姚瑞锐 李丰果

(华南范大学物理与电信工程学院 广东 广州 510006)

新课程要求关注信息化环境下的教学改革，随着2020年全国疫情的爆发，线下物理实验课程面临着按下“暂停键”的问题．因此，如何将信息技术高效渗透到中学物理教学之中，从而提高课堂效率、提高学生的认知和理解能力，成为物理教师必须学习和研究的重要课题．本文整理并分析了2011—2022年3月国内关于MATLAB在高中物理教学中的研究情况，希望能够对未来的学者们起到抛砖引玉的作用．

1 研究数据统计分析

1.1 研究趋势

在CNKI数据库中，以“MATLAB，物理”为主题进行检索，截至2022年3月7日，共有2 637万条结果，而以“MATLAB，高中物理”为主题进行检索，共有28条结果(见图1)．分析检索结果发现，MATLAB一词在1980年之前就已经出现在“中国知网”中，但关于MATLAB与物理教学的相关文献是从2001年开始逐渐被教育者们关注，并将其引入到物理教学领域．近年来，文献发表的数据呈上升趋势，2020年为论文发表的鼎盛时期．这充分说明了随着全国疫情的到来，将MATLAB融入高中物理并辅助教学的研究持续被教育研究者们关注．

纵观检索数量可知，相关的研究还不够深入，在热学和声学等板块仍然存在空缺．特别是对于一线城市的教育研究者，在教学资源充足的条件下，更应重视信息技术与实际教学的结合，力图借助信息技术的优点最大化辅助教学．

图1 文献数据的趋势图

1.2 样本选取

本文以检索到的28篇文献(20篇期刊论文，8篇学位论文)为研究样本进行整理和分析，以此来了解近年来国内关于MATLAB软件在高中物理教学中应用的整体研究情况．目前，MATLAB辅助物理教学的研究现状大致可以分为图形可视化、模拟仿真、数值计算以及软件对接4个方面(见表1).

表1 研究文献的主题分布

2 研究内容

2.1 MATLAB的图形可视化应用

目前，主要利用MATLAB的可视化帮助学生建立概念，实时演示以及探究实验，三者是相互结合的．

一是力学和电磁学，有学者将其结合起来，考虑到多媒体展示的教学图片有可能是从网页上下载得来，而不是教师自主设计,2020年，郭强友建立了MATLAB 辅助教学的几种模式，展现了MATLAB绘图和数据处理的功能[1]．分析可知，MATLAB的可视化在力学和电磁学板块已经得到了实践并有助于教学，但多数为理论分析，很少有数据支撑，缺乏实证．

二是光学，由于学生只能通过教材上的文字与图片去记忆、理解光的干涉或衍射图样，而不能直观地观察其变化，存在“只见山头不见绿洲”的问题，付酮程借助MATLAB GUI交互界面呈现光学等干涉图样，通过数值模拟，将复杂的物理规律“封装”在程序中，从理论模型、参数设置、交互界面几个维度展开[2]．关于光的干涉这一知识，文献[3]结合了自身长期的课堂教学实践已证实，利用MATLAB授课比用黑板或者PPT更灵活，效果更佳．

光的衍射与干涉等知识对学生来说是一个重难点，且实验环境和仪器设备要求较高，加之疫情影响，因此，MATLAB在物理光学板块中具有很强的生命力，值得教育研究者探索．

三是热学和声学，近年来也逐渐引起了研究者们的关注．2020年，杨一鸣在高中物理教学中引入 MATLAB进行数值计算和结果的图形显示，认为就其效果和意义而言，将其融入物理教学是一种创新行为，对于建立研究型高中具有重要意义[4]．同年，邹法强也以微观粒子为出发点，利用MATLAB的rand函数展现了“分子的热运动”，这是Flash软件无法达到的[5]．

然而，关于分子的表面张力如何形成？声音是如何传播的？传播的轨迹怎么样？如何消除噪声？如何对声信号进行滤波、调频和调幅？这些问题都值得我们进一步去思考和研究，对研究者和学习者来说都具有一定的挑战性．

