《計算物理》課程教學(xué)大綱

《計算物理》教學(xué)大綱課程名稱：計算物理課程編號：F047092992英文名稱：ComputationalPhysics學(xué)時：32學(xué)時 學(xué)分：2學(xué)分開課學(xué)期：第5學(xué)期適用專業(yè)：光電信息科學(xué)與工程專業(yè)、應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)課程類別：理論課課程性質(zhì)：專業(yè)方向與拓展先修課程：高等數(shù)學(xué)；電磁學(xué)；力學(xué)；Fortran或Python語言一、課程的性質(zhì)及任務(wù)《計算物理》是光電信息科學(xué)與工程專業(yè)和應(yīng)用物理學(xué)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(qiáng)的綜合性課程通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)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(xué)發(fā)展的支撐作用；系統(tǒng)掌握常見數(shù)據(jù)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(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)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(qiáng)的科技報國精神；培養(yǎng)學(xué)生從實際出發(fā)，在理論指導(dǎo)下靈活處理問題的能力，為學(xué)習(xí)后續(xù)課程打下基礎(chǔ)。依據(jù)河北工程大學(xué)光電信息科學(xué)與工程專業(yè)以及應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)培養(yǎng)計劃，本課程需要培養(yǎng)學(xué)生的能力是：提高數(shù)據(jù)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(chǔ)共性知識。掌握基本的數(shù)值計算方法以及物理學(xué)中常用的數(shù)值計算方法。具備科學(xué)創(chuàng)新精神，勇于在物理學(xué)前沿及交叉領(lǐng)域探索與攀登。二、課程目標(biāo)與要求2.1課程目標(biāo)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(jìn)展和應(yīng)用前景；使學(xué)生認(rèn)識到計算物理在現(xiàn)代科學(xué)研究領(lǐng)域的重要性，掌握辯證唯物主義基本原理，建立科學(xué)的世界觀和方法論；掌握軟件的基本使用方法；掌握數(shù)值微分、數(shù)值積分、數(shù)據(jù)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(guān)指令進(jìn)行數(shù)值運算；培養(yǎng)和提高學(xué)生誤差分析和數(shù)據(jù)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(biāo)與畢業(yè)要求對應(yīng)關(guān)系課程目標(biāo)畢業(yè)要求二級指標(biāo)畢業(yè)要求12345●●●●1.3掌握光電信息科學(xué)與工程專業(yè)所需的計算機(jī)基礎(chǔ)、軟件開發(fā)及應(yīng)用等必要的知識，具備從事信息系統(tǒng)技術(shù)工作的能力。1.能夠運用相關(guān)軟件解決工程中遇到的物理問題。●●●●2.15掌握計算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)、信息檢索等與光電信息科學(xué)與工程相關(guān)的信息技術(shù)工具和有效資源，具備綜合運用上述工具及資源進(jìn)行系統(tǒng)研究、設(shè)計與開發(fā)的能力。2.能夠運用相關(guān)軟件知識，并通過查閱文獻(xiàn)、規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)對復(fù)雜工程問題進(jìn)行識別、分析、優(yōu)化，并獲得有效結(jié)論?！?.1具有愛國主義情操，尊重生命，關(guān)愛他人，主張正義，具有人文知識、思辨能力、處世能力和科學(xué)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(hù)國家利益，具有推動民族復(fù)興和社會進(jìn)步的責(zé)任感。2.3課程目標(biāo)與培養(yǎng)環(huán)節(jié)對應(yīng)矩陣序號課程目標(biāo)理論教學(xué)課內(nèi)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(jìn)行數(shù)值微分、數(shù)值積分、數(shù)據(jù)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(guān)指令進(jìn)行數(shù)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(yīng)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(xué)大綱數(shù)理科學(xué)與工程學(xué)院本科課程教學(xué)大綱.4目標(biāo)達(dá)成度的評價課程目標(biāo)1主要通過理論教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行培養(yǎng)。主要通過學(xué)生課上對該部分內(nèi)容問題的理解、編程中考慮到的程序細(xì)節(jié)進(jìn)行評價。課程2、3、4、5主要通過理論教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)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(jìn)行考核。目標(biāo)達(dá)成綜合以上內(nèi)容進(jìn)行評價。三、教學(xué)方法及手段理論教學(xué)以課堂講授為主，面向基礎(chǔ)知識的準(zhǔn)確、扎實掌握，突出對原理的分析、對方法的總結(jié)以及理論體系的完整建立；理論教學(xué)強(qiáng)調(diào)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(yīng)用；理論教學(xué)注重本課程與《電路分析基礎(chǔ)》，以RLC電路為典型需求作為本課程知識的應(yīng)用背景，結(jié)合電路相關(guān)理論解釋本課程的有關(guān)概念和原理。