1、 关于 Matlab 在大学物理教学中合理应用的研究报告（单位、姓名、学号等隐去）一、问题的提出：大学物理学是工科及数学、物理方面专业学生的一门必修课，由于大学物理学习中数学处理比较复杂，学生学习起来普遍感到困。而随着科学技术的不断发展，各学科的分科越来越细，导致人们不得不花更多的时间在专业方向的深入学习上，从而不可能花大量的时间来深入学习并熟练应用相关数学知识。另外，随着物理知识的深入和物理问题的复杂化，也很难通过书本上的几行字便在头脑中产生相应的物理情景，对物理问题的理解也变得更加困难。因此，如何才能使得大学物理的学习变得更容易成为大学物理教学中的一个问题。究其根本，物理教学过程中的大量数
2、学知识要求成为问题的焦点。如何才能让学生在学习的过程中摆脱繁冗的数学问题而更多地关注物理问题本身成为一个关键的问题。由于现代电脑软件技术的发展，如Mathematica、Maple、Matlab、MathCAD 等数学软件在大学物理教学中的应用越来越广泛。这些软件的引入为上述问题的解决提供了一种可能性。Matlab 以其杰出的图形及运算能力吸引了我的注意，那么 Matlab 如何在大学物理教学中进行应用？如何才能使得 Matlab 在大学物理教学过程中的促进作用最大化呢？这便是本课题要研究的。二、选题的意义：Matlab 在大学物理教学中的应用为解决大学物理学习难、教学难的问题提供了方向。对于
3、 Matlab 在教学过程中的应用的研究可以促使其在更多更广泛的物理学科及教学过程中内发挥作用，促进学生对大学物理知识的学习与理解，从而提高学生的学习效果，促进知识的深刻理解，培养物理学习的兴趣。而针对 Matlab 在大学物理教学过程中合理化运用问题的研究，将对今后大学物理教学效果的进一步提高有所帮助。也为其他软件或高新技术在教学过程中的引入提供值得参考的资料。三、对研究的理论界定：（一）名词解释：1、Matlab：Matlab 为矩阵实验室 (Matrix Laboratory)之意，是美国 Mathworks 公司于 20 世纪 80 年代推出的一种简便的工程计算语言。它集数值分析、矩阵
4、运算、信号处理和图形显示于一体，具备卓越的数值计算能力。基于 Matlab 平台的 Simulink 还可提供动态系统建模，允许用户扩展仿真环境，并兼具实时控制等功能。2、物理：本文中所涉及的物理一词专指本科理学物理课程的必修课程部分。3、教学：本文中涉及的“教学”仅指代将有关知识以各种形式由教育者传播给学习者的过程。主要涉及课堂教学及学生的课下学习方面。（二）研究思路：本课题主要着眼于 Matlab 在大学物理教学中的合理应用。通过对 Matlab自身特点、学生学习知识的特点及大学物理自身特点的研究，结合现实教学过程中存在的问题，探索 Matlab 在大学物理教学中的应用，并力争提出一个合理
5、应用 Matlab，促进在此条件下的大学物理教学最优化的方案。研究的思路如下：1、分析现在的大学物理教学情况2、分析存在的缺陷，那些可能通过 Matlab 的引入解决3、考虑 Matlab 如何在大学物理教学中进行应用4、探索 Matlab 的合理应用5、考虑相关问题并完善研究四、研究假设：1、在现有学习环境下，大学物理的学习是比较困难的2、Matlab 在大学物理教学中的应用可以提高教学效果3、过分的依赖于 Matlab 不利于学生学习大学物理知识五、研究方法设计：基于研究条件所限，依照研究思路设计研究方法如下：（一）个例研究：1、描述性观察：基于研究目的仅对一些物理课程进行描述性观察，通过
