淺談大學(xué)物理中的計(jì)算機(jī)教學(xué)

1、淺談大學(xué)物理中的計(jì)算機(jī)教學(xué)論文關(guān)鍵詞物理教學(xué)計(jì)算機(jī)教學(xué)論文摘要物理學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)關(guān)系親密、互相促進(jìn)、共同開(kāi)展，對(duì)我們今天的物理教學(xué)提出了更新更高的要求，物理學(xué)的教學(xué)內(nèi)容可以結(jié)合計(jì)算機(jī)教學(xué)作一些考慮和嘗試，以適應(yīng)新形勢(shì)的要求。一、物理學(xué)與計(jì)算機(jī)的親密關(guān)系電子計(jì)算機(jī)是因解決物理問(wèn)題的需要而產(chǎn)生的，二次大戰(zhàn)期間為了快速計(jì)算彈道，被公認(rèn)為世界第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)ENIA于1946年研制成功1，萬(wàn)維網(wǎng)的出現(xiàn)是因歐洲核物理學(xué)家們進(jìn)展學(xué)術(shù)交流的需要而設(shè)計(jì)出來(lái)的。由此可見(jiàn)，計(jì)算機(jī)與物理學(xué)的關(guān)系是非常親密的，物理學(xué)的開(kāi)展促成了計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生與開(kāi)展，計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)是二十世紀(jì)最偉大的科學(xué)技術(shù)成就之一，它延伸了人們的思維才能

2、，成功地解決了很多物理、數(shù)學(xué)等方面的難題，沒(méi)有計(jì)算機(jī)就不可能準(zhǔn)確計(jì)算出火箭和衛(wèi)星的軌道位置、就沒(méi)有今天的航天成就，計(jì)算機(jī)應(yīng)用跨越各個(gè)學(xué)科，在工業(yè)技術(shù)、企業(yè)管理、情報(bào)信息處理、國(guó)民教育等領(lǐng)域引起深化的變革，在今天幾乎沒(méi)有哪一個(gè)學(xué)科可以分開(kāi)計(jì)算機(jī)的應(yīng)用。作為孕育計(jì)算機(jī)誕生與開(kāi)展的物理學(xué)，假設(shè)說(shuō)早期物理學(xué)應(yīng)用計(jì)算機(jī)主要解決人們的計(jì)算速度、強(qiáng)度的技術(shù)問(wèn)題，那么到了今天，計(jì)算機(jī)已在更深化的層次上促進(jìn)物理學(xué)的開(kāi)展，由于在物理學(xué)很多領(lǐng)域中可以找到準(zhǔn)確解的理論問(wèn)題已經(jīng)不多了，剩下的是大量的復(fù)雜的非線性問(wèn)題，對(duì)這些問(wèn)題的分析、預(yù)測(cè)和求解分開(kāi)計(jì)算機(jī)，人們幾乎無(wú)能為力了。另外一個(gè)方面，在計(jì)算機(jī)出現(xiàn)之前，人們只可以通

3、過(guò)真實(shí)的實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證物理理論的正確性、工程中也往往需要消耗巨額資金做實(shí)驗(yàn)來(lái)探測(cè)某些數(shù)據(jù)和驗(yàn)證方案的可行性。而今天很多實(shí)驗(yàn)可以通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)來(lái)完成，到達(dá)與真實(shí)的實(shí)驗(yàn)完全一樣的效果，本錢(qián)低廉且平安環(huán)保，用計(jì)算機(jī)來(lái)進(jìn)展科學(xué)實(shí)驗(yàn)是科學(xué)技術(shù)史上革命性的變化。物理學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)互相促進(jìn)、共同開(kāi)展的情況對(duì)我們今天的物理教學(xué)提出了更新更高的要求，物理學(xué)的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段和教學(xué)方法必須與時(shí)俱進(jìn)，適應(yīng)新形勢(shì)的要求。二、物理教學(xué)中結(jié)合計(jì)算機(jī)教學(xué)的一些考慮大學(xué)物理課內(nèi)容很多，結(jié)合不同的專業(yè)，在保證教學(xué)大綱的根本要求的前提下，內(nèi)容上作一些必要的取舍，針對(duì)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)和應(yīng)用等相關(guān)專業(yè)，教學(xué)內(nèi)容上適應(yīng)地向?qū)I(yè)傾斜，使

4、根底課更好地為專業(yè)課效勞，明確根底課的效勞目的，讓學(xué)生明了物理課程對(duì)后續(xù)專業(yè)課程的重要性，進(jìn)步學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，以獲得良好的學(xué)習(xí)效果，詳細(xì)做法以下幾方面進(jìn)展：一精選典型物理問(wèn)題用計(jì)算機(jī)編程求解大學(xué)物理課程一般在大一的下學(xué)期和大二的上學(xué)期進(jìn)展，而大多數(shù)專業(yè)的計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)課程也恰好在此階段展開(kāi)，這就為物理課與計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)課相結(jié)合創(chuàng)造了有利條件。根據(jù)物理教學(xué)的不同階段，可以精選一些典型的物理問(wèn)題用計(jì)算機(jī)編程進(jìn)展數(shù)值求解。例如在力學(xué)部分講拋物運(yùn)動(dòng)時(shí)，先按教材講授忽略空氣阻力時(shí)的運(yùn)動(dòng)方程，求出準(zhǔn)確解，然后補(bǔ)上空氣阻力二次項(xiàng)，方程就變成非線性的了，讓學(xué)生體驗(yàn)含有空氣阻力時(shí)實(shí)際問(wèn)題求解的難度，再介紹

