学习兴趣，达到提升其科学素养的目的是教学改革的重要课题之一。本文结合教学实践，提出利用Matlab计算机建模，创建简单的物理动画重现物理现象和过程，简单明了的阐述物理本质，从而能够极大的调动文科生学习物理的兴趣，提高教学质量。
关键词：教育改革 Matlab物理建模 大学文科物理
中图分类号：G4 文献标识码：A 文章编号：1673-9795（2013）02（b）-0029-02
物理学是研究自然界中物质的基本结构及其基本运动规律的科学，在人类社会发展的进程中，对人类的思维方式和社会活动产生了深远的影响[1～2]。在国家大力提倡素质教育的今天，为大学生增设大学物理课程是教学改革的一次大胆创新。有人指出大学物理在培养学生树立科学的世界观，增强学生分析和解决问题的能力等方面具有其他课程不可替代的重要作用[3]。正因为如此，许多本科院校，尤其是国内知名院校已经为所有在校本科生开设了大学物理基础课程。其中包括，复旦大学为金融专业的本科生开设的《经济物理》课程，中南大学面向所有文科生开设的《大学物理IV》等。然而为文科专业的学生开设大学物理课程面临诸多挑战[2～3]。首先，大多数文科学生对学习物理知识的积极性不高，缺乏兴趣，这主要归因于其主观上的消极性。因此，如何重新调动起这些学生学习物理的兴趣是所有教文科物理老师所面对的最大的挑战[4]：其次，文科专业学生的理工科基础知识匮乏，许多学生正是因为高中时理科成绩不佳，才选择文科专业，而物理学天生就是一门需要具有坚实理科功底才能学好的科学（如：学习物理首先必须具有坚实的数学功底），因此如何把握教学内容，用最简单的方式阐述物理规律的本质是文科物理教学需要解决的另一问题。本人结合多年大学文科物理教学的经验，提出利用Matlab建模，将复杂的物理规律通过简单的动画展示出来，提高文科学生对物理知识与规律的理解，激发学习兴趣，从而达到提高教学质量的目的。
Matlab是MATrix LABoratory的缩写，是一款由美国The MathWorks公司出品的商业数学软件。Matlab不仅可以用于算法开发，同时可以用于数值计算、数据分析及模型可视化等。同时Matlab具有强大的数学运算工具，包括求导，积分，矩阵运算等，能够大大简化编程难度，满足不同专业和层次的教学人员进行数值建模、可视化演示的需求。因此，大学物理教学人员利用Matlab平台可以方便的实现物理模型的构建，物理过程与规律的动态展示等，是一种有效的计算机辅助工具，在大学文科物理教学当中将扮演越来越重要的角色。
1 Matlab在辅助大学物理教学中的必要性
大学物理是培养在校大学生科学创新能力的重要基础课程之一。随着人们对基础科教学重要性认识的不断深入，国内许多知名院校为本科生，尤其是文科专业的本科生开设了大学物理的课程。然而目前大学物理基础教学的现状是，大部分综合性大学都只保留了人员编制不多的基础教学部，在老师数量保持相对稳定的情况下，这几年各大高校对学生的扩招，使得学生人数剧烈增加，同时，以往只为理科专业开设的大学物理课程改为面向所有的专业，大大增加了老师的教学任务，这就要求大学物理教师在有限的时间内向学生传授更多的教学内容。为了适应这种变化，同时又保证教学质量，一些老师不得不根据他们自己的特点删除部分教学内容，这样的教学方式无疑改变了物理理论的完整性和系统性。而文科专业学生也会因为其本就不是十分牢固的物理功底而增加学习的复旦与压力，学习的积极性也受到了相应的影响。