6、学生及老师的互动以及学生的反应等对学生现阶段的课堂学习效果进行分析。鉴于研究时间及课程的开设时间的限制，选择电磁学及理论力学两门有一定差别的课程进行观察。2、访谈：通过对学生及教师的访谈了解学生的学习状况及对提高学习效果的想法。鉴于研究水平，选取一名物理系的学生及一名物理课程的教师为访谈对象。内容涉及大学物理课程的学习、计算机辅助学习及学习效果的提高等。基于现实的学习状况，选取一名成绩中上等的学生及一名平时较为熟识的教师作为访谈对象。（二）综合分析：1、资料分析：首都师范大学物理系的相关课程没有涉及 Matlab 的应用，故仅通过对现有的关于 Matlab 在大学物理教学中的应用的文献、资料进
7、行分析，了解 Matlab在大学物理教学中的应用方案及应用实例，从而对其应用进行相关讨论。2、进一步讨论：通过描述性观察、访谈、资料分析的结果对 Matlab 在大学物理教学中的合理应用进行探讨，分析应用不当可能造成的结果，并提出其合理应用的建议。六、研究结果：下面通过采取两种研究方法后得出的材料和结论进行分析。（一） 、描述性观察：1、对理论力学课程的观察结果（见附录）及分析：a、观察环境：教室中前部几乎坐满了人（约 90 人） ，观察者以本课程的学习者的身份介入课堂，因此观察是在自然状态下进行的。前面几排的座位是同学提前占好的。经观察者观察，后排几乎看不清黑板上的内容。b、分析：由于看不清
8、黑板造成的学习困难并非与本课题内容相关，仅对中前部约5060 名学生及教师的行为进行了较具体的观察。这是一节分析力学部分的课程，分析力学的特点在于几乎不用画一张图就能由物理规律及数学方程得到问题的结果。果然，整整一节课，教师并未画过一张图，只是在黑板上对某一问题进行数学式子的演算和推导。教师在每写完一个阶段的式子之后总会对学生强调黑板上的推到很简单，但学生往往会保持沉默或露出比较无奈的微笑，应该是认为黑板上的内容其实并不简单。但在教师进行演算的过程中可以看到前排的同学大部分会奋笔疾书的记笔记，同时有一些同学会微微点头，应该是表示对老师所写的内容可以理解。但在个别时候，同学会停下记笔记盯着教师的
9、板书看，并且下面会有一些同学之间相互讨论的声音，显然是对老师所讲的内容不大理解。在极个别情况下，有些同学会对一些问题向老师提问。不过经过老师的进一步讲解及与同学之间两三次的交换信息，问题就得到解决了，老师继续进行讲授。由此可以看出，在理论力学课程的课堂教学当中，对于那些愿意听课并有条件听课的同学来说确实存在一些理解上的问题，但基本上都可以在课堂上经过老师的讲解解决，而且不用通过形象的图像进行辅助。2、对电磁学课程的观察结果（见附录）及分析：a、观察环境：教室中前部几乎坐满了人（约 120 人） ，且较集中于中间部分，阶梯教室，观察者进行非介入性观察，由于与授课教师较熟，故被教师注意到，但教师并
10、未问及听课原因，可认为是在自然状态下的观察。后排同样看不清黑板上的内容。b、分析：这是一节磁学方面的课程，对全体学生及教师进行了较为具体的观察。该教师为物理系有名的“名捕”之一，通过率较低，对课堂纪律及作业要求很严。课上，每当同学有轻微的躁动时，教师便会提醒学生不要说话，并对同学讲述现在的就业形势，督促同学好好学习。该教师的讲课非常细致、严谨，但从同学们的面部茫然表情可以看出，同学们的学习情况并不太好，对教师所讲内容不懂的居多，不过由于教师对纪律的要求，大多数同学都坚持听课。教师在需要的时候会在黑板上做一些图像一边相关问题的讲授，但有些物理情景由于做图上的困难只能通过语言进行描述，经过反复讲解