課程強(qiáng)調(diào)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)，強(qiáng)調(diào)通過自學(xué)的方式消化、吸收課程的龐大知識量，并在此基礎(chǔ)上舉一反三。四、課程的基本內(nèi)容與教學(xué)要求第1部分簡單物理實驗的模擬[教學(xué)目的與要求]：了解數(shù)值計算軟件，并能熟練運用該軟件進(jìn)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(nèi)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(shù)據(jù)的統(tǒng)計處理[教學(xué)目的與要求]：了解統(tǒng)計直方圖并能利用數(shù)值計算軟件繪制統(tǒng)計直方圖；掌握平均值、方差、標(biāo)準(zhǔn)偏差的計算；掌握錯誤值得剔除方法并能編程。[主要內(nèi)容]：1、統(tǒng)計直方圖2、平均值方差標(biāo)準(zhǔn)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(shù)據(jù)的插值 [教學(xué)目的與要求]：掌握線性插值、二次插值并能進(jìn)行編程運算；了解逐次線性插值和n次插值。[主要內(nèi)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(shù)據(jù)的擬合[教學(xué)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(nèi)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(shù)方程組的解法[教學(xué)目的與要求]：掌握線性代數(shù)方程組的直接解法與迭代解法；能夠熟練進(jìn)行線性代數(shù)方程組的編程求解；了解線性代數(shù)方程組幾個編程中需要注意的問題。[主要內(nèi)容]：1、線性代數(shù)方程組的直接解法2、線性代數(shù)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(xué)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(nèi)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(xué)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(jìn)歐拉近似方法。[主要內(nèi)容]：1、RC電路與常微分方程的歐拉解法 2、RLC電路和改進(jìn)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(jìn)歐拉方法求解微分的編程第8部分隨機(jī)過程與蒙特卡羅方法[教學(xué)目的與要求]：了解蒙特卡洛方法基本思想；了解贗隨機(jī)數(shù)的產(chǎn)生；能夠利用蒙特卡洛方法計算定積分。[主要內(nèi)容]：1、蒙特卡羅方法(M-C方法)應(yīng)用概述2、贗隨機(jī)數(shù)的產(chǎn)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(nèi)實驗無六、課程學(xué)時分配教學(xué)課次教學(xué)內(nèi)容教學(xué)環(huán)節(jié)與計劃時數(shù)教學(xué)環(huán)節(jié)計劃時數(shù)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(shù)據(jù)的統(tǒng)計處理理論課43第三部分實驗數(shù)據(jù)的插值理論課4４第四部分實驗數(shù)據(jù)的擬合理論課45第五部分線性代數(shù)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(jī)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(xué)習(xí)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(jìn)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(nèi)容及要求本課程為考試課?？己藘?nèi)容及分值分配如下?？己朔绞娇己藘?nèi)容分值課程目標(biāo)總分值期末考試70%計算物理軟件的簡單操作20～35目標(biāo)1、2100分?jǐn)?shù)值微分、數(shù)值積分、數(shù)據(jù)插值、曲線擬合40～65目標(biāo)3求解常微分方程25～15目標(biāo)4蒙特卡洛思想求解積分10～15目標(biāo)5過程考核30%課堂表現(xiàn)課堂測試、出勤情況15目標(biāo)1-515分課后作業(yè)作業(yè)完成情況15目標(biāo)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(xué)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(xué)期布置作業(yè)5次，每次作業(yè)占3分，評分標(biāo)準(zhǔn)如下；評分標(biāo)準(zhǔn)分值標(biāo)準(zhǔn)描述課后作業(yè)3能夠按時認(rèn)真完成作業(yè)、作業(yè)態(tài)度認(rèn)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(rèn)真、抄襲他人作業(yè)4.期末考試采用閉卷考試形式進(jìn)行，期末成績?yōu)榘俜种?，計入總成績時乘以70%，由教務(wù)處安排考試流程，考試內(nèi)容須覆蓋支撐全部畢業(yè)要求指標(biāo)的授課內(nèi)容，考試完成后在綜合教務(wù)系統(tǒng)中按照設(shè)定的占比系數(shù)錄入成績。八、課程評價與持續(xù)改進(jìn)8.1課程評價課程評價周期定為每1年評價一次。設(shè)置達(dá)成情況目標(biāo)值，采用成績分析法進(jìn)行評價。課程達(dá)成評價根據(jù)光電信息科學(xué)與工程專業(yè)、應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)課程達(dá)成評價方法進(jìn)行計算，評價結(jié)果用于持續(xù)改進(jìn)。光電系、物理系負(fù)責(zé)人組織教師實施課程評價，制定持續(xù)改進(jìn)措施，監(jiān)督持續(xù)改進(jìn)過程。課程負(fù)責(zé)人負(fù)責(zé)撰寫課程考核總結(jié)報告，實施課程評價持續(xù)改進(jìn)。8.2持續(xù)改進(jìn)1）日常教學(xué)：根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)情況，教師采取座談會、與學(xué)生單獨交流，及時調(diào)整教學(xué)方法、進(jìn)度，做出教學(xué)改進(jìn)。2）課堂質(zhì)疑或短時間交流討論：對課堂質(zhì)疑或討論的效果進(jìn)行分析，提出課程持續(xù)改進(jìn)意