5、計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算的方法與思路，給出編程示范，作為綜合習(xí)題讓學(xué)生完成程序設(shè)計(jì)與調(diào)試，并與計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)課教師協(xié)商，程序調(diào)試可利用計(jì)算機(jī)上機(jī)課時(shí)間完成，通過(guò)這種方式，理論聯(lián)絡(luò)實(shí)際，既培養(yǎng)鍛煉了學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的才能，又進(jìn)步了學(xué)生學(xué)習(xí)物理課和學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)課雙方面的積極性。又例如在振動(dòng)學(xué)章節(jié)用計(jì)算機(jī)演示單擺大角度強(qiáng)迫振動(dòng)的混沌效應(yīng)；在熱力學(xué)章節(jié)用計(jì)算機(jī)模擬二維布朗粒子運(yùn)動(dòng)；在電磁學(xué)章節(jié)用計(jì)算機(jī)編程求解一般位置的電場(chǎng)和磁場(chǎng)分布情況，像載流圓形線圈，根據(jù)畢粵-薩伐爾定律和對(duì)稱性，教材上只給出了求線圈軸線上點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，但對(duì)其它位置的磁場(chǎng)分布情況計(jì)算就很難了，因此可在課堂上簡(jiǎn)單介紹計(jì)算機(jī)積分法，要求學(xué)

6、生在此根底上利用計(jì)算機(jī)完成求解圓形電流非軸線上點(diǎn)的磁場(chǎng)分布情況，穩(wěn)固和加深對(duì)物理定律及其適用范圍的理解與把握，學(xué)習(xí)和體會(huì)計(jì)算機(jī)編程的方法與技巧。通過(guò)精選少量典型物理習(xí)題利用計(jì)算機(jī)編程進(jìn)展數(shù)值求解，以小論文或綜合作業(yè)的形式布置練習(xí)，詳細(xì)施行中充分征求計(jì)算機(jī)相關(guān)教師的意見(jiàn)并懇求協(xié)助和參與施行，加強(qiáng)不同學(xué)科、不同課程之間的交流與協(xié)作，到達(dá)事半功倍的雙贏的教學(xué)效果，充分表達(dá)大學(xué)物理課的根底地位與作用，表達(dá)計(jì)算機(jī)對(duì)物理學(xué)習(xí)和研究的重要性，知道這兩門(mén)課程關(guān)系如此親密，學(xué)習(xí)的認(rèn)真態(tài)度和積極性自然就得到了加強(qiáng)和進(jìn)步。二部分物理實(shí)驗(yàn)利用計(jì)算機(jī)仿真課件來(lái)進(jìn)展隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的迅速開(kāi)展，大學(xué)物理的計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)也

7、得到普遍的關(guān)注與認(rèn)同，成為大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的一個(gè)新的重要手段和工具，一些院校已開(kāi)發(fā)出很多有特色的大學(xué)物理仿真課件，為我們?cè)趯?shí)驗(yàn)方面施行物理教學(xué)與計(jì)算機(jī)教學(xué)結(jié)合創(chuàng)造了另一個(gè)有利條件。可將全部物理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分成三個(gè)部分:一部分按原方案施行，一部分實(shí)驗(yàn)由計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)取代，還有一部分作為比照實(shí)驗(yàn)，既按真實(shí)實(shí)驗(yàn)進(jìn)展，又做仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)展比照。將仿真實(shí)驗(yàn)課件安裝在機(jī)房和校園網(wǎng)上，方便學(xué)生操作。仿真實(shí)驗(yàn)雖然不可完全替代真實(shí)實(shí)驗(yàn)，但真實(shí)實(shí)驗(yàn)儀器因構(gòu)造復(fù)雜精細(xì)、價(jià)格昂貴，不允許學(xué)生反復(fù)操作、隨意拆裝，以剖析儀器性能構(gòu)造。仿真實(shí)驗(yàn)恰好在這方面能彌補(bǔ)真實(shí)實(shí)驗(yàn)儀器的缺乏，豐富了物理實(shí)驗(yàn)的手段與方法，拓廣了學(xué)生的視角，也為以后計(jì)算機(jī)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)掌握一些根本概念。三結(jié)合電磁理論和量子理論章節(jié)內(nèi)容，介紹計(jì)算機(jī)軟硬件的開(kāi)展前景通過(guò)上面的一些做法使學(xué)生理解了計(jì)算機(jī)對(duì)物理學(xué)習(xí)和研究的重要性，但反過(guò)來(lái)物理學(xué)理論與技術(shù)的開(kāi)展對(duì)計(jì)算機(jī)軟硬件的開(kāi)展所起的關(guān)鍵作用，在物理教學(xué)的相關(guān)內(nèi)容中也應(yīng)注意作些介紹，事實(shí)上每一代計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生與開(kāi)展都與當(dāng)時(shí)的物理理論與技術(shù)程度親密相關(guān)。在電磁學(xué)和量子理論章節(jié)的教學(xué)中適當(dāng)介紹一些與計(jì)算機(jī)相關(guān)的理論與技術(shù)知識(shí)，如量子信息、量子密