計(jì)算機(jī)技術(shù)在大學(xué)物理教學(xué)中應(yīng)用

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摘要：伴隨著計(jì)算機(jī)時代的到來，計(jì)算機(jī)技術(shù)對大學(xué)物理的教學(xué)產(chǎn)生了深刻的影響。傳統(tǒng)的大學(xué)物理教學(xué)采用板書的形式，目前幾乎都過渡到了以PPT等電子課件為主來進(jìn)行課堂授課的形式。除此之外，在一些高校中，有些教師在大學(xué)物理的授課中通過使用計(jì)算機(jī)工具編程來輔助大學(xué)物理的教學(xué)，將計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于大學(xué)物理教學(xué)中除了能使學(xué)生更直觀地認(rèn)識物理現(xiàn)象以外，更能夠訓(xùn)練學(xué)生分析問題、建立模型和數(shù)值計(jì)算的能力，為學(xué)生在將來的職業(yè)生涯中進(jìn)行科學(xué)研究或者工程實(shí)踐打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。計(jì)算機(jī)技術(shù)改變了傳統(tǒng)的教學(xué)方法和思路，能夠把抽象的物理概念和知識變得直觀、生動和有趣，進(jìn)而達(dá)到最佳的教學(xué)效果。在大學(xué)物理課程的教學(xué)過程中引入計(jì)算機(jī)技術(shù)，既豐富和深化了計(jì)算機(jī)輔助大學(xué)物理教學(xué)的內(nèi)涵，又順應(yīng)了信息化技術(shù)和物理教學(xué)相結(jié)合的時代要求。本文對此進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)技術(shù)；大學(xué)物理；教學(xué)探索

大學(xué)物理作為高等學(xué)校眾多理工科專業(yè)的公共基礎(chǔ)課程，不僅對后續(xù)的專業(yè)課程的學(xué)習(xí)打下了重要的基礎(chǔ)，同時對培養(yǎng)大學(xué)生的科學(xué)思維、科學(xué)方法和科學(xué)素養(yǎng)起著非常重要的作用。但是，嚴(yán)格來說目前大多數(shù)高校的大學(xué)物理課程在教學(xué)方法、教學(xué)工具和教學(xué)手段上還是比較落后的。由于在大學(xué)物理的教學(xué)中存在著教學(xué)方法和教學(xué)手段上的弊端，因此幾乎不能全面地發(fā)揮其挖掘?qū)W生學(xué)習(xí)潛能、大幅提升學(xué)生創(chuàng)新思維和科學(xué)素養(yǎng)的作用。目前在大學(xué)物理的教學(xué)中，基本從板書過渡到了以PPT為主的電子課件。但是仍然是填鴨式地向?qū)W生單向灌輸物理知識，學(xué)生的自主參與性不足。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)工具的普及，在大學(xué)物理的教學(xué)中引導(dǎo)大學(xué)生獨(dú)立使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行模型構(gòu)建、數(shù)值計(jì)算是計(jì)算機(jī)輔助大學(xué)物理教學(xué)的重要的突破和嘗試，同時也是計(jì)算機(jī)與大學(xué)物理教學(xué)相結(jié)合的時代產(chǎn)物。順應(yīng)這一潮流和趨勢對高校大學(xué)物理教師來說是一件很緊迫的事情。本文首先討論當(dāng)前大學(xué)物理教學(xué)存在的問題，引出應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)改造大學(xué)物理教學(xué)的緊迫性和重要性。之后簡要介紹計(jì)算機(jī)技術(shù)在大學(xué)物理教學(xué)中的歷史和現(xiàn)狀。然后對計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于大學(xué)物理教學(xué)的實(shí)踐進(jìn)行簡要介紹。最后進(jìn)行總結(jié)。

1大學(xué)物理教學(xué)存在的問題以及應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)的必要性

