟件。

二、MATLAB模擬動畫在物理教學中的應用

(一)聲速測量。聲速的測量是大學物理實驗中重要的部分，通常學生通過信號發生器和示波器，進行李薩如圖形的觀察。但在教學過程中不難發現，學生們對于理論部分在原始的板書、講解的情況下，很難建立一個清晰的概念，故本文利用MATLAB進行模擬李薩如圖，既能學習數值計算方法研究，又可直觀觀察變化的連續動畫。

1.駐波法測聲速。由波動理論可知，波速與波長、頻率有如下關系：v=f λ，只要知道頻率和波長就可以求出波速。圖1是超聲波測聲速實驗裝置圖。

由超聲波發射器產生的一定頻率的超聲波通過超聲波發生頭發射而出，經過在空氣中一定距離的傳播到達超聲波接收頭，此時如果距離為半波長的整數倍，即發射面與接收面之間的距離L為λ/2的整數倍時，且發射面與接收面垂直，那么空氣中就會形成穩定的駐波共振現象。

圖1 聲速測量儀圖

在大學物理實驗的理論教學中測量聲波的特性在觀察駐波時很難調整到合適的頻率，由于操作的原因，以及受教學設備的限制影響，學生在實驗過程中很難觀察到駐波，更不要說理解其機制。

而MATLAB可以清楚明了地向學生展示駐波，并生成動畫，直觀展現駐波發生機理。以下是MATLAB創建的模擬駐波的程序。

clear all;

xm=5;

x=0:0.01:xm;

u1=0.1*cos((2*pi)*x+pi/4);

u2=u1;

% u2=0.4*cos((pi/4)*x+(pi/6));

u=u1+u2;

figure

h=plot(x,u,' r' ,' LineWidth' ,2);

axis([0,5,-0.4,0.4]) ;

grid on

%加網格

fs=16; %字體大小

% xlabel(' itx/lambda' ,' FontSize' ,fs) %x標簽

% ylabel(' itu/A' ,' FontSize' ,fs) %y標簽

% title(' 駐波的形成' ,' FontSize' ,fs) %標題

hold on;

h1=plot(x,u1,' b' ,' LineWidth' ,2) %右行波句柄

h2=plot(x,u2,' k' ,' LineWidth' ,2) %左行波句

while 1

u1=[u1(end),u1(1:end-1)]; %倒數第二個元素移到第一個

u2=[u2(2:end),u2(1)]; %第二個元素移到最后一個

u=u1+u2; %合成波

set(h1,' YData' ,u1) %設置左行波的位移

set(h2,' YData' ,u2) %設置右行波的位移

set(h,' YData' ,u) %設置合成波的位移

[um,i]=max(u1); %求右行波的最大值和下標

% set(ht1,' Position' ,[x(i),um+0.1]) %設置右箭頭的位置

[um,i]=max(u2); %求左行波的最大值和下標

% set(ht2,' Position' ,[x(i),um+0.2]) %設置左箭頭的位置

drawnow %更新屏幕

pause(0.1) %延時

end

圖2 駐波模擬圖(不同的值下的駐波曲線)

其實不難看出，對于學生而言，MATLAB具有的動畫以及模擬，可以進一步提升物理數據的可視化，使得抽象問題更加形象化。基于MATLAB的物理學中的動畫教學，不僅可以提高教學效率，讓學生對物理現象輕松理解，還可以激發學生的想象力，加深學生對物理規律的理解。

而對于教師而言，以MATLAB作為教學工具，對物理現象進行模擬，不僅能為學生帶來直觀上的體驗，MATLAB具有豐富的、簡潔的庫函數,還使得使用它的編程人員或教師們從其他計算機語言的繁紛雜瑣的底層編輯中解放出來，讓技術人員有更多時間和精力去關注科學問題背后的原因。MATLAB的優點就是簡潔、直觀。

三、基于MATLAB的動畫教學優點

(一)動畫教學有利于復雜運算與邏輯的推理。物理教學是越發深入的東西,越到后來,越是抽象,也許學生能死記硬背強硬記住一大堆公式、術語,卻缺少了科研本身的探索,通過日復一日的學習，學生們可以進行計算推導，但本身卻缺少靈活，而基于MATLAB的動畫演示可以進行觀察實驗現象和理論數據的推導。在聲學實驗、力學試驗、電磁學實驗、光學實驗、機械振動中，組織動畫演示實驗課件，MATLAB都取得了一定的成果。

(二)動畫教學有利于學生對復雜計算以及復雜物理過程進行理解。MATLAB可以進行動態模擬，清晰直觀的為學生展現出,宏觀、微觀上的變化方式，種類多樣，豐富充足，使學生形成對知識感性、鮮明的記憶，然后不斷上升為理論知識奠定學生的基礎。比如物理中的拋物運動，核外電子的運動。使用MATLAB進行動畫教學，極大地增強了學生對知識理解的速度和深度，不斷地讓學生的基礎更加扎實、厚重。

(三)動畫教學有利于培養學生求知興趣、動手能力。動畫教學對學生有著極為正向的促進作用，使學生主動去學習。動畫教學擅長完成一些教學器材不足實驗條件差的物理實驗，農村中學實驗教學中的不足將被彌補，動畫可以清晰明了地展示物理過程，甚至達到現實實驗的精確，還達到了事半功倍的效果。

總而言之，動畫教學改變了學生的學習方式，促進自主的探究式學習。也激發出新的教學理念，對教師教學進行促進。

四、結語

在教學過程中插入MATLAB做出的一些圖像和動畫,進行電子教案的編寫,可以進行原理的再現，很大程度上便利了學生和教師。為學者提供了新的學習途徑，將網絡學習障礙減到最小，減輕學習過程多余的認知負載，提高學習效率與質量。通過MATLAB進行編程與在網上搜集相關資料，進行一個對物理現象的演示軟件，讓學生能夠充分認識到物理實驗的魅力，MATLAB軟件具有強大的數值計算、繪制立體圖形以及動態演示等功能，將MATLAB軟件運用到物理實驗的教學中，能有效地增強學生的空間立體感，使其直觀。在做好物理教學之后，可以涉及化學和更好層次的物理的教學軟件，做大做強。