11、才有部分学生勉强的点点头，但从学生犹疑的表情来看，可能他们并不是真的明白了，而只是听得多了之后勉强先接受下来了。由此可以看出，在电磁学的课堂教学当中，几乎所有的同学都遇到了较大的困难，而其中有一部分的原因是由于对物理情景的难以理解，而教师单纯的语言描述并不能解决这一问题。（二） 、访谈的结果及分析：1、对教师的访谈（见附录）：该教师（以下用 A 代称）为一名物理系专业必修课的教师，对学生比较负责。访谈的内容主要涉及学生对其所教课程的学习情况，如何提高学生学习效果，计算机软件的应用对学习效果的影响等。通过访谈，我了解到 A 对其所教课程学生的学习状况并不满意，很少人能够在课上认真听讲并将所教知识
12、理解，作业也大都有抄袭现象，只有几种版本。A 认为主要的原因是：学生内心浮躁及电脑游戏等使得学生不能安下心来学习；课程安排缩水，没有足够的课时来仔细探讨讲解问题；该课程的学习有较高的难度使得很多学生学不会、学不懂等。在对学习有较高的难度使得很多学生学不会、学不懂这一原因的探讨时，A 说道该课程的知识与大多数大学物理课程一样具有相当的抽象性，与实际生活相去甚远，而且由于数学知识的要求比学生之前学习的课程更难学。A 认为 Matlab 在教学中的应用对学生对该课程的学习有所帮助。对 Matlab这样能够进行微积分符号及数值运算、方程求解、数值计算、图形运算处理的软件，如果引入教学，将对学生形象地理
13、解物理模型及知识有所帮助，也能够对学生从复杂的数学计算中摆脱出来而专心于物理情景的理解与物理知识的学习有所帮助。但是一些基本的微积分运算等学生还是必须掌握的，有些东西要亲自算过才能真正理解，Matlab 只能作为一种辅助的工具，不能代替学生主体的学习过程。过分依赖于软件反而会使学生忘记了根本的东西，对以后的学习不利。2、对学生的访谈（见附录）：该学生（以下用 B 代称）学习较为努力，成绩处于年级中上等。访谈的内容主要涉及现阶段物理课程的学习感受，如何提高学习效果，计算机软件的应用对学习效果的影响等。通过访谈，我了解到 B 对现有物理课程的学习感到有一些困难，感到很多专业课程的难度都较大，听老师
14、讲完后还要反复的思考才能勉强理解，而且这也是其他很多人共同面临的问题。B 认为现在学的知识太抽象，不像初、高中时还与生活有一些密切的关系，大多是一些数学的式子来表示一些“看不见，摸不找”的东西的规律，数学的功底不好就没办法学好物理课程。B 对 Matlab 并不太了解，但了解到其具有微积分、矩阵运算、数值运算求解微分方程及图形处理功能后，他认为 Matlab 的应用将会对大学物理课程的学习有所帮助。他认为 Matlab 的运算功能将能够帮助同学们从繁冗的微积分运算中摆脱出来，从而得出一些物理问题更一般、更实际的结果。同时这也将为同学们节省出更多的时间进行物理知识的理解与消化。而 Matlab
15、的图形处理将为同学们提供一些物理知识在形象上的理解。但在其编程语言的学习上可能要花费一些时间。3、分析：访谈的结果表明，物理系学生对大学物理课程的学习存在一定困难，原因有多方面，课程的抽象、难学及对数学知识的要求是原因之一。针对这一原因，将 Matlab 引入教学可能会有一定的作用，它的形象性及强大的数据处理功能对解决这一原因造成的学习上的困难有所帮助。但是学习物理课程的根本是对知识的理解与掌握，Matlab 的应用不能代替学生的主体学习过程，因此其帮助的作用是有限的。另外对于 Matlab 编程语言的学习也要花费一定的时间。（三）资料分析：从对相关文献资料的分析中可以看出，Matlab 在教