大學(xué)物理課程涵蓋的內(nèi)容較多，包括質(zhì)點(diǎn)力學(xué)、剛體力學(xué)、振動和波、氣體動理論和熱力學(xué)、電磁學(xué)、幾何光學(xué)和波動光學(xué)、狹義相對論和量子物理基礎(chǔ)。授課的內(nèi)容多、涵蓋的范圍廣，同時課時又比較少，因而需要在短時間內(nèi)向?qū)W生灌輸大量知識。站在學(xué)生的視角來看，大學(xué)物理課程的概念和定理既多又雜，公式抽象復(fù)雜，難度大，內(nèi)容涵蓋力熱聲光電，內(nèi)容比較多。因此大學(xué)物理課程在大多數(shù)學(xué)生眼中是一門比較難的課程。另外大學(xué)物理的公式用微積分的語言來書寫，很多學(xué)生微積分都沒學(xué)會，因此對于大學(xué)物理這一門課程會有一種的排斥心理。目前在大多數(shù)高校，大學(xué)物理的教學(xué)仍然采用單向教學(xué)模式。老師在規(guī)定的時間、規(guī)定的教室向?qū)W生講授規(guī)定的內(nèi)容，學(xué)生在固定的座位上聽老師的講解。和過去唯一不一樣的地方在于授課從板書過渡到了電子課件。教師在授課過程中播放電子課件同時伴隨語言講解，偶爾會在板書上書寫一些內(nèi)容。課后教師有時候會布置一寫作業(yè)，要求學(xué)生在規(guī)定的時間提交作業(yè)。伴隨著智能機(jī)的發(fā)展，一些手機(jī)APP在教學(xué)中得到了應(yīng)用。但是只是把授課方式從線下轉(zhuǎn)移到了線上，紙質(zhì)作業(yè)變成了線上作業(yè)。在整個授課過程中，學(xué)生仍然是被動的單向參與者。由于是被動學(xué)習(xí)，所以學(xué)生的積極性實(shí)際上并不高。在大多數(shù)高校的大學(xué)物理教學(xué)環(huán)節(jié)中，雖然也使用了計(jì)算機(jī)技術(shù)，但是僅限于教學(xué)媒介從板書轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮诱n件，點(diǎn)名、作業(yè)、提問、互動從線下變成了線上。整個教學(xué)環(huán)節(jié)仍然是以教師為中心，單向的從老師指向?qū)W生。學(xué)生仍然是被動地接受知識。教師講解概念、定理、公式，布置作業(yè)，講解作業(yè)。學(xué)生學(xué)習(xí)大學(xué)物理的效果實(shí)際上并不是太理想。目前市面上的大多數(shù)大學(xué)物理教材是以應(yīng)試教育的視角來編排內(nèi)容，羅列一系列概念、定理和公式，對物理現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)觀測的討論較少，也很少側(cè)重于構(gòu)建物理模型以及模型理論預(yù)測和物理現(xiàn)象結(jié)果的對比驗(yàn)證過程，另外課后習(xí)題大多是一些具有解析解的理想問題。長期以來大學(xué)物理教學(xué)過于注重概念、定理以及學(xué)生做練習(xí)題的訓(xùn)練。在講解概念、定理之后再進(jìn)行大量的習(xí)題訓(xùn)練，所研究的課堂和課后問題基本全是能用解析方法求解的理想情況下的經(jīng)典例子。學(xué)生并不了解科學(xué)知識的生產(chǎn)過程。從物理現(xiàn)象怎么設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)，從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)怎么提取信息構(gòu)建理論模型，構(gòu)建好的理論模型和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)怎么進(jìn)行對比驗(yàn)證，物理知識怎么應(yīng)用于工程技術(shù)中，學(xué)生缺乏在這些方面的訓(xùn)練。學(xué)生所學(xué)會的知識、技巧大多針對一些有解析的經(jīng)典理想的物理問題，這難以適應(yīng)當(dāng)今科技時代對具有創(chuàng)新能力的理工科人才的需要。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和仿真模擬有可能解決目前大學(xué)物理教學(xué)中存在的問題以及改變目前大學(xué)物理教學(xué)的現(xiàn)狀。將數(shù)值計(jì)算技術(shù)應(yīng)用于大學(xué)物理教學(xué)當(dāng)中，在大學(xué)物理教學(xué)中深化實(shí)踐教學(xué)改革，發(fā)揮計(jì)算機(jī)的計(jì)算功能，將有助于學(xué)生創(chuàng)新思維和科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)。學(xué)生可以主動地參與科學(xué)知識的構(gòu)建過程，對于物理問題、構(gòu)建模型，進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。提前參與和適應(yīng)科學(xué)研究和工程應(yīng)用的流程。

