中學(xué)電學(xué)實(shí)驗(yàn)的Simulink設(shè)計與優(yōu)化

沈靜聰

關(guān)鍵詞：中學(xué)物理：實(shí)驗(yàn)設(shè)計：Simulink仿真：教育技術(shù)

中學(xué)科學(xué)的物理部分在整個科學(xué)理論課程體系中起著重要的基礎(chǔ)性作用，它包含物理學(xué)的基本概念和物理實(shí)驗(yàn)的基本操作方法。作為一門強(qiáng)調(diào)理論與實(shí)踐相結(jié)合的白然科學(xué)，中學(xué)物理的教學(xué)模式更應(yīng)該關(guān)注教學(xué)過程中的互動與實(shí)踐。但在實(shí)際教學(xué)過程中，一些原理復(fù)雜的物理問題和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，很難通過普通實(shí)驗(yàn)器材形象生動地進(jìn)行演示，從而引起學(xué)生理解更加困難、教師教學(xué)更難開展等問題。另外，部分學(xué)校存在物理實(shí)驗(yàn)設(shè)備老舊、原材料不足、實(shí)驗(yàn)員缺乏等問題，直接或間接地增大了實(shí)驗(yàn)誤差，減弱了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，降低了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，甚至有可能導(dǎo)致學(xué)生養(yǎng)成不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，違背了實(shí)踐教學(xué)課程設(shè)置的初衷。

1Simulink仿真系統(tǒng)介紹

針對以上問題，可以將計算機(jī)仿真技術(shù)應(yīng)用到物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。它與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式相結(jié)合，成為現(xiàn)代化物理教學(xué)的突破口和發(fā)展點(diǎn)。目前，物理實(shí)驗(yàn)仿真軟件有Multisim（電學(xué)仿真軟件）、MATLAB Simulink、EWB（電子設(shè)計平臺）、Proteus（電路分析與實(shí)物仿真軟件）、NoBook（仿真物理教學(xué)軟件）、PhET（互動仿真實(shí)驗(yàn)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(xué)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(xué)科學(xué)的電學(xué)實(shí)驗(yàn)部分，最常用的實(shí)驗(yàn)器材包括干電池組成的電池組、導(dǎo)線、開關(guān)、定值電阻、滑動變阻器、電壓表、電流表、小燈泡等，相應(yīng)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(shí)驗(yàn)中的電路圖轉(zhuǎn)換為仿真電路圖，從而把現(xiàn)實(shí)的物理實(shí)驗(yàn)環(huán)境轉(zhuǎn)換為虛擬的計算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境。當(dāng)然，這種轉(zhuǎn)換并非一蹴而成，需要進(jìn)行設(shè)計、調(diào)試與優(yōu)化。

2中學(xué)電學(xué)實(shí)驗(yàn)的Simulink仿真設(shè)計與優(yōu)化

下面，我們就以中學(xué)電學(xué)實(shí)驗(yàn)為例，詳細(xì)說明該實(shí)驗(yàn)的Simulink仿真設(shè)計與優(yōu)化過程。中學(xué)階段的電學(xué)實(shí)驗(yàn)涉及實(shí)驗(yàn)器材的使用方法、電路連接、電壓測量、電流測量等基礎(chǔ)電學(xué)實(shí)驗(yàn)技能，以此來探究電壓與電流之間的關(guān)系。該實(shí)驗(yàn)的實(shí)物電路圖如圖2所示。

該實(shí)驗(yàn)要求學(xué)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(guān)系。然而，現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)的效果會受到多方因素的影響（如實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的U-I關(guān)系圖很難成為一條“完美”的直線。這需要我們結(jié)合Simulink仿真實(shí)驗(yàn)對該實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象或結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。

根據(jù)實(shí)物電路圖和電學(xué)實(shí)驗(yàn)器材與Simulink模塊對應(yīng)關(guān)系表（表1），可以在Simulink仿真平臺中繪制相應(yīng)的電路圖，將實(shí)物電路圖（圖2）轉(zhuǎn)化為計算機(jī)仿真圖（圖3）。

現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)需要學(xué)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(guān)系圖。而在仿真實(shí)驗(yàn)中，只需不斷改變可變電阻的阻值，計算機(jī)即可實(shí)時讀取電壓表和電流表的值，大大提高了實(shí)驗(yàn)的便捷性和可操作性。同時，仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚪鉀Q實(shí)物電路中電壓表和電流表內(nèi)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。這些仿真實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢能夠幫助學(xué)生提高計算機(jī)思維能力和實(shí)踐創(chuàng)新能力。

現(xiàn)實(shí)電路實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生要反復(fù)改變滑動變阻器的阻值，記錄多組電壓與電流的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，才能畫出U-I圖。這在實(shí)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(shè)計，可以實(shí)現(xiàn)以上步驟的自動化處理。優(yōu)化設(shè)計后的仿真電路圖如圖4所示。

通過設(shè)置一個斜坡信號源，將隨時間變化的信號值導(dǎo)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(dǎo)出到XY二維圖生成器中，點(diǎn)擊“運(yùn)行”后即可實(shí)現(xiàn)多組數(shù)據(jù)的白動記錄和圖像的自動生成，仿真結(jié)果如圖5所示。

Simulink仿真充分利用計算機(jī)運(yùn)算準(zhǔn)確、快速的特點(diǎn)來提高實(shí)驗(yàn)效率，可進(jìn)一步加深學(xué)生對電學(xué)實(shí)驗(yàn)的理解，提升學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力，培養(yǎng)學(xué)生對計算機(jī)仿真編程的興趣。另一方面，仿真實(shí)驗(yàn)也從側(cè)面提升了課堂的趣味性和創(chuàng)新性，為改進(jìn)傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，提升教師實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果和學(xué)生學(xué)習(xí)效率提供一種較為新穎且有效的途徑。

3總結(jié)與展望

文章針對中學(xué)電學(xué)實(shí)驗(yàn)中的“探究電壓與電流關(guān)系”設(shè)計了一個Simulink仿真實(shí)驗(yàn)案例，通過引入斜坡信號和時變電阻完成了仿真實(shí)驗(yàn)的優(yōu)化設(shè)計，實(shí)現(xiàn)了電壓與電流關(guān)系圖的自動化生成，提高了課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)的趣味性。但由于仿真實(shí)驗(yàn)中涉及模擬信號和數(shù)字信號的處理與轉(zhuǎn)換，該軟件工具可能需要學(xué)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(xué)電學(xué)中各類實(shí)驗(yàn)的Simulink仿真設(shè)計，形成一套完整的中學(xué)電學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案，進(jìn)一步推進(jìn)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的數(shù)字化變革。