《計算物理》課程教學大綱

《計算物理》教學大綱課程名稱：計算物理課程編號：F047092992英文名稱：ComputationalPhysics學時：32學時 學分：2學分開課學期：第5學期適用專業(yè)：光電信息科學與工程專業(yè)、應用物理學專業(yè)課程類別：理論課課程性質：專業(yè)方向與拓展先修課程：高等數學；電磁學；力學；Fortran或Python語言一、課程的性質及任務《計算物理》是光電信息科學與工程專業(yè)和應用物理學專業(yè)的一門主要專業(yè)選修課，是一門理論性和實踐性都很強的綜合性課程通過本課程的學習，使學生能夠了解計算物理的發(fā)展簡史，基本思想及其對現(xiàn)代物理學發(fā)展的支撐作用；系統(tǒng)掌握常見數據處理、解（常、偏）微分方程的基本思想，能夠熟練使用軟件解決上述問題。通過本課程，培養(yǎng)學生嚴謹的科學態(tài)度和分析問題的邏輯性與條理性、精益求精的工匠精神以及奮發(fā)圖強的科技報國精神；培養(yǎng)學生從實際出發(fā)，在理論指導下靈活處理問題的能力，為學習后續(xù)課程打下基礎。依據河北工程大學光電信息科學與工程專業(yè)以及應用物理學專業(yè)培養(yǎng)計劃，本課程需要培養(yǎng)學生的能力是：提高數據處理和解決實際物理問題的能力，培養(yǎng)科研創(chuàng)新素養(yǎng)，為今后科研和工作起到鋪墊作用。具備解決物理建模等工程問題所需要的工程基礎共性知識。掌握基本的數值計算方法以及物理學中常用的數值計算方法。具備科學創(chuàng)新精神，勇于在物理學前沿及交叉領域探索與攀登。二、課程目標與要求2.1課程目標了解計算物理的發(fā)展簡史，計算物理與實驗物理、理論物理的區(qū)別和聯(lián)系，了解計算物理研究的前沿進展和應用前景；使學生認識到計算物理在現(xiàn)代科學研究領域的重要性，掌握辯證唯物主義基本原理，建立科學的世界觀和方法論；掌握軟件的基本使用方法；掌握數值微分、數值積分、數據插值、曲線擬合、求方程（組）的根，傅里葉變換等基本算法，能夠利用軟件相關指令進行數值運算；培養(yǎng)和提高學生誤差分析和數據處理的能力；掌握解常微分方程、偏微分方程的基本思想，能夠利用軟件編程。2.2課程目標與畢業(yè)要求對應關系課程目標畢業(yè)要求二級指標畢業(yè)要求12345●●●●1.3掌握光電信息科學與工程專業(yè)所需的計算機基礎、軟件開發(fā)及應用等必要的知識，具備從事信息系統(tǒng)技術工作的能力。1.能夠運用相關軟件解決工程中遇到的物理問題?！瘛瘛瘛?.15掌握計算機、網絡技術、通信技術、信息檢索等與光電信息科學與工程相關的信息技術工具和有效資源，具備綜合運用上述工具及資源進行系統(tǒng)研究、設計與開發(fā)的能力。2.能夠運用相關軟件知識，并通過查閱文獻、規(guī)范、標準對復雜工程問題進行識別、分析、優(yōu)化，并獲得有效結論?！?.1具有愛國主義情操，尊重生命，關愛他人，主張正義，具有人文知識、思辨能力、處世能力和科學精神3.能夠在解決問題的過程中體現(xiàn)創(chuàng)新意識，考慮國家、社會、健康、安全、法律、文化以及環(huán)境等因素?！?.2了解國情，理解社會主義核心價值觀，維護國家利益，具有推動民族復興和社會進步的責任感。2.3課程目標與培養(yǎng)環(huán)節(jié)對應矩陣序號課程目標理論教學課內實驗課后作業(yè)1能了解計算物理的發(fā)展簡史，計算物理與實驗物理、理論物理的區(qū)別和聯(lián)系HL2掌握掌握軟件的基本使用方法HL3能進行數值微分、數值積分、數據插值、曲線擬合、求方程（組）的根，傅里葉變換等基本算法，HL4能夠利用軟件相關指令進行數值運算HL5能夠利用軟件求解常微分方程、偏微分方程HL注：H表示該能力的在此環(huán)節(jié)重點培養(yǎng)；M表示該能力在此環(huán)節(jié)有應用要求；L表示該能力在此環(huán)節(jié)有所涉及。