2.2 MATLAB的模拟仿真应用

分析发现，MATLAB的模拟仿真功能在高中物理教学中的应用最广．目前主要应用在概念、习题以及实验与规律3个方面的物理教学中,分布情况如图2所示．

图2 MATLAB模拟仿真应用分布情况

一是概念教学，2013年，朱国强利用MATLAB辅助质点概念的教学[6]．2015年，纪婷婷提出了MATLAB在高中物理静电场的应用和实践[7]．2016年，范书宇老师开展了MATLAB在机械振动和机械波中的教学研究，并通过实例分析，验证了其可行性[8]．2020年，皮传君在开展了MATLAB 辅助高中物理电场和电势等概念的教学[9]．纵观案例可知，MATLAB的模拟仿真功能在许多物理板块中已经有学者尝试应用，并且也取得了积极的效果．

二是习题教学，2020年，刘庆基于MATLAB建模对单摆进行了教学设计，对比实验和普通两个班级，得出了学生较能接受该教学模式且实验班级教学效果更显著的结论，有一定的数据支撑[10]．但研究内容较为局限，实证力不足．针对MATLAB制作课件耗时费力的问题，要视情况来搭建问题情境，在涉及微元和级数时便可以引入[11]．

三是实验与规律教学，2016年，刘海山利用MATLAB解释了干涉现象中两列波的频率必须相同的原因[12]．

2017年，郑颖等人利用MATLAB GUI开展了电学的实验，以提高学生对电磁场问题的分析能力[13]．但更为复杂的运动情况以及如何完整地仿真出粒子的运动规律，还需进一步的探讨．

2018年，徐超凡借助MATLAB清楚地看到电容电感对于振荡电路的影响[14]．同年7月，田洁利用MATLAB开展了机械波干涉现象的参数可调仿真实验，有利于获得不同实验条件的不同实验结果[15]．

2019年，殷麒翔从力学板块出发，利用 MATLAB 的数值计算和图形技术，模拟了雨滴在自由下落过程中的动力学过程[16]．

2020年，马小花定量分析本地高中物理演示实验的不足并利用MATLAB开展了电学的模拟仿真教学[17]，同年，贺盼盼利用MATLAB对电磁学实验进行了模拟仿真[18].廖湘萍等人对电磁波信号进行动态仿真[19]．但都只是个案分析，没有进行推广应用，因而无法给出普遍适用的信息．

总体来看，目前有许多利用MATLAB与高中物理结合的教学案例，案例也有一定的数据支撑，但能从个案到一般的经验较少，只停留在理论分析层面，即将公式进行理论推导后转化成程序语言进行模拟，对课堂教学的实施只是提供了一些原则性的观点和思路．若能将研究内容进行具体划分，提供更为细致的理论分析和实践案例的支撑，使MATLAB不仅能够验证已知结论的实验，而且适用于探究实验．

需要注意的是，模拟仿真和远程教育只是作为实验教学的补充，无法替代学生动手操作完成实验的教育价值，教学中要考虑技术的边界和教育的目标．

2.3 MATLAB数值计算应用

单独研究MATLAB数值计算功能的文献较少，多数是结合模拟仿真的功能进行研究．2013年，蔡亮借助MATLAB强大的数值计算功能，定量研究机车恒定功率模型，但却只停留在了数值计算[20]．2020年，熊亮借助案例，设计了高中物理常规实验数据处理交互界面，快速得出直观结论[21]．

整理发现，从数值计算和物理过程模拟的角度处理复杂电磁学和力学问题是目前研究的热门，教学反馈也是最佳的．因此，为了避免学生“背公式”“套步骤”的答题习惯，在教学条件和时间允许的情况下，利用MATLAB的数值计算和仿真模拟功能辅助复杂习题求解也是一种创新．

2.4 教学软件的对接及教学改革探讨

检索文献中，最早将MATLAB与教学软件结合的是严大虎，他利用 MATLAB简单快捷地制作出适合高中物理特点的课件，解决了在PowerPoint中实时绘图的问题[22]．之后，纪婷婷等人以MATLAB可视化图形用户界面为核心模块，在Author ware平台下统筹Flash和MATLAB软件(见图3)[23]．这一系统解决了MATLAB制作课例耗时，教师时间和精力有限而不能系统地学习和使用 MATLAB的问题．

