MATLAB在高中物理教學中的應用研究綜述

姚瑞銳 李豐果

(華南范大學物理與電信工程學院 廣東 廣州 510006)

新課程要求關注信息化環境下的教學改革，隨著2020年全國疫情的爆發，線下物理實驗課程面臨著按下“暫停鍵”的問題．因此，如何將信息技術高效滲透到中學物理教學之中，從而提高課堂效率、提高學生的認知和理解能力，成為物理教師必須學習和研究的重要課題．本文整理并分析了2011—2022年3月國內關于MATLAB在高中物理教學中的研究情況，希望能夠對未來的學者們起到拋磚引玉的作用．

1 研究數據統計分析

1.1 研究趨勢

在CNKI數據庫中，以“MATLAB，物理”為主題進行檢索，截至2022年3月7日，共有2 637萬條結果，而以“MATLAB，高中物理”為主題進行檢索，共有28條結果(見圖1)．分析檢索結果發現，MATLAB一詞在1980年之前就已經出現在“中國知網”中，但關于MATLAB與物理教學的相關文獻是從2001年開始逐漸被教育者們關注，并將其引入到物理教學領域．近年來，文獻發表的數據呈上升趨勢，2020年為論文發表的鼎盛時期．這充分說明了隨著全國疫情的到來，將MATLAB融入高中物理并輔助教學的研究持續被教育研究者們關注．

縱觀檢索數量可知，相關的研究還不夠深入，在熱學和聲學等板塊仍然存在空缺．特別是對于一線城市的教育研究者，在教學資源充足的條件下，更應重視信息技術與實際教學的結合，力圖借助信息技術的優點最大化輔助教學．

圖1 文獻數據的趨勢圖

1.2 樣本選取

本文以檢索到的28篇文獻(20篇期刊論文，8篇學位論文)為研究樣本進行整理和分析，以此來了解近年來國內關于MATLAB軟件在高中物理教學中應用的整體研究情況．目前，MATLAB輔助物理教學的研究現狀大致可以分為圖形可視化、模擬仿真、數值計算以及軟件對接4個方面(見表1).

表1 研究文獻的主題分布

2 研究內容

2.1 MATLAB的圖形可視化應用

目前，主要利用MATLAB的可視化幫助學生建立概念，實時演示以及探究實驗，三者是相互結合的．

一是力學和電磁學，有學者將其結合起來，考慮到多媒體展示的教學圖片有可能是從網頁上下載得來，而不是教師自主設計,2020年，郭強友建立了MATLAB 輔助教學的幾種模式，展現了MATLAB繪圖和數據處理的功能[1]．分析可知，MATLAB的可視化在力學和電磁學板塊已經得到了實踐并有助于教學，但多數為理論分析，很少有數據支撐，缺乏實證．

二是光學，由于學生只能通過教材上的文字與圖片去記憶、理解光的干涉或衍射圖樣，而不能直觀地觀察其變化，存在“只見山頭不見綠洲”的問題，付酮程借助MATLAB GUI交互界面呈現光學等干涉圖樣，通過數值模擬，將復雜的物理規律“封裝”在程序中，從理論模型、參數設置、交互界面幾個維度展開[2]．關于光的干涉這一知識，文獻[3]結合了自身長期的課堂教學實踐已證實，利用MATLAB授課比用黑板或者PPT更靈活，效果更佳．

光的衍射與干涉等知識對學生來說是一個重難點，且實驗環境和儀器設備要求較高，加之疫情影響，因此，MATLAB在物理光學板塊中具有很強的生命力，值得教育研究者探索．

三是熱學和聲學，近年來也逐漸引起了研究者們的關注．2020年，楊一鳴在高中物理教學中引入 MATLAB進行數值計算和結果的圖形顯示，認為就其效果和意義而言，將其融入物理教學是一種創新行為，對于建立研究型高中具有重要意義[4]．同年，鄒法強也以微觀粒子為出發點，利用MATLAB的rand函數展現了“分子的熱運動”，這是Flash軟件無法達到的[5]．

然而，關于分子的表面張力如何形成？聲音是如何傳播的？傳播的軌跡怎么樣？如何消除噪聲？如何對聲信號進行濾波、調頻和調幅？這些問題都值得我們進一步去思考和研究，對研究者和學習者來說都具有一定的挑戰性．

