沈靜聰

關鍵詞：中學物理：實驗設計：Simulink仿真：教育技術

中學科學的物理部分在整個科學理論課程體系中起著重要的基礎性作用，它包含物理學的基本概念和物理實驗的基本操作方法。作為一門強調理論與實踐相結合的白然科學，中學物理的教學模式更應該關注教學過程中的互動與實踐。但在實際教學過程中，一些原理復雜的物理問題和實驗現(xiàn)象，很難通過普通實驗器材形象生動地進行演示，從而引起學生理解更加困難、教師教學更難開展等問題。另外，部分學校存在物理實驗設備老舊、原材料不足、實驗員缺乏等問題，直接或間接地增大了實驗誤差，減弱了實驗現(xiàn)象，降低了實驗教學效果，甚至有可能導致學生養(yǎng)成不嚴謹?shù)目茖W態(tài)度，違背了實踐教學課程設置的初衷。

1Simulink仿真系統(tǒng)介紹

針對以上問題，可以將計算機仿真技術應用到物理實驗教學中。它與傳統(tǒng)實驗教學模式相結合，成為現(xiàn)代化物理教學的突破口和發(fā)展點。目前，物理實驗仿真軟件有Multisim（電學仿真軟件）、MATLAB Simulink、EWB（電子設計平臺）、Proteus（電路分析與實物仿真軟件）、NoBook（仿真物理教學軟件）、PhET（互動仿真實驗軟件）等。其中，Simulink具備簡潔明了的可視化操作界面和龐大的模塊庫，支持連續(xù)或離散型的高精度仿真，擁有極高的仿真計算效率以及與MAT-LAB編程互通極高的可拓展性。

Simulink的模塊庫按照功能可以劃分為Continuous（連續(xù)模塊）、Discrete（離散模塊）、Function&Tables（函數(shù)和平臺模塊）、Math（數(shù)學模塊）、Nonlinear（非線性模塊）、Signals&Svstems（信號和系統(tǒng)模塊）、Sinks（接收器模塊）和Sources（輸入源模塊）8大功能模塊。其中，Continuous模塊如圖1所示。

在中學科學的電學實驗部分，最常用的實驗器材包括干電池組成的電池組、導線、開關、定值電阻、滑動變阻器、電壓表、電流表、小燈泡等，相應的模塊全部可以在Simulink模塊庫中找到，如表1所示。

利用Simulink模塊可以將實驗中的電路圖轉換為仿真電路圖，從而把現(xiàn)實的物理實驗環(huán)境轉換為虛擬的計算機仿真實驗環(huán)境。當然，這種轉換并非一蹴而成，需要進行設計、調試與優(yōu)化。

2中學電學實驗的Simulink仿真設計與優(yōu)化

下面，我們就以中學電學實驗為例，詳細說明該實驗的Simulink仿真設計與優(yōu)化過程。中學階段的電學實驗涉及實驗器材的使用方法、電路連接、電壓測量、電流測量等基礎電學實驗技能，以此來探究電壓與電流之間的關系。該實驗的實物電路圖如圖2所示。

該實驗要求學生能正確連接電路，并能夠通過改變滑動變阻器的阻值來探究電壓與電流之間的關系。然而，現(xiàn)實實驗的效果會受到多方因素的影響（如實驗器材的精度、電壓表和電流表中不可忽略的電阻、操作的規(guī)范與否、讀數(shù)誤差等），最終由實驗數(shù)據得到的U-I關系圖很難成為一條“完美”的直線。這需要我們結合Simulink仿真實驗對該實驗的實驗現(xiàn)象或結果進行進一步優(yōu)化。

根據實物電路圖和電學實驗器材與Simulink模塊對應關系表（表1），可以在Simulink仿真平臺中繪制相應的電路圖，將實物電路圖（圖2）轉化為計算機仿真圖（圖3）。

現(xiàn)實實驗需要學生改變滑動變阻器的阻值，來不斷記錄電壓表和電流表的示數(shù)，從而繪制電壓一電流關系圖。而在仿真實驗中，只需不斷改變可變電阻的阻值，計算機即可實時讀取電壓表和電流表的值，大大提高了實驗的便捷性和可操作性。同時，仿真實驗能夠解決實物電路中電壓表和電流表內電阻無法忽略的問題，避免了系統(tǒng)誤差，從而最大程度上得到理想的實驗數(shù)據。這些仿真實驗的優(yōu)勢能夠幫助學生提高計算機思維能力和實踐創(chuàng)新能力。

現(xiàn)實電路實驗中，學生要反復改變滑動變阻器的阻值，記錄多組電壓與電流的實驗數(shù)據，才能畫出U-I圖。這在實際操作時步驟繁多，比較耗時耗力。而通過Simulink仿真電路的優(yōu)化設計，可以實現(xiàn)以上步驟的自動化處理。優(yōu)化設計后的仿真電路圖如圖4所示。

通過設置一個斜坡信號源，將隨時間變化的信號值導入到時變電阻中，形成一個隨時間自動變化阻值的滑動變阻器（即時變電阻），并將電壓表和電流表的讀數(shù)導出到XY二維圖生成器中，點擊“運行”后即可實現(xiàn)多組數(shù)據的白動記錄和圖像的自動生成，仿真結果如圖5所示。

Simulink仿真充分利用計算機運算準確、快速的特點來提高實驗效率，可進一步加深學生對電學實驗的理解，提升學生的實踐創(chuàng)新能力，培養(yǎng)學生對計算機仿真編程的興趣。另一方面，仿真實驗也從側面提升了課堂的趣味性和創(chuàng)新性，為改進傳統(tǒng)物理實驗教學模式，提升教師實驗教學效果和學生學習效率提供一種較為新穎且有效的途徑。

3總結與展望

文章針對中學電學實驗中的“探究電壓與電流關系”設計了一個Simulink仿真實驗案例，通過引入斜坡信號和時變電阻完成了仿真實驗的優(yōu)化設計，實現(xiàn)了電壓與電流關系圖的自動化生成，提高了課堂實驗教學的趣味性。但由于仿真實驗中涉及模擬信號和數(shù)字信號的處理與轉換，該軟件工具可能需要學生有較高的知識儲備。在未來的研究中，將持續(xù)深入開發(fā)中學電學中各類實驗的Simulink仿真設計，形成一套完整的中學電學仿真實驗教學方案，進一步推進物理實驗教學的數(shù)字化變革。