图3 中学物理实验室结构框架图

关于教学改革探讨方面，有学者强调，学习MATLAB和物理时应重点介绍其help功能以及如何用MATLAB理解线性代数，探讨有效调动学生学习积极性、激发学生主观能动性的具体方法，为提高物理教学质量提供了参考和借鉴．

将MATLAB与教学软件对接是物理教学中的一个创新点，目前的研究还不够深入，在当代信息化教学模式下，这是改革的一个探究点，值得我们做进一步的研究和探讨．

3 总结与展望

从整理结果来看，近些年MATLAB在国内的发展逐渐趋于完善并应用于中学物理教学，但也仍然存在着一些问题．鉴于此，本文提出了以下几点建议与展望．

3.1 以知识为载体 传递价值理念

引起学生的兴趣是有效教学的关键，课堂不仅是知识传授的舞台，更是价值引领的阵地．尤其在抗“疫”期间，在打破常规的教学模式下，物理课堂仅仅通过展示视频与PPT是远远不够的，因此，推广MATLAB与高中物理的有机融合与取长补短是一条有效的途径．为此，学校可以尝试着修订校本课程，在物理概念和物理理论的建立过程中嵌入MATLAB给予学生感性认识，从科学家的探索经历和科学成就中开展课程思政，激发学生的好奇心与求知欲，引发学生强烈的爱国情感．

值得注意的是，教材中不是每一个知识点都能与MATLAB有机融合，需要选择有合适的物理模型以及学科知识不能过于综合的知识点展开教学．同时也需要考虑学生的参与能力，教师是否能驾驭，教学内容是否符合课程标准，是否有利于推广等问题．

3.2 与时俱进 注重能力培养

目前的教学模式多数停留在“教”的层面，而不是与“学”相辅．普通高中物理课程标准2017年版的核心素养中一个重要的原则便是“注重时代性”，这就要求课堂教学模式需要与时俱进，不能墨守成规．注重因材施教与个性化发展是物理教学中历久弥新的原则．

严峻的疫情使线下课程陷入了困顿，同时也为信息技术教学带来了新机遇．因此，引入MATLAB要符合当下“双减”政策的要求，不能无形之中给学生增添负担，可以选取周末的时间，让感兴趣的学生通过小组合作的形式进一步探讨．这种知识输出的教学形式，既尊重学生能力的正态分布规律，也是衔接大学物理的体现．

3.3 整合创新 建立教学资源库

目前的研究较多涉及案例分析，知识比较零散，不具有普遍性，并且教师还不能快速高效地利用MATLAB辅助教学．鉴于此，笔者尝试提出建议：

第一，建立数据库，知识按照5大板块4个方面各自分类整合(见图4)．比如电磁学中静电场；光学中双缝干涉；力学中小球做自由落体运动；声学中信号采集处理以及热学中分子的无规则运动等内容．以某一知识为这一板块的出发点，在此基础上做参数调整与程序修改，同时兼容各类格式，支持批量导入，不仅实现教学资源的良性循环，也可大大减轻教师的备课负担．

第二，创新教学方式，强化MATLAB移动学习的支持功能，并且提供平台开放式接口技术，支持资源库“能学，辅教”的功能定位，共享优质教学资源，降低教学研发成本，支撑教师课堂教学，辅助学生自主学习．

图4 知识整合框架图

3.4 实事求是 注重学业质量评价

随着信息技术的发展，MATLAB正逐渐渗透进各个校园，并在实际教学中得到了较好的反馈．但是MATLAB辅助高中物理教学的有效性到底有多少？是否得到认可？与传统教学相比教学结果到底如何？哪些知识点能吸引学生的注意？学生的成绩和综合能力能否提升？目前还没有具体的衡量指标体系，且形式单一，测量结果存在主观性和不全面的问题．

若能开发出适合衡量本校、本地以及全国的客观量表，形式不限于纸笔，并建立高校自己的“学习分析系统”，提供集数据挖掘、模化和案例运用的联合框架，自动收集学生行为数据，智能分析学生学习状态，为教师提供参考数据，为个性化教学提供有力支持．以此为出发点调整和改进教学，使得物理真正成为一门严谨的，实事求是的自然科学课程．