2計(jì)算機(jī)技術(shù)在大學(xué)物理教學(xué)應(yīng)用的歷史

伴隨著信息技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，計(jì)算機(jī)技術(shù)在教育教學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用實(shí)際上已經(jīng)有很多年的歷史了。自從20世紀(jì)60年代開始，一些發(fā)達(dá)國家的比較出名的大學(xué)和計(jì)算機(jī)公司就開展了計(jì)算機(jī)輔助教育教學(xué)的技術(shù)研究和產(chǎn)品開發(fā)工作。在20世紀(jì)70年代的后期，由于個人小型計(jì)算機(jī)工具的發(fā)明、生產(chǎn)和快速的普及，計(jì)算機(jī)技術(shù)在教育教學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)入了快速發(fā)展的全新階段。在1993年12月，國家教委高教司明確地指出我們要大力推動和開展計(jì)算機(jī)輔助教育教學(xué)并首先成立了“全國高等學(xué)校工科計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)和試題庫協(xié)作組”，從此開始我國高等院校計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)進(jìn)入了一個全新的階段。在這一階段，數(shù)值計(jì)算與計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)也開始逐漸應(yīng)用到一些著名大學(xué)的大學(xué)物理的教育教學(xué)中［1］。將計(jì)算機(jī)工具和數(shù)值計(jì)算技術(shù)應(yīng)用于大學(xué)物理的教學(xué)當(dāng)中，充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)工具的科學(xué)計(jì)算功能，將有助于學(xué)生對于科學(xué)問題進(jìn)行獨(dú)立自主探究式學(xué)習(xí)，從而為大學(xué)物理的教育教學(xué)內(nèi)容的改革實(shí)踐奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)［2］。同時，也將會給學(xué)生提供一種體驗(yàn)知識從無到有的整個創(chuàng)造過程，進(jìn)而提升學(xué)生解決現(xiàn)實(shí)問題的能力。從這個意義上說，在大學(xué)物理的課程中進(jìn)行數(shù)值計(jì)算的訓(xùn)練實(shí)際上是計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)的一次進(jìn)步。開展數(shù)值計(jì)算和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)輔助大學(xué)物理的教學(xué)，實(shí)際上不僅是為了促進(jìn)大學(xué)生對大學(xué)物理知識更好的理解，更多的是希望能通過數(shù)值計(jì)算來培養(yǎng)學(xué)生分析現(xiàn)實(shí)問題、解決現(xiàn)實(shí)問題的能力，提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)與創(chuàng)新能力［3］。經(jīng)過10多年的實(shí)踐與發(fā)展，計(jì)算機(jī)模擬在大學(xué)物理教學(xué)中開始轉(zhuǎn)向了剖析物理過程和探索物理規(guī)律的本質(zhì)；開發(fā)的工具也不再限于C、Fortran等面向過程的程序語言，更多的是利用面向?qū)ο蟮某绦蛘Z言或數(shù)學(xué)軟件［4］。計(jì)算機(jī)模擬對大學(xué)物理的教學(xué)方法和教學(xué)內(nèi)容產(chǎn)生了重要的影響，“電子教案＋計(jì)算機(jī)模擬”［5］日益成為大學(xué)物理一種常見的教學(xué)模式［6］。目前在大學(xué)物理的教學(xué)實(shí)踐［7］中，數(shù)值計(jì)算和模擬程序主要運(yùn)行在Matlab軟件［8］上。