16、学中的应用主要集中在光学、电磁学及实验方面的应用非常广泛，课后习题的处理方面也有个别。从中可以看到，不用过于复杂的程序编辑就可以得到相应的结果，给出一些原本看似抽象难以理解的内容的图形表示。其编程语言与大多数计算机编程语言有相近之处，学起来并不比 C 语言难，因此对于物理系的学生来说，学起来并不会太困难。Matlab 在电磁学教学中的应用主要集中在电磁场的模拟方面。比如“散度”“旋度”等一些物理上经常用到的数学概念，单看其数学定义，很难理解其在物理学上的定义，而当把一个电磁场的磁感应强度矢量在空间的分布形象的画出来时，就很好理解其数学表达式下隐藏的实际意义了。在光学的教学方面，Matlab 的
17、运用则主要体现在对实际教学中无法进行的光学实验的结果的模拟上。如各种干涉、衍射现象的图案的模拟，运用 Matlab 都可以得到，甚至可以得到一些好看的多孔衍射图案，对学生的学习兴趣的提高也会有帮助。而在实验的教学方面，Matlab 完全可以替代现在一般处理实验数据用的 Excel，并且由于其在其他方面的强大功能，对实验的处理也更加全面。当然，需要十分注意的是，若想运用 Matlab 对所需情景进行模拟，必须要求程序的编写者对物理情景的实质与产生原理有足够的理解，这样才能结合Matlab 的编程语言编写出想要的内容。因此，学生若要运用 Matlab 以辅助学习时，从无形中也对学生对物理知识的基本
18、原理的理解有所帮助。另外，需要说明的是 Matlab 的应用，不仅在某些课程的课堂教学时对一些物理情景的模拟上。在数值计算及学生课下的学习时 Matlab 的应用也能起到很大作用，因为 Matlab 在微积分、代数方程求解、微分方程求解、矩阵运算、符号运算等方面的功能是明显的。如一些超越方程及非线性偏微分方程的数值求解，完全都可以由 Matlab 轻而易举的完成，这使学生从繁杂的数学计算中解脱出来，从而能够让把注意力放在对物理过程的理解上去。当然，像 Matlab 一样具有相应计算功能的软件诸多，但 Matlab 是其中的佼佼者。（四）进一步讨论：从以上一系列的讨论可以看出，Matlab 的应
19、用确能在一些课程的教学中发挥作用，但其在模拟方面的作用仅限于在电磁学、光学、实验等一些可以通过图像形象的帮助知识理解的学科方面，数值计算方面则对处理一些经常会碰到的复杂数学问题很有帮助。但对于其过分应用可能会带来的危害也确实令人担忧，正如计算机的引入一方面使人们的生活变得方便，而另一方面却让更多的人玩物丧志。综合各方面的考虑，我认为 Matlab 在实际教学中的应用应当遵循以下几点：1、在教学过程中适当运用，始终牢记其只能起到辅助教学的作用。2、鼓励学生运用 Matlab 对一些较深入的问题进行分析，从而使得学生在此。过程中提高学习兴趣，但要保证学生对一些基础问题的掌握。3、有效利用 Matl
20、ab 的各方面优势，节省在教学过程中对一些不必要数学过程上花费的时间，使得教学更多的着力于物理过程及情景。针对于 Matlab 在实际教学中的应用，我有以下几点建议（仅以首都师范大学物理系为例）：1、教师在备课时提前做好一些模拟程序及一些所需模板（如微分方程求解，代数方程求解，矩阵运算等） ，便于教学时直接取用或快速调用。2、适当开设 Matlab 编程语言的课程作为选修。3、教师可提供一些与课堂相关但较难一些的问题给学生思考，使学生能够运用 Matlab 进行处理而得到一些结果，从而培养学生对物理问题的研究能力。七、讨论： 1、观察对象：两次课堂观察的对象不同，分别是首都师范大学物理系 07
