（湖南省益阳市桃江县第一中学 413400）
摘要：本文介绍了目前高中物理电学实验中数字仿真案例，并针对交直流变换教学内容采用MATLAB软件搭建仿真模型进行了仿真分析。通过仿真分析结果可以有效帮助学生掌握抽象知识，同时也有助于开发学生对软件仿真的兴趣，培养学生通过仿真软件开展物理电学实验的基本素质。本文成果对于高中物理教学中采用电子仿真辅助教学的模式具有借鉴意义。
关键词：数字仿真技术；MATLAB；电学实验
1 物理电学实验现状
高中物理教学普遍仍然以掌握公式和理论等知识点为目标，在教学中仍然以讲解为主、少量的物理电学实验为辅，学生普遍认为电学中的知识点较为抽象、难以理解，具体存在以下问题：
（1）物理教学仍然以传统模式为主，即老师在课堂以讲授理论、公式为主，学生以做题加深对相关知识点的掌握为辅，但往往学生会做题，却并未真正理解和掌握相关知识点；
（2）由于学校任务重，本应该有的物理电学实验往往压缩或者老师与学生均不够重视，最终仅仅简单演示或完全取消。学生的兴趣爱好未能积极调动，最终导致实验环节成为走过场。
（3）部分学校的物理实验条件有限，尤其在县城及农村中学，学校难以维系和保养物理电学实验的硬件设施。现有的实验设施往往老陈旧，缺乏电子信息类实验设备。但往往这些区域，在计算机普及方面国家正在加强投入和培育。学生对应用计算机学习和开展仿真实验等兴趣浓厚[1]。
2 数字仿真技术
数字仿真技术指通过计算机技术、信息和控制技术，通过对物理对象建立数学模型，通过计算分析得到与实际物理现象相对应的图形化结果。数字仿真包括全数字仿真及数字模拟相结合仿真。数字仿真系统和软件也十分丰富，各个专业领域基本均有开发相应的计算机数字仿真软件。
随着计算机技术的发展，数字化仿真技术已成为目前教学、科研、工程应用的重要工具。在科研和工程实践中，往往先对所研究对象进行计算机数字仿真建模分析，掌握其主要规律和现象，再进行物理实验验证。在教学方面，数字仿真技术也逐渐成为大学教学的重要工具，在文献[2-3]中均提到采用基于MATLAB的数字仿真技术辅助大学物理、自动控制等课程，做到了深入融合。
3 基于MATLAB的物理电学仿真应用
3.1 电场、电磁场物理电学仿真
电场和磁场是高中物理中较为抽象的知识点，往往是难度和重点。在教学中，由于实验条件有限，往往难以展现出电磁变化过程。徐超凡、王林介绍了针对人教版高中物理课题第二册第七章第一节《电磁振荡》开展基于MATLAB的仿真分析[4]。该文提到采用常规的物理电学实验只能观察到电路中确实发生了振动现象，至于振荡的变化过程及相互关系，学生只能依靠公式和头脑想象。通过MATLAB分别建立了无阻尼、有阻尼两种振荡电路模型，并进行仿真分析，通过仿真分析结果可以清楚的看到电路结构中电压、电流的变化过程及相互的对应关系。可见，通过基本MATLAB的仿真分析，可以让枯燥抽象的物理理论和公式通过图像展示，教师在课堂教学中可以通过展示相关仿真分析过程及结果，避免了仅靠学生抽象思维理解物理现象。
张芳芳、姚斌介绍了模拟电磁复合粒子的运动轨迹，通过程序设计最终可通过MATLAB强大的图形功能可绘出带电粒子在磁场中的偏转问题[5]。而这个在常规教学中教师绘制的粒子偏转轨迹并不能真实反映粒子的轨迹运动，同时无法准确立体展示出粒子偏转动态过程。该仿真计算分析就可将抽象的物理问题直观化，从而激发学生的兴趣，培养学生通过计算机软件工具探索问题的基本素质。以上主要针对电磁振荡、电磁场运动等通过MATLAB/SIMULINK建模分析，可以让学生更加直观清楚掌握电磁场相关理论。
3.2 交直流变换电学仿真实验
以人教版高中物理课本第三册课题研究如何将交流电变成直流电为例，该部分内容十分贴近生活现实，日常生活用到的笔记本电源、手机的充电器均是交流电转换直流电的转换器，由于在高中阶段实验条件受限，往往难以通过搭建实际电路和示波器等让学生了解学习转换的全过程。根据半波整流电路原理图1在MATLAB/Simulink中搭建如图所示的仿真模型图2。运行仿真程序，最终可以得到如图3所示的变换前后的图形。从图3可清楚看出，交流电在通过可控晶闸管一定导通角度控制后可得到直流电，即当流过正向电压且触发电压大于晶闸管门极导通电压时晶闸管导通得到直流电。
从仿真结果图，可以感观的得到交直流变换的全过程，使学生容易理解相应的原理。在实际教学过程中，还可以搭建更为复杂的模型，如在电路结构中增加电抗器等，可以观察不同电路结构带来的物理现象变化，加深学生对各类器件物理特性的理解。
4 结论
在物理教学中通过如MATLAB等仿真工具开展常规无法开展的物理电学实验，或者给学生呈现更为全面和动态的物理变化过程，从而将抽象的物理现象可以形象具体的图形化展示物理动态变换过程，加深学生对物理现象尤其是电学部分的理解和掌握。且将MATLAB等数字仿真技术与物理电学实验教学相结合可以让学生通过图形化的物理仿真过程真正掌握物理理论和现象，有助于学生理解掌握物理原理和公式，也有助于学生解答相关问题，提升课堂的教学效果。
参考文献
[1]李劭阳.电子信息技术在高中物理电学实验中的应用[J].电子技术与软件工程,2018(16):254-255.
[2]林春丹,李强,等.基于Matlab的静电场可视化教学示例[J].大学物理实验,2018,31(03):97-100.
[3]周兰,周少武.Matlab数字仿真在自动控制原理教学中的应用[J].当代教育理论与实践,2014,6(06):68-70.
[4]徐超凡，王林. Matlab仿真电磁振荡实验在教学中的应用[J].物理教学探讨,2018,36(518):46-48.
[5]张芳芳,姚斌.MATLAB在中学物理教学中的应用探讨[J].物理之友,2017,33(03):13-15.
作者简介：朱文韬（2001—），男，研究数字仿真技术、物理电学实验等。
论文作者:朱文韬
论文发表刊物:《知识-力量》2019年1月下
论文发表时间:2018/12/4
标签：电学论文; 物理论文; 仿真技术论文; 数字论文; 学生论文; 现象论文; 过程论文; 《知识-力量》2019年1月下论文;