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1、 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研宄工作及取得的研 宄成果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研宂成果,也不包含为获得宁夏大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研宄所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名: 时间: z |与年 6月 I曰 关于论文使用授权的说明 本人完全了解宁夏大学有关保留、使用学位论文的规定,即:学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘,允许论文被査阅和借阅,可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。同意宁夏大学可以用不同方式在
2、不同媒体上发 表、传播学位论文的全部或部分内容。 (保密的学位论文在解密后应遵守此协议 ) 研宄生签名: 导师签名: 时间:朽年 6 月 I日 时 间 :年 X月】曰 在当前教育信息化的大背景下,使用计算机辅助软件来辅助教学己成为现代教育技术的 重要组成部分。在高中物理的学习过程中,由于受教学条件的影响,每个物理规律都用实物 实验演示是不可能的,且实验数据处理复杂,利用现代教育技术手段可以使比较抽象的物理 规律完美呈现。 通过阅读文献了解国内外的研宄现状,使用 MATLAB软件强大的绘图和运算功能,可 以将很多抽象的物理实验和 物理概念表示出来。因此为了加强学生对基本物理概念、方法及 物理知识
3、应用方面的理解,把学生从繁重的数学计算中解脱出来,将 MATLAB引入到物理 教学是 一 个很好的解决方法。因此确定研宄的方向,提出 MATLAB在高中物理静电场教学 中的应用和实践。首先是在对基于 MATLAB的中学物理实验室系统的设计与实现基础上, 然后结合髙二物理静电场教学中的电场强度和电势能和电势的教学,利用 MATLAB 软件设计教学过程,将动态演示引入到课堂教学中;并以北方民族大学髙二年级同学为对象 实施教学,对实施效果进行分析,最后对本研宄的结果以及不足之处进行反思。 通过对比分析,应用 MATLAB进行教学可以让学生体会到用计算机解决物理问题所带 来的方便和乐趣,化抽象为形象,
4、激发学生的学习兴趣。 关键词 :MATLAB,物理实验室,物理教学,静电场,电势 Research and practical application of MATLAB in high school physics electrostatic field teaching Ji Tingting Abstract In the current context of information technology in education, the use of computer-aided software to assist teaching has become an important
5、 part of modem educational technology. In high school physics learning process, due to the effect of teaching conditions, each physical law in physical experiment was demonstrated by the object exhibition, and the experimental data processing is complex. Using modem education technology can make mor
6、e abstract physical law of perfection. By reading the literature to understand tiie current research, the use of MATLAB software with powerful graphics and computing capabilities can be a lot of abstract concepts of physics and physical experiments. Application of MATLAB can enable the students to u
7、nderstand the physics problem solving by computers, it brings convenience and pleasure which will stimulate students in learning, so in order to strengthen the students to the basic physical concept, method and application of physics knowledge in terms of understanding are to free the students from
8、the heavy calculation. It is a very good solution to introduce MATLAB into physics teachings Therefore, to determine the direction of research and practical application, MATLAB electrostatic field in hii school physics teaching was proposed. First, it was based on the design and implementation, and
9、then it combined with physics teaching in the electrostatic field Mfield strength and potential energy and potentiaL of teaching in static field of Senior II $ using MATLAB software to design the process of teaching based on MATLAB will dynamic presentation introduced into the classroom. North Natio
10、nal University students axe regarded as an object to analyze the effect of the implementation of final results as well as inadequate reflection. Through the comparative analysis, the application of MATLAB to teaching can enable students to understand the physics problem solving by computer, it bring
11、s convenience and pleasure that stimulate students interest in learning. Key words: MATLAB, Physics Laboratory, Physical teaching, elect目录 第 1 章绪论 . 1 1.1研宄背景 . 1 1.1.1髙中物理课程标准对教学的要求 . 1 1.1. 2髙中物理教学的现状 . 1 1. 2研宄现状 . 2 1. 2.1国外研究现状 . 2 1.2. 2国内研宄现状 . 3 1.3研宄意义 . 5 1. 3.1促进教学手段的现代化 . 5 1. 3. 2将抽象的物理
12、概念可视化 . 5 1.4研宄内容 . 5 1.5研究思路 . 6 1.6研宄方法 . 6 1. 6. 1文献研宄法 . 6 1. 6. 2课堂观察法 . 6 1. 6. 3 i方谈法 . 6 1. 6. 4 麵法 . 7 第 2章研宄的理论基础与使用的工具 . 8 2.1研宄的理论基础 . 8 2.1.1认知主义学习理论 . 8 2. 1. 2建构主义理论 . 8 2. 1. 3系统化教学设计理论 . 8 2.2使用的工具 . 9 2. 2. 1 MATLAB 软件简介 . 9 2. 2. 2 MATLAB GUI图形界面编程简介 . 9 2. 2. 3 MATLAB GUI 层次结构 .