21、 级师范班及 08 级师范班，但就整体（均在 90 人左右）的平均水平而言，可以看作是相接近的。另外由于对于课堂的观察仅仅是为了了解学生的现有学习情况，不是本课题的研究重点，因此观察记录没有过多的注意细节。2、访谈：为获得较为真实的回答并深入挖掘信息，访谈未进行录音、录像，可能会错过一些细节信息，对分析有所影响。3、由于有很多物理课程还未开设，不能很好的把握 Matlab 在未来所学的学科中可能起到的作用。通过对师兄、师姐的询问我了解到以后的课程对数学方面的要求更高，因此也可能更有利于 Matlab 的应用。4、在研究基本结束后，我发现在下学期的选修课中有关于 Matlab 的相关应用的课程，
22、在信息工程学院的主修课中也有 Matlab 编程语言的课程。这说明Matlab 引入理科教学还是很有希望的，而在 Matlab 未引入大学物理教学时，若能使信心工程学院的学生与物理系的学生进行互动，让信息工程学院的学生进行 Matlab 程序的编写，也将对物理系学生的学习有所帮助。当然同时对信息工程学院的学生也是有好处的。5、从周围同学的学习状况来说，实际上 Matlab 的作用是极其有限的，因为其前提是在学习者愿意学或能够主动学的情况下。当学习者不能将精力集中在学习上时，软件的应用也就无从谈起了。八、结论：学生在大学物理课程的学习上普遍存在一定的困难，课程的抽象性及数学知识造成的瓶颈是重要原
23、因之一。Matlab 在大学物理教学中的应用可以缓解此原因给学生造成的学习困难，但并非所有的课程都很适用。对于需要形象性理解物理过程的课程其能够发挥的作用就大一些，对于理论性很强的课程，由于注重数学过程，其应用面就很小。Matlab 在大学物理教学中适当的应用能够促进学生提高学习效果，但始终要牢记过犹不及的道理。只要保证 Matlab 仅处于辅助学习地位，并能够确保学生对基础原理的理解掌握的前提下，才能真正的使得 Matlab 对学生的学习起到较好的作用。从长远的角度来看，Matlab 的应用将有助于学生对与实际更贴近的问题的有更多的了解，并提高学生对一些物理问题的研究能力。九、参考文献：1
24、韩桂华，李艳苹， Matlab 用于大学物理实验教学的探索，中国冶金教育，2007，第 3 期2于惠，MATLAB 用于大学物理教学探索，中国科教创新导刊，2008，第 24期3 邓媛禄，程立英，曲大利，朱爽，张婷玉，孙博，Matlab 辅助物理实验教学的研究，科技资讯，2009，第 2 期4 李海,于文莉， Matlab 与大学物理习题教学整合的研究，喀什师范学院学报，2006-11，第 27 卷第 6 期5 林志萍， 把 Matlab 数值计算和模拟引入大学物理教学， 广东工业大学学报，2008-7，第 8 卷增刊6 刘群英， Matlab 在大学物理电磁学中的应用， 渝西学院学报，200
25、5-6，第4 卷第 2 期7 杨敏， Matlab 在普通物理教学中的运用， 电脑知识与技术，2007，8 朱卫娟，孔祥鲲， 磁感应强度仿真实验MATLAB 在物理教学中的应用， 电脑知识与技术，20079 宿刚，郑敏章,丛令梅， Matlab 在大学物理课程教学中的应用， 浙江海洋学院学报，2008-6，第 27 卷第 2 期10石雷，范长春，陈晓芳，Matlab 在物理化学实验教学中的应用，实验技术与管理，2008-11，第 25 卷第 11 期11 谢嘉宁，赵建林，陈伟成，杨东升，周俭波，夫琅禾费衍射的计算机仿真，大学物理，2004-3，第 23 卷第 3 期十、附录：1、对理论力学课程
26、的观察结果：2、对电磁学课程的观察结果：3、对教师 A 的访谈记录：（以下均用 Q 代表采访者）Q：您好，我这次的访谈是关于计算机软件在物理教学过程中的应用的问题。A：嗯，好的。Q：好的，谢谢。我想先了解一些您现在带的学生学习状况怎么样？会不会像我们当时那样？A：哎，不说也知道。现在的学生都这样，心里浮躁，不专心学习，上课的时候一个个盯着我看，跟雕像似的，一点回应都没有，也不知道是听不懂还是想别的事呢。不过倒有几个认真学的，下课能来问些问题什么的。Q：那他们的作业可就不好完成了！呵呵！A：你还别说，作业倒是写的挺好，一个个都会着呢！可是就那么几个版本，吵来吵去的，也不知是糊弄谁呢。哎Q：您都当