一种可以选择的方式就是利用各种计算机多媒体辅助教学，顺应大学文科生的学习需要，提高物理教学效率，有效的帮助学生更好更快的学习大学物理知识。而一种能够被广泛应用的教学辅助工具，它必须具有简洁、高效、适用性广等特点，例如：微软公司开发的PowerPoint（PPT），Adobe公司开发的Photoshop（PS），Flash（FS）等。PPT能够提高内容展示的更新速率，节省人为书写和内容擦拭过程的时间浪费：而Photoshop对文字、图片的润色效果对学生视觉所产生的冲击能够加深其印象，提高知识接收效率。因此，在大学教育技能培训课程中，都将PPT、PS、FS等作为必修的教育技术、技能对大学教师进行考核。然而物理不同于其他的工科或者理科专业，物理结果、现象和过程，其本身并没有现成的数据、图片和动画，这就要求物理教师能够根据现有的物理规律理论编程建模。在物理建模和现象重现的过程中，不仅可以增加教师对其所授课程内容的熟悉程度，同时，可以加深对已有物理规律的认识和理解，有利于进一步提高教学质量。因此，对于物理专业的教师，简单的教学辅助工具如：PPT，PS，FS等不能充分满足物理教学的需要，选择一种简单而高效的计算数值模拟与编译平台对大学物理老师而言具有重要的意义。
2 文科大学物理教学中使用Matlab建模的优势
Matlab平台具有三大特点。
（1）功能强大。具有数值计算和符号计算、计算结果和编程可视化、数学和文字统一处理、离线和在线计算等功能。
（2）界面友善、语言自然。Matlab以复数处理作为计算单元，指令表达与标准教科书的数学表达式相近。
（3）开放性强。世界上超过200家公司开发出与Matlab兼容的第三方产品。
这些特点使得Matlab相对于其他计算机语言和编译平台具有得天独厚的优势。
2.1 利用Matlab可以将抽象的理论知识具体化
大学文科物理教学的一个难点就是怎样重新激发物理功底并不是十分好的文科生学习物理的兴趣。研究经验表明，文科生普遍反映物理知识过于抽象，难于理解，因此，将抽象的物理规律具体化，是改善文科生物理学习效果的有效途径之一。
物理规律存在于人们日常生活的每一个角落，与生产实践紧密联系。物理的应用需要我们细心去发觉，例如：高铁所采用的车窗具有类似照相机广角镜的功能，是光传播理论在生产实践中的应用：爆炸包含了气体膨胀，粒子碰撞过程，满足粒子机械运动、气体等压膨胀和能量转换守恒等物理规律：这些物理现象和过程可以通过Matlab编程建模在计算机中重现。而计算机对物理现象和过程的重现，实际上能够起到对抽象物理规律具体化的作用，让学生直观感受到物理现象的演变过程，从中寻找物理规律，并升华、总结出相应的物理定律和定理。对抽象规律的具体化能够增加学生对物理知识的感性认识和主观能动性，加深印象和理解，同样也必将提高其对物理学习的效率。
2.2 实现动画教学
物理规律包含在物理现象当中，而物理现象是动态的，需要使用动画才能直观的展示。Matlab具有强大的图像处理与编译、图片修改与操作功能。其中图像处理工具包是由一系列支持图像处理操作的函数组成，支持几何操作、区域操作和块操作，同时具有线性滤波、图像分析和增强、二值图像操作等。例如：对图像文件的输入与输出操作，可以方便的将物理过程中所获得的物理状态图导出、保存，而这些导出的图片可以作为动画制作过程中的帧文件，实现物理过程的计算机重现（如图1）。
图1所示，通过理论建模，重现质点饶圆心转动的Matlab程序。设计思想是利用公式，质点在x和y方向上都是做加速运动，选择合适的可以得到近似程度极高的圆周运动。图2给出的是取不同的时间间隔所得到的圆。时间间隔太长（如：时），质点球从初始位置运动一周后，终点与起点不重合（如图2（a）所示），整个圆形曲线发生明显形变，并且可以看到是由许多直线所构成的多边形：而时间间隔减小后（如：时），能够得到近似程度很高的圆（如图2（c）所示）。这种Matlab建模结果能够展示物理的微分过程与微小过程之间的区别（当多边形的变数趋于无穷的时候，将于圆等价），同时帮助学生很好的理解微积分以及物体运动的微分过程。