13、9 2. 2. 4利用编程创建 GUI . 10 2. 2. 5基于 MATLAB的中学物理实验室系统 . 10 第 3 章基于 MATLAB的中学物理实验系统的设计与实现 . 11 3.1 MATLAB在髙中物理中的需求分析 . 11 3.1.1髙中物理教学的现状 . 11 3.1.2髙中物理教学中存在的问题及分析 . 11 3.2 MATLAB应用在髙中物理教学中的可行性与优越性 . 12 3.3中学物理实验室系统的总体设计 .12 3. 3.1中学物理实验室系统的功能结构 . 12 3. 3. 2中学物理实验室系统的技术路线 . 13 3. 3. 3中学物理实验室系统的运行环境 . 14
14、 m 3.4中学物理实验室系统的设计与实现 . 14 3.4.1中学物理实验室系统的设计思路 . 14 3.4.2中学物理实验室系统的仿真实现 . 15 3. 5中学物理实验室系统的展示 . 18 3. 5. 1中学物理实验室系统整体界面展示 . 18 3.5.2中学物理实验室系统部分界面展示 . 19 第 4章 MATLAB应用于高中物理静电场教学中的案例设计 .22 4.1 MATLAB应用于高二物理电场强度的教学设计 . 22 4.1.1教材分析 . 22 4.1. 2学习者特征分析 . 23 4.1. 3教学目标与重难点分析 . 23 4.1. 4教学过程设计 . 23 4.2 MAT
15、LAB应用于高二物理电势能、电势的实施案例 . 26 4. 2.1教学实施的对象 . 26 4. 2. 2教学内容分析 . 26 4. 2. 3教学实施过程 . 27 4. 3 MATLAB在高中物理静电场教学中应用的效果分析 . 32 4.3.1课堂观察与访谈法分析 . 32 4. 3. 2小试卷测试结果分析 . 32 4. 3. 3效果分析小结 . 34 第 5章总结和反思 . 35 5. 1研宄结论 . 35 5.2存在的不足及反思 . 35 参考文献 . 36 15C . 38 Pff . 39 个人简介 . 41 IV 宁夏大学硕士学位论文 第 1章绪论 第 1 章绪论 1.1研究背
16、景 1.1.1高中物理课程标准对教学的要求 髙中物理新课程标准提出了要注重学生的自主学习,让学生积极参与、乐于探宄、勇于 实验、勤于思考。这也同时对传统的教学方式提出了挑战,应适当的将教学方式尽可能多样 化,这样不仅帮助了学生学习物理知识与技能,同时也培养了学生科学探究的能力,在潜移 默化中便可以使学生逐步养成科学的态度。 在内容标准中增加了科学探宂,也就是强调学习的重心要适当的转移,从强调知识的传 授和积累转化到对知识的探宄。这标志着教师的教学方式适当转变,教师不能一味的将课本 上的内容灌输给学生,在学生原有知识建构的基础上适当的引导,适当的借助多 媒体辅助教 学,增加演示实验和学生动手操作
17、环节。学生的学习方式也要转变,学生不能单纯的只接受 知识,而是要养成主动去获取知识的习惯,培养学生科学探宄、实事求是和敢于创新的精神 . 高中物理课程教学大纲在教学中提到要充分发挥计算机等现代化教学手段的作用,将计 算机等现代化的教学手段引入到教学中是当前的 一 个必然趋势。通过使用计算机辅助教学的 软件等在一定程度上可以培养学生的观察和实验能力,吸引学生学习的兴趣,所以将 MATLAB引入到髙中物理教学中是符合髙中物理课程标准对教学的要求的。 1.1.2高中物理教学的现 状 高中物理教学中对课程的具体规划是非常完美的,但现实总是会遇到很多阻碍,计划没 有得到很好的实施,与最初的规划有所偏颇。
