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利用基于Maple的模拟实验促进理论物理教学改革 摘要:对抽象物理图景的理解成为理论物理学习的“瓶颈”,而当今先进的科学计算软件可以实现对抽象物理图像的可视化,本文结合济宁学院理论物理教学改革的阅历,探讨了以Maple软件为平台促进理论物理教学可视化的改革措施。 关键词:Maple软件;理论物理;教学改革 随着现代科学技术的发展,市场上涌现了一批高性能的科学计算软件,如Matlab、Mathematica、MathCAD、Maple等。于是把计算软件应用于物理教学成为当今的一个重要教改课题,这方面的文献见1-7。我们以现代教化理念为指导,贯彻“学为主体”的原则,围绕学问,素养、实力、精神综合培育为目的,对济宁学院物理与信息工程系物理学专业的理论物理课程教学进行了全方位的改革和建设,促进了理论物理课程内容的现代化,形成了以Maple的虚拟试验为基础,以发展学生科学素养、培育学生实践实力为特色的理论物理教学新体系。本教改课题的创新点在于选取Maple软件为平台,目标集中在理论物理教学方面。 一、改革思路 理论物理学(尤其是量子力学)中的一些概念与常理相悖,令人感到晦涩难懂,其中的一些符号计算、数学推导也极为繁琐,再加上课堂教学始终沿袭传统的口授笔演、解析推导的教学方式,使得对抽象物理图景的理解成为理论物理学习的“瓶颈”,令学生对理论物理课程的学习产生畏惧心理。形象生动的理论物理教学对完善和拓展学生的物理专业学问、激发物理学习爱好、培育思维水平和创新实力至关重要。Maple是目前最好的符号计算语言,并且简洁易学。它具有强大的绘图功能,包括一维、二维、三维图像的绘制,动画制作和各种好用的绘图程序包等8。把Maple的图形可视化功能引入理论物理的课堂教学既可以强化课程的教学效果,使理论物理教学变的直观、简便,促进学生对抽象学问的理解与驾驭,又可以使学生在思维方法,试验技能和科学计算上受到初步而系统的训练,在潜移默化中培育学生的科学素养、人文素养和创新意识,既为他们后继学习打下一个深厚的基础,又为今后参与科学探讨和技术应用奠定了扎实的基础。 我们将理论物理课程分为必修课和选修课两部分,主要围绕以下两个中心,对理论物理课程进行了全方位的改革和建设: 1.修订课程大纲,加强以驾驭学问基础、各专业必修的理论物理课程建设。在教学实践中,立足构建一个适合物理学和光信息科学与技术专业,既有现代气息又有利于学生学问获得和技能培育的课程模式,以课程现代化为目标,进行教学内容、方法、模式、手段和教材的综合配套改革与建设。 2.以Maple虚拟试验为基础,立足于理论学问传输、实践实力和创新实力培育,改革传统的理论物理教学体系,拓展理论物理教学内涵,丰富理论物理课程体系。 二、成果的创新点 1.克服了长期以来理论物理课的一大痹症教学可视化的困难。该成果使理论课的教学变的直观、生动、易于理解,调动了学生的学习主动性和学习爱好,大大加强了教学效果。与其它类似课题相比,不局限于对某一门理论课程的探讨。 2.增加了理论物理课程的实践环节,摆脱了以往理论课程没有实践环节的现状。理论物理虚拟试验使满目困难符号和抽象概念的理论课程变的看得见、“摸”得着,加深了学生对理论物理重要性的相识,培育了他们的科学素养。 3.选择科学计算软件Maple为平台,独创性明显。在现有的探讨中运用Maple软件作平台的较少。一般选择的是Matlab软件,但实践证明,Maple在工程物理的教学中比较好用。就理论物理而言,Maple更胜一筹。其特点在于上手简单、编程简洁、程序占空间少、对硬件要求低等。 三、详细成果简介 近年来,物理教化界普遍认为,为了激发学习热忱,适应科技发展,培育创新精神,必需进行理论物理课程现代化改革。依据这一发展趋势,我们的课程现代化改革和建设主要定位在:与本科教学相适应的理论物理基本学问和方法,反映专业前沿,具有物理学特色。 1.利用Maple实现理论物理教学内容的可视化 利用Maple软件,我们对电动力学、统计物理学、数学物理方法和理论力学等课程中的一些教学重点和难点(如三维图形的绘制、数学物理方程的求解)进行了可视化处理,并初步建立了基于Maple软件的理论物理课程可视化资源库。 在理论物理教学过程中,我们始终致力于实现理论物理教学手段的现代化。目前理论力学、统计物理学、量子力学等课程拥有自己开发的电子教案,构建了多媒体和传统板书相结合的综合型教学模式。并在网络课程中开设了“数字模拟”专栏,用于展示部分可视化结果,形成了刚好完善和更新教学信息的互动教学平台,对于课堂教学质量的提高起到了良好的促进作用。目前,我们的理论物理课堂教学以板书教授为主线,协作CAI课件和Maple可视化资源,采纳启发式、引导式、探究式等教学方法,力求达到最佳的教学效果。 2.建立基于Maple的理论物理虚拟试验室,构建实践教学新体系 物理试验是学习和驾驭物理基本理论和方法的重要手段,可以培育学生运用近代物理的基本原理、基本方法的实力。鉴于理论物理学问的抽象性以及相关试验资源的匮乏,我们建立了基于Maple的理论物理虚拟试验室。 理论物理虚拟试验室的工作进展状况包括:(1)采纳计算软件Maple制作虚拟试验,让学生在机器上进行模拟视察,帮助理解理论概念,验证理论结果。(2)将现有的试验用计算软件Maple制作成虚拟试验,让学生先通过校内网络预习试验的原理和操作,对试验结果有所预知和分析,然后再到相关试验室实际操作,这样既调动了学生自主学习的主动性,又提高了学生分析问题和解决实力,还有利于试验室的真正开放和资源共享。(3)依托理论物理虚拟试验室,通过设立课题性和开放性试验,对学生进行基本的科学探讨方法和实践训练。在各门理论物理课程结束时,学生依据学习的物理内容,通过各种电脑软件制作的课件,各具特性,精彩纷呈,表现出真正体验了学习物理的乐趣。 3.基于Maple的理论物理课程群的建设 结合物理学人才培育方案的修订,我们将理论物理课程设置为必修课和选修课两个模块,必修课包括:量子力学、理论力学、热力学统计物理、电动力学和数学物理方法,选修课包括量子力学、计算物理、科技论文写作。各门课程充分利用Maple可视化资源,并进行接着开发。 参考文献: 1 彭芳麟,管靖,胡静,卢圣志. 理论力学计算机模拟M. 北京:清华高校出版社,2002. 2 李银山 Maple理论力学M. 北京:机械工业出版社,2022. 3 彭芳麟. 数学物理方程的MATLAB解法与可视化M. 北京:清华高校出版社, 2004. 4 郭冰莹,吴敏健. 用Maple计算机代数系统实行电动力学教学改革的一个尝试J. 高校物理,11019(3):30-33. 5 邵斌, 贺黎明基于MATLAB平台的量子力学三维图形设计及动画生成工具J. 高校物理,2022(11):55-58. 6 欧海峰; 琚新刚. 密立根油滴条件的Mathematica图示J. 高校物理试验,2004(4):66-69. 7 邓立新. MATHCAD在机械振动教学中的两个示例J. 物理通报,11019(6):26-28. 8 刘来福, 何青, 彭芳麟. 用Maple和MATLAB解决科学计算问题(第三版)M. 北京:高等教化出版社,11019. 第6页 共6页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页