2.2 MATLAB的模擬仿真應用

分析發現，MATLAB的模擬仿真功能在高中物理教學中的應用最廣．目前主要應用在概念、習題以及實驗與規律3個方面的物理教學中,分布情況如圖2所示．

圖2 MATLAB模擬仿真應用分布情況

一是概念教學，2013年，朱國強利用MATLAB輔助質點概念的教學[6]．2015年，紀婷婷提出了MATLAB在高中物理靜電場的應用和實踐[7]．2016年，范書宇老師開展了MATLAB在機械振動和機械波中的教學研究，并通過實例分析，驗證了其可行性[8]．2020年，皮傳君在開展了MATLAB 輔助高中物理電場和電勢等概念的教學[9]．縱觀案例可知，MATLAB的模擬仿真功能在許多物理板塊中已經有學者嘗試應用，并且也取得了積極的效果．

二是習題教學，2020年，劉慶基于MATLAB建模對單擺進行了教學設計，對比實驗和普通兩個班級，得出了學生較能接受該教學模式且實驗班級教學效果更顯著的結論，有一定的數據支撐[10]．但研究內容較為局限，實證力不足．針對MATLAB制作課件耗時費力的問題，要視情況來搭建問題情境，在涉及微元和級數時便可以引入[11]．

三是實驗與規律教學，2016年，劉海山利用MATLAB解釋了干涉現象中兩列波的頻率必須相同的原因[12]．

2017年，鄭穎等人利用MATLAB GUI開展了電學的實驗，以提高學生對電磁場問題的分析能力[13]．但更為復雜的運動情況以及如何完整地仿真出粒子的運動規律，還需進一步的探討．

2018年，徐超凡借助MATLAB清楚地看到電容電感對于振蕩電路的影響[14]．同年7月，田潔利用MATLAB開展了機械波干涉現象的參數可調仿真實驗，有利于獲得不同實驗條件的不同實驗結果[15]．

2019年，殷麒翔從力學板塊出發，利用 MATLAB 的數值計算和圖形技術，模擬了雨滴在自由下落過程中的動力學過程[16]．

2020年，馬小花定量分析本地高中物理演示實驗的不足并利用MATLAB開展了電學的模擬仿真教學[17]，同年，賀盼盼利用MATLAB對電磁學實驗進行了模擬仿真[18].廖湘萍等人對電磁波信號進行動態仿真[19]．但都只是個案分析，沒有進行推廣應用，因而無法給出普遍適用的信息．

總體來看，目前有許多利用MATLAB與高中物理結合的教學案例，案例也有一定的數據支撐，但能從個案到一般的經驗較少，只停留在理論分析層面，即將公式進行理論推導后轉化成程序語言進行模擬，對課堂教學的實施只是提供了一些原則性的觀點和思路．若能將研究內容進行具體劃分，提供更為細致的理論分析和實踐案例的支撐，使MATLAB不僅能夠驗證已知結論的實驗，而且適用于探究實驗．

需要注意的是，模擬仿真和遠程教育只是作為實驗教學的補充，無法替代學生動手操作完成實驗的教育價值，教學中要考慮技術的邊界和教育的目標．

2.3 MATLAB數值計算應用

單獨研究MATLAB數值計算功能的文獻較少，多數是結合模擬仿真的功能進行研究．2013年，蔡亮借助MATLAB強大的數值計算功能，定量研究機車恒定功率模型，但卻只停留在了數值計算[20]．2020年，熊亮借助案例，設計了高中物理常規實驗數據處理交互界面，快速得出直觀結論[21]．

整理發現，從數值計算和物理過程模擬的角度處理復雜電磁學和力學問題是目前研究的熱門，教學反饋也是最佳的．因此，為了避免學生“背公式”“套步驟”的答題習慣，在教學條件和時間允許的情況下，利用MATLAB的數值計算和仿真模擬功能輔助復雜習題求解也是一種創新．

2.4 教學軟件的對接及教學改革探討

檢索文獻中，最早將MATLAB與教學軟件結合的是嚴大虎，他利用 MATLAB簡單快捷地制作出適合高中物理特點的課件，解決了在PowerPoint中實時繪圖的問題[22]．之后，紀婷婷等人以MATLAB可視化圖形用戶界面為核心模塊，在Author ware平臺下統籌Flash和MATLAB軟件(見圖3)[23]．這一系統解決了MATLAB制作課例耗時，教師時間和精力有限而不能系統地學習和使用 MATLAB的問題．