18、通过大量分析文献和对实习学校教师的访谈, 可以将面临的困难分为以下几个方面: 教师授课时只重视结论,不太注重学生的知识建构。 由于学科的原因,物理本身比较抽象,学生学习的积极性不是太髙,趣味性不强。 由于教学环境和实验设备的限制,有些物理实验无法呈现在学生面前。 学校之间存在差异,一方面由于教师之间的差异对教学有一定影响,另一方面由于不 冏的学校之间实验器材存在差异,这也对学生的学习有一定影响。 在髙中物理的学习过程中,由于受教学条件的影响,每个物理规律都能用实物演示是不 可能的,且实验数据处理复杂,例如无法在现实生活中看到的光的干涉衍射现象,电场线的 分布,磁场的分布等实验,我们利用现代教育
19、技术手段可以使比较抽象的物理规律完美呈现 , 因此通过使用可视化的 MATLAB软件来改善目前的物理教学是很有必要的。 1 宁夏大学硕士学位论文 第 1 章绪论 1.2研究现状 1.2.1国外研究现状 国外将 MATLAB软件应用在教学中首先是从研制 MATLAB语言开始的, MATLAB软 件的名称是由 MATrix (矩阵 ) 和 LABoratory (实验室)两词的前三个字母组合得到的。 20 世纪 70年代时出现了用 FORTRAN编写的萌芽状态的 MATLAB1。 1984年在 Little的推动 下成立了 Math Works公司,这样就将 MATLAB正式推向了市场 J人这个时
20、候开始 ,MATLAB 的内核采用 C语言编写,同时还新增加了数据的图视功能。 MATLAB以商品的形式出现以 后,仅在短短的几年时间里就凭借着它良好的 开放性和运行的可靠性在行业里立足,英国的 UMIST,德国的 KEDDC等纷纷淘汰,以 MATLAB为平台加以重建。 在国际学术界, MATLAB已经被确认为是准确的、可靠的科学计算标准的软件。在欧 美等高校, MATLAB已经成为线性代数、动态系统仿真、自动控制理论、数理统计、数字 信号处理、时间序列分析等高级课程的基本教学工具 2。 在设计研究单位和工业部门, MATLAB认为是进行高效研究开发的首选软件工具 3。 如美国的 Nation
21、al Instruments公司信号测量、分析软件 Lab VIEW, Cadence公司信号和通信 分析设计软件 SPW等,或者直接建筑在 MATLAB之上,或者以 MATLAB为主要支撑。又 如 HP公司的 VXI硬件, TM公司的 DSP, Gage公司的各种硬卡、仪器等都接受 MATLAB 的支持。 Lukasz Pruski和 Jane Friedman在教学中将 MATLAB软件应用在物理等学科上并进行 了整合,在文章中指出 MATLAB是一个优秀的语言教学的这一软件的性质。 MATLAB不 仅是一个很好的教学工具,对于许多科学家和数学家来说,它也是一个强大的研究工具,所 以将 M
22、ATLAB引入到教学中是很有必要的 4。学生在接触这款软件的同时也可以在以后的 时间里继续进行研宄。并且 MATLAB软件的学习成本很低,很多机构提供了教授该软件的 编程环境。 综上所述, MATLAB软件是在国外从语言发展为一款工具的,不仅在工业上和公司里 发展成熟,并且在学校也是教师和研宄者广泛使用的软件。该软件在大学的应用是很广泛的, MATLAB入门课程已经是大学理科新生的必修课程,足以看出该软件的重要性。学生使用 该软件可以提髙学习的效率,如在课程教学中使用该软件,解题时用该软件可以提高解题效 率,对分析研究 也有帮助。因此在学校使用 MATLAB软件对学生的学习研究和教师的深入 研
