建构新型计算物理学课程教学与实践方法.docx

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1、建构新型计算物理学课程教学与实践方法摘要：计算物理近学应该结合自身特点使本科生系统地掌握物理模型和数学模型的建立方法和数值计算方法的选取原则，并使学生获得分析处理一些物理问题的基本方法和解决问题的能力，提高逻辑推理和抽象思维能力，并最终能独自解决实际物理问题。本文结合商丘师范学院实际教学情况，根据本人多年教学经验，提出计算物理学新型教学模式与实践方法，在具体的教学过程中采用知识点的模型化，使学生学会使用课程中的数学物理知识应用到具体的物理问题处理中，同时在课堂教学中开发学生思维空间，培养学生创新意识。关键词：计算物理学；课堂改革；教学实践在当代，计算物理学被定义为“是利用电子计算机进行数据采集

2、、数值计算和数字仿真来发现和研究物理现象与规律的一门现代交叉学科”。当前，理论物理、实验物理和计算物理已成为物理学的三大分支。计算物理学以计算机为工具，采用各种数学原理和方法解决实际物理问题，它同时需要物理、数学、计算机三方面的知识，是三者结合的产物。计算物理学已为物理学家揭示多层次、复杂体系的物理规律提供了重要手段，广泛应用于实验结果的处理和物理现象解释上面。当前，科学计算已成为新的科研手段，充分采用数学手段，利用和发掘计算机提供的巨大计算潜能是物理学家不可缺少的能力。一、计算物理的课程设置在我国许多高校物理类专业的课程中，长期以来只有理论课和实验课，缺少计算物理课，致使我国的计算物理教学相

3、对滞后。为此，商丘师范学院物理与电气信息学院为应用物理学专业本科阶段的学生开设了计算物理课程作为基础课之一。同时，国外一些名校普遍开设了计算物理课程。二、计算物理教学过程中存在的问题计算物理借助于计算机来做计算与研究，它涉及建立模型，选择计算方法，用语言编程以及结果分析。这个系统过程缺一不可，只有掌握了这四个方面的技能，才能独立地完成任务。然而，传统的教学模式或多或少地存在一些问题，导致这个任务很难有效地完成。首先，计算物理学课程内容多而教学时数少，在有限的学时内，学生很难深刻地了解和认识计算物理方面基本方法和基本原理；其次，传统的计算物理学教学过多地强调教师讲授，忽视了学生实践；最后，传统的

4、计算物理学教学过分重视讲解处理方法和原理，导致过多繁杂的数学推导，易使学生产生厌学情绪，很难收到良好的教学效果。笔者以自己所带学生为例来说明这一问题，我校的应用物理学专业本科生在大三上学期开设了计算物理课，教材采用由彭芳麟教授编写的计算物理基础。课程的学时共有54个学时，在具体的教学中我们发现学生存在以下问题：对学生使用计算物理课程中所学的数学物理方法来分析研究实际物理问题的能力培养不够，不少学生直到毕业也不能完成其在学士学位论文中最为常用的实验数据处理，同时一些实验的数据的简单作图也难以完成。这在笔者每年所带的本科毕业论文中深有体会。学生对于在物理问题中出现的数学问题的处理能力及其欠缺，一些

5、简单的数学运算还不能在计算机上完成操作，而当前一些非常流行的数学处理软件如MAPLE，MATLAB，MATHMATICA功能非常强大且简单易学，还有部分学生甚至没有听说过。一些教材中在计算物理的理论部分一直保持纯理论的数学分析，学生只能通过逻辑分析理解计算，而缺乏更形象具体的手段来描述物理过程，使得不少学生丧失了学习计算物理的兴趣。当前，在大学生计算机语言的教学中，主要以编程为主，难度较大，导致大多数本科生在学习之后还不能真正应用。并且大部分物理类专业的计算机语言的课程安排在大学四年级，学生掌握的计算机语言知识在本科生低年级阶段的物理学习中基本用不上。三、计算物理课程的手段与方式笔者有针对性地

6、在教学过程中根据学生的具体情况进行了教学方面不同于以往教学方式的尝试，同时对在教学实践方面也进行了。具体实施方案如下：1.明确教学目的，突出教学主线。学习计算物理学的目的，主要是使学生系统地掌握数学模型和物理模型的建立方法，获得采用计算物理手段分析处理物理问题的基本方法，为独立解决科学研究中的实际问题打下必要的数学、物理基础。因此，教学的选题，要有物理学特色，其中最常用的是物理计算方法，教学方式、方法应尽量满足物理类专业学生的需求。在教学过程中，穿插科研和物理课程实例，以阐明计算物理方法的应用。2.创新教学手段，丰富教学内容。传统的教学手段往往是以讲授为主，学生在课堂中掌握知识，而计算物理学要

7、求学生在学习基本理论的基础上能够具备处理物理问题的能力，而传统的授课方式无法实现这种能力的培养。为了培养学生利用计算机解决物理问题的能力，根据学院的实际情况，在教学环节上利用MATLAB语言编写的教学演示程序和Origin绘图工具以及PPT演示文档，将抽象的数学知识直观地呈现在学生面前，激发学生的学习兴趣。同时，鉴于计算物理课程课时的限制，我们不希望在学习有关的计算方法或计算机知识上花费学生过多的精力，因此能否找到一个优秀的计算处理工具将是一个重要问题。我们选择的标准是简单易学而方便实用，保证三年级的物理专业本科生只需要花费较少的时间就可以基本掌握它的使用方法。在这个层面上我们选取了数学软件M

8、ATLAB作为我们的计算工具，并且刚好配合了我们选取的教材，实践证明效果不错。学生也在教学中基本上能使用数学软件MATLAB，也培养了学生的科学计算能力，使学生能够借助MATLAB用计算机处理简单的普通物理问题。计算物理学还具有一个非常重要的应用实验数据处理，这刚好迎合了物理专业学生在日常学习和实验中经常要处理各种各样大量的实验数据。在我们的计算物理教学中，我们还要求学生们将教学中讲到的内容具体应用到学生实验中，结果学生撰写的实验报告质量和计算物理教学效果均得以提高。在教学内容的选取上我们还将一些受实验条件、时间和空间的限制，无法在实验室中观察解决的内容搬到课堂中加以演示，例如在天体物理学、粒

9、子和核物理学、流体力学等领域遇到的物理问题。对于这类问题，当前流行的研究手段就是通过理论模型的建立，采用相关的数值计算在计算机上运行，从而了解系统的运动规律。这种计算机模拟实验的引入极大地丰富了教学内容。4.转变观念，增强创新精神。新时代的理念要求在教育过程中培养学生的创新精神和实践能力。针对此，在计算物理的教学中我们也有针对性地做了布置。从2022年开始，我们借助一些平台，让学生主持申报研究项目，提高学生的科研综合素质，培养了其创新精神和实践能力。在具体的工作过程中，有许多内容均与计算物理相关，并且要求学生用课堂中间的知识做了相当多的工作。其次，我们认为让学生参加教师的科研工作能让学生和教师达到“双赢”的效果，一方面对于学生开阔眼界、了解科研动态、培养科学素养均有好处，另一方面，一些相对简单的工作交由学生处理。四、结语在教学过程中，采用多种教学模式，尽量多介绍与该课程相关的前沿科技动态，有条件的话把学生也加入到教师的科研活动中，充分调动和发挥学生的主动性和创新性，培养学生创新能力，提高学生科学素养。