基于Matlab的物理实验系统设计与实现
摘要：以Matlab为主要开发技术，在Authorware平台下统筹Flash和Matlab软件，根据新课程标准要求设计了中学物理实验室系统。该系统能帮助学生理解和掌握抽象的物理概念，激发学习兴趣，提高教学效率与教学质量。
关键词：Matlab；Flash；Authorware；物理实验教学
DOIDOI：10.11907/rjdk.151135
中图分类号：TP319
基金项目基金项目：宁夏教育厅大学生创业计划项目（12CHY01）
作者简介作者简介：纪婷婷（1990―），女，河南濮阳人，宁夏大学教育学院硕士研究生，研究方向为数字媒体应用；王芙蓉（1989―），女，甘肃陇南人，宁夏大学教育学院硕士研究生，研究方向为数字媒体应用；汤全武（1965―），男，宁夏银川人，宁夏大学物理电气信息学院副教授、硕士生导师，研究方向为教育资源开发与应用、数字媒体应用。
0 引言
1 系统总体设计
1.1 系统功能结构
中学物理实验室系统主要由产品介绍、初中物理实验室、高中物理实验室、练习题库和趣味模块5个部分组成。其中，初中物理实验室和高中物理实验室结合中学物理教学实际需求，实验内容涵盖教材各章节和知识点，是教材的同步实验室，并且结果表现形式丰富。同时，初中物理实验室和高中物理实验室提供基于Matlab设计的学生用计算器。练习题库由高中数学题库和初中数学题库两部分组成，均按教材分类，包括章节的检测题、综合检测题、升学考试题、中期模拟卷、期末模拟卷等。趣味模块提供有益智开发大脑的小游戏，让学生在学习过程中劳逸结合，减少枯燥感。系统功能结构如图1所示。
①开发平台为Matlab R2008a、Flash、Authorware、Microsoft Windows 7；②开发语言为Matlab；③使用Authorware作为第三方软件平台统筹Matlab和Flash，使之形成一个系统。采用流行的B/S体系架构；④使用Photoshop以及Flash进行页面优化；⑤考虑系统的针对性、易用性。系统技术路线如图2所示。
1.3 系统运行环境
2 系统设计与实现
2.1 系统设计思路
由于本系统是通过Matlab软件、Flash软件开发，再通过Authorware兼容平台统筹Matlab和Flash，使之形成一个系统的应用软件。因此，首先使用Matlab语言及其携带的GUI工具，建立良好的人机交互界面，完成部分物理实验室设计，包括初中物理和高中物理模块实现；其次将经过调试的物理实验室利用Matlab自带的Compiler工具，转换为可独立运行的.exe文件，并对转化的.exe文件进行调试；然后使用Flash软件完成部分物理实验的设计、开发和实现；最后使用Authorware平台统筹整体界面设计、开发和实现，具体包括产品介绍、初中物理、高中物理、练习题库和趣味模块。设计路线框架如图3所示。
2.2 系统仿真实现
2.2.1 Matlab制作实验
中学物理实验室的核心模块采用Matlab可视化图形用户界面设计方法。Matlab设计GUI程序的前台界面有全命令行的M文件编程和GUIDE辅助的图形界面设计两种方式[6]。GUIDE即Maltab提供的GUI程序的集成化设计和开发环境，是一种可视化的图形用户界面设计方法[7]。由于中学物理实验室是教材的同步实验室，其设计与实现根据教材逐一进行。
为了实现Matlab部分功能，需要为系统界面中各控件编写相应的回调函数，以完成系统的功能和目标。回调函数的编写包括各个实验的功能界面、游戏界面等。
采用Matlab Compiler工具实现Matlab/GUI转化成.exe文件，屏蔽Matlab生成.exe文件时出现黑屏问题的方法是通过对compopts.bat添加程序代码。 2.2.2 Flash制作实验
Flash是一款交互式矢量多媒体技术动画软件。它不仅可以通过文字、图片、视频、声音等手段综合展现动画内容，还可以通过强大的脚本语言（Action Script）制件交互动画，其以操作简单、功能强大、易学易用、浏览速度快等特点受到广大动画设计人员的喜爱，在网页动画制作和多媒体课件制作方面有较强优势[8]。Flash软件可以实现多种动画特效，是表现动态过程、阐明抽象原理的一种重要媒体。使用动画设计，有助于学科知识的表达和传播，加深对知识的理解，提高学习兴趣和教学效率，对以抽象教学内容为主的课程应用效果很好[9]。
2.2.3 系统平台制作
Authorware软件采用面向对象的设计思想，采用图标、流线等多媒体开发工具，主要承担多媒体素材的组织任务，能够同多种开发工具兼容，共同实现多媒体功能[10]。Authorware对编程要求较低，不具有编程能力的人员也能创作出一些高水平的多媒体课件。
将Matlab转换成的.exe文件和Flash生成的.exe文件置于第三方平台Authorware软件中，利用Authoeware编辑，统一界面风格，整体打包形成新的.exe文件，即设计出中学物理实验室系统。
3 系统展示
3.1 系统整体界面展示
双击桌面上的“中学物理实验室”图标后，进入系统主界面。整个系统由系统名称和菜单栏组成。菜单栏由“产品介绍”、“初中物理”、“高中物理”、“练习题库”、“趣味模块”等要素构成，整个版面清新明亮、简单美观。
在系统的菜单栏点击“练习题库”图标，系统就进入练习题库页面。练习题库分为初中物理练习题库和高中物理练习题库；在系统的菜单栏点击“趣味模块”图标时，系统即进入休闲娱乐时刻；当学习完毕点击菜单栏的“退出学习”图标，系统即自动关闭。
3.2 系统实验室展示
中学物理实验室系统由初中物理和高中物理2个模块组成，各模块均包括相应教材的同步实验室模块，实验内容涵盖教材各章节和知识点。下面以高中物理实验室为例，进行实验室功能演示。
在高中物理实验室界面中有带电粒子在电场中的运动、带电粒子在磁场中的运动、欧姆定律、点电荷形成的电场等实验。
（1）带电粒子在电场中的运动。在高中物理实验室的主界面中，用鼠标点击“选修3-1”进入选修3-1实验室的主界面。在该界面用鼠标点击“带电粒子在电场中的运动”，在弹出的界面中点击“演示”按钮，得到的结果如图4（a）和图4（b）所示。
（2）带电粒子在磁场中的运动。在选修3-1主界面中，用鼠标点击“带电粒子在磁场中的运动”，在弹出的界面中点击“演示”按钮，在弹出的界面中分别输入“带电粒子射入磁场的角度”，点击“Start”按钮，绘制出如图5（a）所示的运动轨迹，点击菜单栏的旋转按钮，实现如图5（b）所示的旋转效果。
4 结语
本文采用Matlab开发了一个通用性强、简单易用的中学物理实验室系统，该系统充分利用Matlab的数值计算能力和数据可视化能力以及强大的绘图功能，实现了物理现象和物理过程的形象化和可视化，有利于开拓学生视野，激发学习兴趣，改善了传统教学方式单一性缺陷，促进了多媒体技术在教学中的应用。