23、宄很有帮助。 UOptik-Intemational Journal for Light and Electron Optics, Volume 124, Issue 20, October 2013, Pages 4449-4451. p张静,李燕 .科学计算软件在线性代数中地审美教学策略 J.电脑知识与技术, 2009,16:346-348. 3朱家富 .电子信息课程教学中的虚拟技术 J.重庆文理学院学报(自然科学版 ), 2014,3:88-91. 4Lukasz Pruski and Jane Friedman . An integrative approach to teaching
24、 mathematics,computer science .and physics with MATLAB, Department of Mathematics and Computer Science University.2010,6-18. 2 宁夏大学硕士学位论文 第 1 章绪论 1.2.2国内研究现状 在中国,目前己经有有许多的专家和学者对 MATLAB进行研宄,有的学者能够很好地 开发MATLAB课程,尤其是在线性代数,解析几何等数学课程和电子信息类专业课程中有 专著出版和多篇论文发表。但是相互而言, MATLAB在中学物理教学中的应用还是比较少 的,最主要的原因是 MATLAB
25、是全英文的界面并且包括的函数也很多。 下面从以下几个方面对 MATLAB在中学物理教学中的应用进行综述: 解物理方程 邵泽义等 1 *在文章中对 MATLAB软件进行了介绍,对该软件在解决物理方程方面提出 了自己的建议,并且通过使用实例来对解决物理方程方面进行了深入的分析和讲解。王付军 2在他的文章中通过对教学条件进行分析,认为每个物理规律都能用实物实验演示是不可能 的,且物理数据处理复杂,利用 MATLAB对测量二极管伏安特性曲线实验的数据进行处理; 朱云,孟宪松 3用伏安法测定电源电动势和内阻的关系中记录了电压表和电流的示数,然后 通过使用 MATLAB绘图得出电压和电流的图线。 绘制物理
26、图像 孙冬梅 4用 MATLAB软件模拟力学运动中的自由落体运动的位置,速度变化图像和模 拟力的叠加原理正交分解法则。肖啸 5提出利用 MATLAB辅助光学教学以获得良好的课堂 教学效果,并进行了举例说明,将杨氏双缝干涉等光学现象进行了演示。包震等 6介绍了 MATLAB在力学教学中的几种简单应用,使用 MATLAB软件画出李萨如图形,解决在力学 讨论行星或卫星的轨道方程时遇到的微分方程问题。朱国强在课堂教学中使用 MATLAB动 态演示异号电荷等势面和电场线的形状,并且电量可变。用分压供电方式作出电压 u随滑动 变阻器滑动距离 x的变化图像;对学生了解物理前沿也有相应帮助,利用 MATLAB
27、软件演 示 分形 Koch曲线并直观展示。同年,朱国强 7应用 MATLAB函数绘制简谐运动的位移时 间和速度时间图像并画出欠阻尼振动曲线等。汤朝红等 8根据点电荷在电场中的分布情况, 在 MATLAB的环境下编写函数并进行调试,对点电荷对的电场线的分布进行了模拟。薛海 国 9根据使用叠加原理对两个等量同号点电荷的电场强度和电势进行了计算和模拟,通过实 例来说明 MATLAB软件作为工具在物理图像处理方面的优势。魏义永 1()举例阐述了应用 1邵泽义,秦晓文 .MATLAB在中学物理教学中的基本应用 J.教学仪器与 实验 .2002,2:11-13. p王付军 .MATLAB在中学物理教学和实
28、验中的应用 J.中学物理 .2010,5:29-31. 3 朱云,孟宪松 .MATLAB软件在中学物理中的实际应用 J.中小学电教, 2011,1:101-102. 4 孙冬梅 .MATLAB在力学、热学教学中的应用 J.教育科学论坛 ,2013,2:71-72. 5 肖啸 .MATLAB辅助光学教学 J.乐山师范学院学报 ,2006,5:115-116. 6 包震等 .MATLAB在力学中的应用 J.保山师专学报 .2008,3:45-46. 朱国强 .绘釗物理图像 MATLAB软件在物理教学中的应用之二 J.物理通报 .2014,8:77-80. 8 汤朝红等 .利用 MATLAB模拟点电