測控電路課程教學大綱數理科學與工程學院本科課程教學大綱.4目標達成度的評價課程目標1主要通過理論教學環(huán)節(jié)進行培養(yǎng)。主要通過學生課上對該部分內容問題的理解、編程中考慮到的程序細節(jié)進行評價。課程2、3、4、5主要通過理論教學環(huán)節(jié)進行培養(yǎng)，在課后作業(yè)中有所涉及。主要通過課堂測試、課后作業(yè)和期末考試中物理問題的建模、編程進行考核。目標達成綜合以上內容進行評價。三、教學方法及手段理論教學以課堂講授為主，面向基礎知識的準確、扎實掌握，突出對原理的分析、對方法的總結以及理論體系的完整建立；理論教學強調將編程與各種工程實現(xiàn)的實際情況緊密聯(lián)系，面向知識的實際應用；理論教學注重本課程與《電路分析基礎》，以RLC電路為典型需求作為本課程知識的應用背景，結合電路相關理論解釋本課程的有關概念和原理。課程強調學生的自主學習，強調通過自學的方式消化、吸收課程的龐大知識量，并在此基礎上舉一反三。四、課程的基本內容與教學要求第1部分簡單物理實驗的模擬[教學目的與要求]：了解數值計算軟件，并能熟練運用該軟件進行簡諧振動、振動合成、駐波以及光的多縫衍射的模擬。[主要內容]：1、簡諧振動實驗的模擬2、振動合成原理的模擬3、駐波的模擬4、光的多縫衍射的模擬[本部分重點]：簡諧振動實驗的模擬。光的多縫衍射的模擬。[本部分難點]：簡諧振動、光的多縫衍射的程序編寫。第2部分實驗數據的統(tǒng)計處理[教學目的與要求]：了解統(tǒng)計直方圖并能利用數值計算軟件繪制統(tǒng)計直方圖；掌握平均值、方差、標準偏差的計算；掌握錯誤值得剔除方法并能編程。[主要內容]：1、統(tǒng)計直方圖2、平均值方差標準偏差3、錯誤值的剔除 [本部分重點]：錯誤值的剔除繪制統(tǒng)計直方圖[本部分難點]：錯誤值的剔除程序編寫第3部分實驗數據的插值 [教學目的與要求]：掌握線性插值、二次插值并能進行編程運算；了解逐次線性插值和n次插值。[主要內容]：1、線性插值2、二次插值3、逐次線性插值法4、n次插值[本部分重點]：牛頓插值、拋物線插值、龍格朗日插值[本部分難點]：龍格朗日插值的編程第4部分實驗數據的擬合[教學目的與要求]：掌握最小二乘法基本原理；掌握一元線性擬合并能編程；掌握多元線性擬合并編程；了解非線性曲線擬合。[主要內容]：1、最小二乘法與一元線性擬合2、多元線性擬合3、非線性曲線擬合[本部分重點]：最小二乘法、一元線性擬合多元線性擬合[本部分難點]：多元線性擬合編程第5部分線性代數方程組的解法[教學目的與要求]：掌握線性代數方程組的直接解法與迭代解法；能夠熟練進行線性代數方程組的編程求解；了解線性代數方程組幾個編程中需要注意的問題。[主要內容]：1、線性代數方程組的直接解法2、線性代數方程組的迭代解法3、幾個要注意的問題[本部分重點]：高斯消元法、雅克比迭代法[本部分難點]：高斯消元法、雅克比迭代法編程第6部分靜電場與積分計算[教學目的與要求]：掌握矩形、梯形和拋物線形積分近似計算；掌握變步長辛卜生近似計算。[主要內容]：1、矩形、梯形和拋物線形積分近似計算2、變步長辛卜生近似計算[本部分重點]：變步長辛卜生龍格庫塔法近似計算微積分[本部分難點]：變步長辛卜生計算微積分編程第7部分RLC電路與常微分方程的解法[教學目的與要求]：掌握常微分方程的歐拉解法；掌握常微分方程的改進歐拉近似方法。[主要內容]：1、RC電路與常微分方程的歐拉解法 2、RLC電路和改進的歐拉近似方法3、龍格—庫塔(R—K)方法[本部分重點]：歐拉方法求解微分方程龍格庫塔近似計算微分[本部分難點]：改進歐拉方法求解微分的編程第8部分隨機過程與蒙特卡羅方法[教學目的與要求]：了解蒙特卡洛方法基本思想；了解贗隨機數的產生；能夠利用蒙特卡洛方法計算定積分。