3應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行物理教學(xué)的簡單介紹

大學(xué)物理課程的內(nèi)容實(shí)際上是比較多的，包括質(zhì)點(diǎn)力學(xué)、剛體力學(xué)、振動和波、氣體動理論和熱力學(xué)、電磁學(xué)、幾何光學(xué)和波動光學(xué)、狹義相對論和量子物理基礎(chǔ)等知識模塊。由于授課的內(nèi)容較大多、涵蓋的范圍較廣，同時課時又比較少，因此為了更好的教學(xué)效果，實(shí)際上在具體的授課過程中需要對具體的知識模塊進(jìn)行必要的取舍。針對不同的理工科專業(yè)，可以對授課內(nèi)容進(jìn)行針對性的設(shè)計(jì)。例如像機(jī)器人這類專業(yè)可以側(cè)重于力學(xué)和電磁學(xué)的內(nèi)容。對于機(jī)械工程這類專業(yè)可以側(cè)重于力學(xué)和熱力學(xué)。在具體的應(yīng)用數(shù)值計(jì)算技術(shù)優(yōu)化大學(xué)物理的教學(xué)中，學(xué)生將會從分析現(xiàn)象開始，進(jìn)而建立模型，選定算法進(jìn)行編程計(jì)算，最后畫圖分析結(jié)果。對教師來說，實(shí)際上教師要做大量的工作。教師在授課過程中要引導(dǎo)學(xué)生把計(jì)算機(jī)作為一種重要的學(xué)習(xí)工具，讓學(xué)生在自主探索式學(xué)習(xí)過程中充分利用計(jì)算機(jī)工具來解決大學(xué)物理中的復(fù)雜物理問題。具體做法分為以下步驟：

3．1選定大學(xué)物理的具體物理現(xiàn)象

學(xué)生每次經(jīng)歷完整的觀察現(xiàn)象、建立模型、選定算法編程計(jì)算到最后分析結(jié)果，實(shí)際上會花費(fèi)大量的時間，因此在選題上要嚴(yán)把關(guān)，選擇一些具有現(xiàn)實(shí)意義的高質(zhì)量的題目，便于學(xué)生通過一次訓(xùn)練，能夠完整地掌握科學(xué)研究的方法。選題是非常重要的事情，所以應(yīng)該非常慎重。在選題的時候，要選擇學(xué)生自己可以觀察測量到的一些現(xiàn)象，讓學(xué)生通過自己的觀察測量來建立模型，對模型進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比。我們可以對學(xué)生分組，每一小組協(xié)同合作，從測量數(shù)據(jù)，到構(gòu)建模型，到編程計(jì)算，最后分析結(jié)果。例如我們在學(xué)習(xí)質(zhì)點(diǎn)力學(xué)的時候，讓學(xué)生自己探究自由落體運(yùn)動。學(xué)生可以通過自己的手機(jī)秒表測時間，尺子測距離，探究身邊的物體的自由落體運(yùn)動。在實(shí)驗(yàn)的角度上學(xué)生觀察自由落體運(yùn)動現(xiàn)象，然后需要測量物體自由落體的相關(guān)數(shù)據(jù)。之后構(gòu)建模型，進(jìn)行計(jì)算和分析結(jié)果。我們在學(xué)習(xí)剛體轉(zhuǎn)動的時候，以學(xué)生常見的電風(fēng)扇轉(zhuǎn)動為例子，讓學(xué)生探究電風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動現(xiàn)象。