29、荷对的电场线分布 J.广西物理 .2012,4:43-45. 9 薛海国 .利用 MATLAB计算与模拟点电荷对的电场 J.河南科技 .2013,12:228-229. w魏义永 .例析 MATLAB软件融入光学教学课堂 J.合肥师范学院学报 .2011,5:39-41. 3 宁夏大学硕士学位论文 第 1 章绪论 MATLAB编程模拟光的实验现象,如光的干涉衍射等,将编程模拟应用在物理教学课堂上 获得了很好的反响,学生的学习兴趣得到了提髙。 解物理极值 张丽等具体探讨了 MATLAB软件在物理中应用的可行性,对具体的实施数值计算和 图形的绘制效果进行分析,使用 MATLAB软件解决力学势能曲线
30、问题和解决碰撞问题中的 最小值问题,对在力学中的应用给予一定的认可。周小奋 * 2利用 MATLAB画出了共线点电 荷系统的电场线分布以及两个正点电荷周围的电场线分布,并且对解决物理极值问题用实例 来说明。周业奋 3 *通过利用 MATLAB求解一道将细线拉直使小球和 O点位于同一水平高度 A处,由静止释放,对小球在最低点时所受重力的瞬时功率何处最大进行了最值求解。 处理实验数据 邵泽义 W在 MATLAB软件的数值计算方面和处理数据等方面有一个具体的应用。 2002 年 6月黄允中 5在将 MATLAB语言引入物理化学实验教学中,将 MATLAB引入教学中, 通过介绍矩阵、向量和标量的运算,
31、然后介绍一些常用的简单数据处理的命 令,拟合与插值, 然后是图形绘制。但如何选择和确定教学的内容,并将其整合于实验教学之中,以及如何正 确地处理基本技能训练与先进工具的使用之间的关系问题,还有待进一步的实践和总结。王 付军 6 7通过对教学条件分析,认为每个物理规律都能用实物实验演示是不可能的,且物理数 据处理复杂,利用 MATLAB对测量二极管伏安特性曲线实验的数据进行处理;朱云,孟宪 松利用 MATLAB处理实验数据,在用伏安法测定电源电动势和内阻的关系中,记录电压表 和电流的示数,通过使用 MATLAB绘图得出电压和电流的图线。 (5)仿真物理过程 曲伟娟 m在硕士论文中将光的干涉和衍射
32、进行实验仿真;孙冬梅在期刊论文中用 MATLAB动态演示分子的布朗运动。崔祥霞通过使用 MATLAB软件编程对单缝衍射、杨氏 双缝干涉和多缝衍射进行了计算机仿真。莫照对点电荷的电场和等位线用 MATLAB程序进 行演示 。李长 军在硕士论文中将双缝干涉,单缝衍射,静电场等电位线和电场方向的仿真实 验,稳恒电流磁场的仿真实验进行教学中应用。蓝海江在对白光干涉与衍射实验进行仿真以 及对电场与磁场的可视化等列举了实例。 王付军通过对教学条件分析,认为每个物理规律都能用实物 实验演示是不可能的,且物 理数据处理复杂。因此可以通过使用现代教育技术的手段来辅助物理教学很有必要,通过用 MATLAB编程实现
33、仿真和计算机振动合成的拍现象。朱云,孟宪松动态演示了物体平抛与 斜抛运动的图线以及电荷在磁场中螺旋线运动的三维动画,并对热学现象中的分子热运动进 11张丽,白晶等 .MATLAB软件在力学教学中的应用 J.产业与科技论坛 .2011,9:148-150. 2】 周小奋 .MATLAB在中学物理教学中的应用初探 J.物理通报 ,2011,10:68-71. 3周业奋 .利用 MATLAB求解物理 -最值问题 J.中学物理 (高中版 ), 2012,3:46-47. 41邵泽义 .MATLAB在中学物理教学中的基本应用 J.教学仪器与实验 .2002,2:11-13. 51黄允中 .将 MATLA
