大学物理数值计算与模拟教学研究论文.doc

大学物理数值计算与模拟教学研究论文 1大学物理教学中融入数值计算与模拟技术的必要性 随着计算机技术的发展在大学物理教学中引入数值计算与模拟技术是计算机辅助大学物理教学的一种新形式不失为一种比较好的教学手段这种教学手段的优点在于:一方面它可以对物理问题进行数值计算求解使得许多没有解析解的物理问题通过计算机求数值解而得到解决1;另一方面它还可以对物理问题进行模拟仿真输出的仿真图像直观、清晰、形象、生动和既可以帮助教师节约板书绘图时间而且学生看过之后对物理知识的理解更加深刻这种仿真还可以随意更改仿真参数输出不同条件下的仿真图像帮助学生全面理解所学物理知识当前计算机数值计算和模拟技术已日益广泛地应用于设计规划、生产制造和科学研究等各个方面这就使得高校在校学生尤其是理工科专业学生需要具备一定的数值计算与模拟能力以便更好地适应社会的需求国内就有专家建议将数值计算与模拟能力写进理工科各专业培养计划中2以便引起高校对理工科本科生数值计算与模拟能力培养的重视在大学物理教学中教师可以指导学生对物理问题进行数值计算与模拟培养学生利用计算机解决实际物理问题的能力使学生在大学低年级就受到这方面的教育为学生在高年级专业课学习以及大四进行毕业设计打下良好数值计算与模拟基础教育部曾多次发文强调加强实践教学切实提高大学生的实践与创新能力学生的数值计算与模拟能力无疑是其中重要一环 2大学物理教学中融入数值计算与模拟技术的可行性 首先教学硬件上有保障高校一般都建设了一大批多媒体教室教室电脑里一般都安装了各种数值计算与模拟软件教师在大学物理教学中应用数值计算与模拟技术来辅助教学是没有问题的同时高校一般都建设了全校性的计算机中心理工科各专业还都建设了各自的电脑机房学生可以在全校计算机中心或专业机房里应用计算机对研究的问题进行数值计算与模拟此外很多学生在大学低年级就配备了电脑他们在宿舍里就可以运用计算机对相关问题进行数值计算与模拟其次教学软件上也有保障许多大学物理教师越来越意识到计算机辅助大学物理教学的重要性因此不断提高自己的计算机操作技能不断学习和掌握各种办公软件一般都熟练掌握了一、两门数值计算软件学生在上大学物理课前一般都学习了计算机基础这样的全校性基础课程具备了一定的计算机操作能力学习了一些常用的办公软件和数值计算软件 3大学物理教学中融入数值计算与模拟技术的实施途径探索 31选择比较复杂的物理问题进行数值求解 大学物理中有些问题是比较复杂的用简单的工具(如计算器)求解不仅耗时间而且不一定能解出来比如描绘麦克斯韦气体速率分布曲线其公式f(v)=4(m2kT)32v2emv22kT非常复杂用传统方法来描绘曲线一般先用计算器计算出各点的值(vf(v)然后在作图纸上描出各点最后将各点连成曲线由于计算量大花费的时间长并且因为所取的样点不多连成的曲线不光滑失真度高但是借助于计算机的数值计算这个问题就迎刃而解了笔者运用数值计算软件matalb3先编写求解该问题的程序程序中对自变量的步长取得很小这样获得的样点数就很多然后在计算机上运行程序最后计算机输出麦克斯韦气体速率分布曲线因为所取的样点数很多所以计算机生成的曲线非常光滑而且由于现在的计算机运算速度都比较快生成曲线的时间都很短此外公式中的参量、也会影响曲线的分布如果是用传统的方法又需要重新计算而采用计算机数值求解只需在程序中改变参量的值即可如图1所示 32对需要可视化的物理问题进行模拟仿真 大学物理中有些教学内容是需要可视化的比如波动光学问题一般教师在讲授光学内容时有的老师直接在黑板上画图费时又费力画出的图像很难表现出光的明暗变化有的老师借助于课件来展示但是课件里的光学图像一般都是普通的画图软件制作的跟的光学图像有很大距离但是借助于数值计算与模拟软件教师很容易对光学问题进行模拟仿真仿真出的图像清晰、逼真例如采用数值计算与模拟软件matlab笔者模拟了大学物理中的杨氏双缝干涉4如图2所示可以看出模拟的双缝干涉图像清晰、逼真同时还给出了光强分布曲线进行对照学生很容易从仿真图像理解双缝干涉的特点加深学生对双缝干涉知识的理解这是传统的教师板书和一般的计算机辅助教学所不可比拟的再例如光学中的透射光干涉实验上一般很难观察到5原因是参与干涉的两束透射光光强相差较大导致透射光干涉可见度小这样就导致学生理解透射光干涉特征困难为解决这个问题笔者模拟了牛顿环透射光干涉4如图3所示仿真图像清晰、逼真很容易看出透射光干涉条纹和反射光干涉条纹明暗互补有助于学生全面了解牛顿环干涉笔者模拟的牛顿环透射光干涉图片被教材大学物理学所选用6该教材由华中科技大学出版社出版面向全国发行 33选择一些简单物理问题供学生进行数值计算与模拟作为课后作业 学习大学物理给学生布置必要的作业是必不可少的传统的作业基本就是要求学生做书本上的习题这固然有助于学生理解和掌握物理学的基本概念、基本规律和基本方法但对培养学生运用计算机解决问题的能力没什么帮助为此笔者在教学实践中每学期都会布置几个简单的物理问题要求学生运用计算机来进行数值计算和模拟例如在讲完“真空中的静电场”这一章后笔者要求学生模拟真空中一对点电荷的电场分布及等势线分布学生通过数值计算与模拟软件不仅圆满完成了任务而且得到了锻炼图4就是学生模拟的一对点电荷的电场分布及等势线分布效果不错 34指导学生参加数值计算与模拟方面的科技创新 为了能更进一步锻炼培养学生的数值计算与模拟能力笔者一般会在所任教的班级中选择若干个学生组成若干个课外科技小组参加全校每年举行的大学生科技创新活动笔者要求这些科技小组以模拟物理问题作为课题研究方向这样的课题研究往往是综合性的需要学生全面理解和掌握数值计算与模拟技术笔者一般在课后对学生进行指导科技小组经过努力完成了这方面的科技创新有的科技小组带着科技作品参加科技创新答辩得到了评委的肯定并获奖图5、图6分别是笔者指导的届科技创新作品基于matlab的光学仿真平台主界面、届科技创新作品电磁学仿真平台的设计与实现主界面这两项作品分别获得全校科技创新大赛三等奖和二等奖 4结束语 大学物理教学中融入数值计算与模拟技术不仅表现在物理教师运用计算机对大学物理教学内容进行数值计算和模拟同时也表现在教师引导学生积极参与对