圖3 中學物理實驗室結構框架圖

關于教學改革探討方面，有學者強調，學習MATLAB和物理時應重點介紹其help功能以及如何用MATLAB理解線性代數，探討有效調動學生學習積極性、激發學生主觀能動性的具體方法，為提高物理教學質量提供了參考和借鑒．

將MATLAB與教學軟件對接是物理教學中的一個創新點，目前的研究還不夠深入，在當代信息化教學模式下，這是改革的一個探究點，值得我們做進一步的研究和探討．

3 總結與展望

從整理結果來看，近些年MATLAB在國內的發展逐漸趨于完善并應用于中學物理教學，但也仍然存在著一些問題．鑒于此，本文提出了以下幾點建議與展望．

3.1 以知識為載體 傳遞價值理念

引起學生的興趣是有效教學的關鍵，課堂不僅是知識傳授的舞臺，更是價值引領的陣地．尤其在抗“疫”期間，在打破常規的教學模式下，物理課堂僅僅通過展示視頻與PPT是遠遠不夠的，因此，推廣MATLAB與高中物理的有機融合與取長補短是一條有效的途徑．為此，學校可以嘗試著修訂校本課程，在物理概念和物理理論的建立過程中嵌入MATLAB給予學生感性認識，從科學家的探索經歷和科學成就中開展課程思政，激發學生的好奇心與求知欲，引發學生強烈的愛國情感．

值得注意的是，教材中不是每一個知識點都能與MATLAB有機融合，需要選擇有合適的物理模型以及學科知識不能過于綜合的知識點展開教學．同時也需要考慮學生的參與能力，教師是否能駕馭，教學內容是否符合課程標準，是否有利于推廣等問題．

3.2 與時俱進 注重能力培養

目前的教學模式多數停留在“教”的層面，而不是與“學”相輔．普通高中物理課程標準2017年版的核心素養中一個重要的原則便是“注重時代性”，這就要求課堂教學模式需要與時俱進，不能墨守成規．注重因材施教與個性化發展是物理教學中歷久彌新的原則．

嚴峻的疫情使線下課程陷入了困頓，同時也為信息技術教學帶來了新機遇．因此，引入MATLAB要符合當下“雙減”政策的要求，不能無形之中給學生增添負擔，可以選取周末的時間，讓感興趣的學生通過小組合作的形式進一步探討．這種知識輸出的教學形式，既尊重學生能力的正態分布規律，也是銜接大學物理的體現．

3.3 整合創新 建立教學資源庫

目前的研究較多涉及案例分析，知識比較零散，不具有普遍性，并且教師還不能快速高效地利用MATLAB輔助教學．鑒于此，筆者嘗試提出建議：

第一，建立數據庫，知識按照5大板塊4個方面各自分類整合(見圖4)．比如電磁學中靜電場；光學中雙縫干涉；力學中小球做自由落體運動；聲學中信號采集處理以及熱學中分子的無規則運動等內容．以某一知識為這一板塊的出發點，在此基礎上做參數調整與程序修改，同時兼容各類格式，支持批量導入，不僅實現教學資源的良性循環，也可大大減輕教師的備課負擔．

第二，創新教學方式，強化MATLAB移動學習的支持功能，并且提供平臺開放式接口技術，支持資源庫“能學，輔教”的功能定位，共享優質教學資源，降低教學研發成本，支撐教師課堂教學，輔助學生自主學習．

圖4 知識整合框架圖

3.4 實事求是 注重學業質量評價

隨著信息技術的發展，MATLAB正逐漸滲透進各個校園，并在實際教學中得到了較好的反饋．但是MATLAB輔助高中物理教學的有效性到底有多少？是否得到認可？與傳統教學相比教學結果到底如何？哪些知識點能吸引學生的注意？學生的成績和綜合能力能否提升？目前還沒有具體的衡量指標體系，且形式單一，測量結果存在主觀性和不全面的問題．

若能開發出適合衡量本校、本地以及全國的客觀量表，形式不限于紙筆，并建立高校自己的“學習分析系統”，提供集數據挖掘、模化和案例運用的聯合框架，自動收集學生行為數據，智能分析學生學習狀態，為教師提供參考數據，為個性化教學提供有力支持．以此為出發點調整和改進教學，使得物理真正成為一門嚴謹的，實事求是的自然科學課程．