[主要內容]：1、蒙特卡羅方法(M-C方法)應用概述2、贗隨機數的產生3、用M—C方法計算定積分[本部分重點]：M—C方法基本原理用M—C方法計算定積分[本部分難點]：用M—C方法計算定積分程序五、課內實驗無六、課程學時分配教學課次教學內容教學環(huán)節(jié)與計劃時數教學環(huán)節(jié)計劃時數1第一部分簡單物理實驗的模擬理論課42第二部分實驗數據的統(tǒng)計處理理論課43第三部分實驗數據的插值理論課4４第四部分實驗數據的擬合理論課45第五部分線性代數方程組的解法理論課46第六部分靜電場與積分計算理論課47第七部分RLC電路與常微分方程的解法理論課48第八部分隨機過程與蒙特卡羅方法理論課4七、課程考核與成績評定7.1考核方式考核環(huán)節(jié)包括課程學習過程考核和期末考試，其中課程過程考核占總成績的40%，分別由課堂表現(xiàn)、課后作業(yè)、實驗情況進行評定；期末考試成績占總成績的60%。各環(huán)節(jié)的比重如下?？己谁h(huán)節(jié)比重合計過程考核（平時成績）課堂表現(xiàn)15%30%作業(yè)15%期末成績期末測試70%70%總計100%100%7.2考核內容及要求本課程為考試課?？己藘热菁胺种捣峙淙缦??？己朔绞娇己藘热莘种嫡n程目標總分值期末考試70%計算物理軟件的簡單操作20～35目標1、2100分數值微分、數值積分、數據插值、曲線擬合40～65目標3求解常微分方程25～15目標4蒙特卡洛思想求解積分10～15目標5過程考核30%課堂表現(xiàn)課堂測試、出勤情況15目標1-515分課后作業(yè)作業(yè)完成情況15目標2-515分7.3成績評定1.課堂表現(xiàn)課堂表現(xiàn)總分15分，由課堂測試與課堂出勤情況評定。其中，課堂測試滿分10分，以客觀題（填空、選擇、判斷）為主，每學期隨堂測試15~20次，每次測試1~2道題目，每答錯一道題目扣0.5分（直到扣滿10分為止）；課堂出勤滿分5分，缺勤一次扣1分，遲到或請假扣0.5分。2.課后作業(yè)課后作業(yè)總分15分，由作業(yè)完成情況評定。每學期布置作業(yè)5次，每次作業(yè)占3分，評分標準如下；評分標準分值標準描述課后作業(yè)3能夠按時認真完成作業(yè)、作業(yè)態(tài)度認真、書寫清楚、分析計算正確。2能夠按時完成作業(yè)、作業(yè)態(tài)度較好、書寫較清楚、分析計算基本正確1能夠按時完成作業(yè)、作業(yè)態(tài)度一般、書寫不清楚、分析計算錯誤較多0不交作業(yè)或作業(yè)態(tài)度不認真、抄襲他人作業(yè)4.期末考試采用閉卷考試形式進行，期末成績?yōu)榘俜种?，計入總成績時乘以70%，由教務處安排考試流程，考試內容須覆蓋支撐全部畢業(yè)要求指標的授課內容，考試完成后在綜合教務系統(tǒng)中按照設定的占比系數錄入成績。八、課程評價與持續(xù)改進8.1課程評價課程評價周期定為每1年評價一次。設置達成情況目標值，采用成績分析法進行評價。課程達成評價根據光電信息科學與工程專業(yè)、應用物理學專業(yè)課程達成評價方法進行計算，評價結果用于持續(xù)改進。光電系、物理系負責人組織教師實施課程評價，制定持續(xù)改進措施，監(jiān)督持續(xù)改進過程。課程負責人負責撰寫課程考核總結報告，實施課程評價持續(xù)改進。8.2持續(xù)改進1）日常教學：根據學生學習情況，教師采取座談會、與學生單獨交流，及時調整教學方法、進度，做出教學改進。2）課堂質疑或短時間交流討論：對課堂質疑或討論的效果進行分析，提出課程持續(xù)改進意