34、B语言引入物理化学实验教学 J.成都教育学院学报 .2002,6:37-38. 6 王付军 .MATLAB在中学物理教学和实验中的应用 J.中学物理 .2010,5:29-31. 7 曲伟娟 .基于 MATLAB的光学实验仿真 D.西安 :西北工业大学 ,2004. 宁夏大学硕士学位论文 第 1章绪论 行动态模拟。 综上所述, MATLAB软件在中学物理教学中的应用有以下几个方面: 求解物理方程 ; 绘制物理图像; 求解物理极值; 处理实验数据; 仿真物理过程。但是在教学课堂中 的实施效果具体如何是需要进行进一步研究的。 纵观国内外, MATLAB在物理的应用是很普遍的,在大学里教师和学生都可
35、以使用该 软件呈现物理现象或者方便处理数据,在中学中有很多的年轻教师开始使用该软件,并尝试 着将制作的小文件应用在教学中,因此, MATLAB软件会逐步在髙中的物理课堂中慢慢普 及的,对于教师而言可以适当的改进教学手段和强化重难点,对学生而言可以激发学习的兴 趣,对教学内容有一个更深入的理解。所以笔者将 MATLAB应用在高中物理选修 3-1,静 电场单元中,利用 MATLAB软件编写的程序运行结果辅助髙二同学理解静电场中的电场和 电势。 1.3研究意义 1.3.1促进教学手段的现代化 计算机的普及对当今教育来说可以很好的将现代的教学手段与传统教学结合。通过利用 计算机的软件系统制作出符合教师
36、和学生需要的教学材料,使教师和学生感受现代教育技术 手段的优 势,在传统教学的基础上,适当的利用计算机软件来辅助教学可以激发教师和学生 的潜力。在物理学科的学习中,通过编写适当的程序,使用 MATLAB的强大的绘图和运算 功能,可以将很多抽象的物理实验和物理概念表示出来。将先进的技术引进到教学中,一方 面可以促进学生的学习和方便教师的教,另一方面可以让学生无形中领略现代教学手段的魅 力,发自内心的喜欢钻研,方便学生对计算机语言的理解。因此,在教学中引入 MATLAB 可以促进教学手段的现代化。 1.3.2将抽象的物理概念可视化 由于各种因素的限制,不同的地区的实验设备差距造成学生的学习难度有所
37、不同,使用 MATLAB计算机语言,将物理现象进行可视化呈现,通过计算机软件的编程来呈现现实生 活中无法看到的一些实验现象,同时也让学生感受到物理现象的魅力并对物理产生浓厚兴 趣,使用软件演示的同时也减轻了学校实验设备紧缺或者缺乏的难题。本研究通过使用 MATLAB软件的数值计算和图形处理功能将物理教科书上的内容形象的呈现出来,以此来 辅助物理的教学,让学生更加清楚明了的了解实验现象,改善普遍认为的物理枯燥难懂,理 解困难等现状。 1.4研究内容 通过阅读文献了解本课题国内外的研究现状,确定研究的方向,提出 MATLAB在高中 5 宁夏大学硕士学位论文 第 1章绪论 物理静电场教学中的应用和实践。本文的研宂内容从四个方面来进行阐述。 分析高中物理静电场教学的理论基础与使用的工具。 解读普通髙中物理课程标准,设计并开发基于 MATLAB的中学物理实验室系统。 对高中物理静电场模块进行教学设计并进行教学实施。 通过使用课堂观察、访谈以及小试卷的研宄方法对 MATLAB在高中物理静电场教学 中的应用效果进行分析。 1.5研究思路 大量的阅读和研宄国内外文献,通过对 MATLAB在教学中的文献的理解,在此基础 上,确定本研究方向: MATLAB在高中物理
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