3．2深入分析選定的物理現(xiàn)象

對于選定的物理現(xiàn)象，需要進(jìn)行仔細(xì)的分析。通過分析和查資料，進(jìn)行建立模型的過程。所謂建立模型，實(shí)際上就是找到能夠描述這一現(xiàn)象的公式。找到對應(yīng)的物理公式之后，實(shí)際上我們就可以進(jìn)行計(jì)算。對于能進(jìn)行解析計(jì)算的問題，我們直接進(jìn)行解析計(jì)算，對于無法進(jìn)行解析計(jì)算的問題，實(shí)際上需要我們進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。例如對于自由落體運(yùn)動，我們需要進(jìn)行深入分析，對于空氣中的自由落體運(yùn)動，需要考慮到空氣阻力的影響。對于空氣阻力，實(shí)際上我們需要一個空氣阻力的公式，這時候我們可以查找一些資料，找到空氣阻力的經(jīng)驗(yàn)公式。然后我們考慮重力和空氣阻力，應(yīng)用牛頓第二定律可以得到一個非線性偏微分方程。對于這一方程求解，實(shí)際上我們就可以得到下降距離和時間的公式。

3．3編寫程序，數(shù)值計(jì)算

根據(jù)上一步的分析，我們得到的相關(guān)的方程或者公式。然后我們進(jìn)行編程計(jì)算。數(shù)值計(jì)算和模擬程序一般運(yùn)行在MATLAB軟件上，但是一方面正版MATLAB軟件較貴，另一方面MATLAB軟件有隨時斷供的風(fēng)險(xiǎn)。因此用其他語言進(jìn)行數(shù)值計(jì)算更合適。Python作為一種免費(fèi)、易學(xué)易用的高級程序設(shè)計(jì)語言，而且具有大量的第三方庫，非常適合用來做科學(xué)計(jì)算、數(shù)值模擬等工作。由于其學(xué)習(xí)成本極低，所以它也非常適合大學(xué)物理教學(xué)以及本科生使用。因此我們使用Python語言來進(jìn)行數(shù)值計(jì)算以及開發(fā)適合大學(xué)物理教學(xué)的模擬程序。

3．4分析討論

通過上一步的編程，我們可以對相關(guān)的物理量進(jìn)行計(jì)算，得到計(jì)算結(jié)果之后，我們對結(jié)果畫出直觀的圖形。把理論結(jié)果和實(shí)際測量到的結(jié)果畫在同一張圖形中進(jìn)行對比，然后讓學(xué)生分析結(jié)果。學(xué)生經(jīng)過這樣一系列的從觀察測量現(xiàn)象、構(gòu)建模型、數(shù)值計(jì)算和分析結(jié)果的完整流程，實(shí)際上相當(dāng)于提前訓(xùn)練和熟悉了真實(shí)的科研過程。結(jié)語隨著計(jì)算機(jī)時代的到來，計(jì)算機(jī)技術(shù)對大學(xué)物理的教學(xué)產(chǎn)生了深刻影響。將計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于大學(xué)物理教學(xué)中能使學(xué)生更直觀地認(rèn)識物理現(xiàn)象，提高學(xué)生解決現(xiàn)實(shí)問題的能力，為學(xué)生將來進(jìn)行科學(xué)研究和工程實(shí)踐打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。計(jì)算機(jī)技術(shù)改變了傳統(tǒng)的教學(xué)方法和思路，能夠把抽象的物理概念和知識變得直觀、生動和有趣，進(jìn)而達(dá)到最佳的教學(xué)效果。在大學(xué)物理課程的教學(xué)過程中引入計(jì)算機(jī)技術(shù)，既豐富和深化了計(jì)算機(jī)輔助大學(xué)物理教學(xué)的內(nèi)涵，又順應(yīng)了信息化技術(shù)和物理教學(xué)相結(jié)合的時代要求。我們首先討論了當(dāng)前大學(xué)物理教學(xué)存在的問題，引出應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)改造大學(xué)物理教學(xué)的緊迫性和重要性。之后簡要介紹計(jì)算機(jī)技術(shù)輔助大學(xué)物理教學(xué)的歷史和現(xiàn)狀。然后對計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于大學(xué)物理教學(xué)的實(shí)踐進(jìn)行了簡要介紹。

作者:郭小飛 趙治杰 常萬玲 單位:河南牧業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)院