27、了这么多年教师了，也拿他们没有办法吗？A：我也想过好多办法，可是他就是不学我也没办法呀！Q：我们当时学的时候就觉得这门课挺难的，会不会有些同学开始想听，但因为听不懂最后就不得不“知难而退”？A：肯定会有一部分，从他们上课的表情就能看出来。可是现在课时缩到一周四节了，加上内容又多有难，根本没法细致的讲。Q：我想这一部分学生是最有可能争取的一部分了，究竟是什么难倒了他们，让他们放弃了学习呢？A：现在的知识抽象，离现实生活太远，他们除了从字面上获取知识，根本不知道物理情景是什么样的。而且他们的数学基础没打好，算个积分，解个微分方程的根本不熟。Q：也就是说如果能把物理情景形象化的表现出来，并解决这些微
28、积分的问题，就能够帮助他们学好知识？A：差不多，对于这些处于中间的学生来说会有一些作用。Q：有一种软件叫 Matlab，我觉得就很适用于上面这种情况，不知道您听说过没有？A：我眼神儿不好，没法用电脑，不过我听别的老师说过，了解一些。听他们说这个软件可以做出各种各样的物理情景的模拟图，而且还可以做微积分。Q：如果把这个软件运用到教学过程中，会不会对学生的学习有帮助？A：帮助肯定会有，对于形象的东西理解起来总是比抽象的东西要简单得多，像电磁场什么的。不过也不能太过，学生才是学习的主体，如果把微积分的运算都交给软件来做，那学生自己就没有动手，只能是“看懂”而已。单依靠这么一个软件肯定不行。Q：那您认
29、为怎么运用才合适呢？A：适当吧！还是的加强基础的训练，在基础打好后，用软件来简化学习过程就会给教学和学生的学习带来方便。Q：好的，我就先采访到这里，谢谢您！4、对学生 B 的访谈记录：Q：我要做的是一个关于计算机软件在物理教学中应用的研究。B：开始吧。Q：现在的学习状况怎么样？B：这个你知道的，一般般，从早学到晚，可就是学不通，一个问题要费老大的劲才能搞清楚，感学学起来很费劲。Q：是什么让你感觉费劲呢？B：那些公式的推导，弄得我不得不再去翻高数书。还有就是咱们学的那些东西，看不见摸不着，云山雾绕的，不像初高中时那么贴近生活。老师说了一个物理场景，可头脑里却想象不出来，一片空白。Q：有没有想过改
30、变这种状态？B：想过。我尽可能的把不懂的问题向老师请教明白，不断的巩固高数，可是效果并不是太好，还是要用很多时间学。总觉得时间不够。Q：有一种软件叫 Matlab，可以解决你的烦恼，不知道你听说过没有？B：这个不大知道，我只知道 PPT、Authorware 经常用作辅助教学。Q：它是一个集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体的软件，做些微积分运算、微分方程组求解、显示个衍射图样等等都不在话下。B：哦！是不是说以后就不用自己解那些烦人的微分方程了？这倒是不错，这样能省下不少时间来呢！以后就有时间研究点自己感兴趣的东西了！Q：呵呵这样你是不是就能发挥自己的想象力搞搞小研究什么的？B：那当然！刚才你说还有图像处理功能，那是不是能随心所欲的按我的想法显示图像？这才像学物理的嘛！Q：这么说你对这个软件很感兴趣。B：那当然，不仅能解决学习问题，还能展现自己的个性。Q：你怎么断定它对学习就有帮助呢？B：抽象和数学处理是我一直头疼的。现在有形象的图样，还能代替计算，学起来自然会轻松一些。Q：好的，谢谢了，我的采访完了。