2.3 利用Matlab模拟实验
物理教学更多的注重学生的动手操作，是一门以实验为主，讲授为辅的学科。学生通过对实验的观察和对实验手段的研究，可以更有效的理解和掌握科学知识。一个实验的进行必然会受到所用仪器的精度、财力物力等一系列客观条件的制约，导致很多实验无法正常的进行，或者实验效果不太理想。然而我们却可以利用Matlab代替人工实验，根据物理理论模拟实验并产生良好效果。比如在学习热测量这一课程时，要对在临界点的物质进行测量。受到临界慢化现象的影响，物质要重新达到热平衡，每一次温度的改变都需要好几个小时。在实验室的人员和每个人身上所带有的几十瓦特功率的热源，都对学生的实验结果产生一定的影响。这时我们可以利用计算机测量设备来进行准确的测量，通过显示器观察由监控器所监控的室内外情况。为了让学生认识到参数间的关系，我们可以随意的定义一个参数，确定其对实验结果的影响。让学生在推理、判断、分析方面得到锻炼。而整个实验只由一台计算机就可以准确的完成。又比如在讲电磁场这一章中，电场和磁场都是很抽象的物理量（因为看不到，也摸不着），学生平时对电场、磁场的传播接触很少，缺乏感性认识。而在Matlab平台上，利用时域有限差分方法求解Maxwell方程，可以获取电场、磁场在空间传播的时域图像，帮助学生进行理解。图3展示了一维情况下，脉冲波通过折射率不连续分布的区域所产生的反射和透射。在波动光学这章，在讲光程差的时候会遇到一个概念就是半波损，光从密介质到疏介质会产生反射和折射，而反射波将产生半波损失，同样的现象在从光疏介质到光密介质的时候却不会发生。图3很好的展示了光在通过光密介质时反射波振幅的变化规律。
2.4 激发学习兴趣
兴趣是学习的动力和源泉。传统物理教学多以老师老师的讲授为主，学生被动的接受物理理论知识为辅。这样的教学模式效率低、质量差，教育出来的学生要么产生抵触情绪不愿意学，要么缺乏创新意识和批判精神，只懂得被动接受。前面的例子显示，Matlab在物理教学中的运用，能够发掘学生的创新潜力，更加充分地发挥物理教学的优势，达到物理教学的目的和意义。比如通过计算机编程，重现物理现象的发展、演变，激发学生主动学习的兴趣，让他们在物理现象发展与演变的过程中自己寻找可能的物理规律，达到对物理知识的深刻理解。
3 结论
在大学课程设计中，为本科生尤其是文科专业的学生开设大学物理课程是十分必要的。物理课程的开设为提高文科生分析、解决实际问题的能力，增加其科学素养等方面具有其他课程不可替代的作用。而怎样激发文科生学习物理的兴趣，培养其科学的思维方式是大学文科物理教学中所亟待解决的关键问题之一。本文阐述了利用Matlab平台，通过计算机简单建模，重现书本中描述的以及生活当中所发生的物理现象和过程，能够帮助文科生简单、高效的抓住物理现象和过程的本质，具有激发其学习物理的兴趣，提高其主观能动性的作用，在大学文科物理教学中应该推广和应用。
参考文献
[1]李铁，胡南.对文科物理教育的认识与实践[J].重庆工学院学报：自然科学版，2007，21（15）：170-174.
[2]刘丽敏，李长江，刘晓来.大学文科物理教学探索[J].物理与工程，2004，14（1）：59.
[3]欧阳芳平，黄生祥，赵新闻，等.中南大学文科物理课程教学的思考与探索[J].理工高教研究，2005，24（2）：51-54.
[4]周雨青.东南大学文科物理教学改革的反思[J].高等工程教育研究，2000（2）：89-92.
