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计算机技术在大学物理教学中应用

摘要:伴随着计算机时代的到来,计算机技术对大学物理的教学产生了深刻的影响。传统的大学物理教学采用板书的形式,目前几乎都过渡到了以PPT等电子课件为主来进行课堂授课的形式。除此之外,在一些高校中,有些教师在大学物理的授课中通过使用计算机工具编程来辅助大学物理的教学,将计算机技术应用于大学物理教学中除了能使学生更直观地认识物理现象以外,更能够训练学生分析问题、建立模型和数值计算的能力,为学生在将来的职业生涯中进行科学研究或者工程实践打下坚实的基础。计算机技术改变了传统的教学方法和思路,能够把抽象的物理概念和知识变得直观、生动和有趣,进而达到最佳的教学效果。在大学物理课程的教学过程中引入计算机技术,既丰富和深化了计算机辅助大学物理教学的内涵,又顺应了信息化技术和物理教学相结合的时代要求。本文对此进行探讨。

关键词:计算机技术;大学物理;教学探索

大学物理作为高等学校众多理工科专业的公共基础课程,不仅对后续的专业课程的学习打下了重要的基础,同时对培养大学生的科学思维、科学方法和科学素养起着非常重要的作用。但是,严格来说目前大多数高校的大学物理课程在教学方法、教学工具和教学手段上还是比较落后的。由于在大学物理的教学中存在着教学方法和教学手段上的弊端,因此几乎不能全面地发挥其挖掘学生学习潜能、大幅提升学生创新思维和科学素养的作用。目前在大学物理的教学中,基本从板书过渡到了以PPT为主的电子课件。但是仍然是填鸭式地向学生单向灌输物理知识,学生的自主参与性不足。随着计算机技术的发展和计算机工具的普及,在大学物理的教学中引导大学生独立使用计算机进行模型构建、数值计算是计算机辅助大学物理教学的重要的突破和尝试,同时也是计算机与大学物理教学相结合的时代产物。顺应这一潮流和趋势对高校大学物理教师来说是一件很紧迫的事情。本文首先讨论当前大学物理教学存在的问题,引出应用计算机技术改造大学物理教学的紧迫性和重要性。之后简要介绍计算机技术在大学物理教学中的历史和现状。然后对计算机技术应用于大学物理教学的实践进行简要介绍。最后进行总结。

1大学物理教学存在的问题以及应用计算机技术的必要性

大学物理课程涵盖的内容较多,包括质点力学、刚体力学、振动和波、气体动理论和热力学、电磁学、几何光学和波动光学、狭义相对论和量子物理基础。授课的内容多、涵盖的范围广,同时课时又比较少,因而需要在短时间内向学生灌输大量知识。站在学生的视角来看,大学物理课程的概念和定理既多又杂,公式抽象复杂,难度大,内容涵盖力热声光电,内容比较多。因此大学物理课程在大多数学生眼中是一门比较难的课程。另外大学物理的公式用微积分的语言来书写,很多学生微积分都没学会,因此对于大学物理这一门课程会有一种的排斥心理。目前在大多数高校,大学物理的教学仍然采用单向教学模式。老师在规定的时间、规定的教室向学生讲授规定的内容,学生在固定的座位上听老师的讲解。和过去唯一不一样的地方在于授课从板书过渡到了电子课件。教师在授课过程中播放电子课件同时伴随语言讲解,偶尔会在板书上书写一些内容。课后教师有时候会布置一写作业,要求学生在规定的时间提交作业。伴随着智能机的发展,一些手机APP在教学中得到了应用。但是只是把授课方式从线下转移到了线上,纸质作业变成了线上作业。在整个授课过程中,学生仍然是被动的单向参与者。由于是被动学习,所以学生的积极性实际上并不高。在大多数高校的大学物理教学环节中,虽然也使用了计算机技术,但是仅限于教学媒介从板书转变为电子课件,点名、作业、提问、互动从线下变成了线上。整个教学环节仍然是以教师为中心,单向的从老师指向学生。学生仍然是被动地接受知识。教师讲解概念、定理、公式,布置作业,讲解作业。学生学习大学物理的效果实际上并不是太理想。目前市面上的大多数大学物理教材是以应试教育的视角来编排内容,罗列一系列概念、定理和公式,对物理现象和实验观测的讨论较少,也很少侧重于构建物理模型以及模型理论预测和物理现象结果的对比验证过程,另外课后习题大多是一些具有解析解的理想问题。长期以来大学物理教学过于注重概念、定理以及学生做练习题的训练。在讲解概念、定理之后再进行大量的习题训练,所研究的课堂和课后问题基本全是能用解析方法求解的理想情况下的经典例子。学生并不了解科学知识的生产过程。从物理现象怎么设计实验测量数据,从实验数据怎么提取信息构建理论模型,构建好的理论模型和实验数据怎么进行对比验证,物理知识怎么应用于工程技术中,学生缺乏在这些方面的训练。学生所学会的知识、技巧大多针对一些有解析的经典理想的物理问题,这难以适应当今科技时代对具有创新能力的理工科人才的需要。随着计算机技术的发展,应用计算机技术进行数值计算和仿真模拟有可能解决目前大学物理教学中存在的问题以及改变目前大学物理教学的现状。将数值计算技术应用于大学物理教学当中,在大学物理教学中深化实践教学改革,发挥计算机的计算功能,将有助于学生创新思维和科学素养的培养。学生可以主动地参与科学知识的构建过程,对于物理问题、构建模型,进行数值计算。提前参与和适应科学研究和工程应用的流程。

2计算机技术在大学物理教学应用的历史

伴随着信息技术的发展和进步,计算机技术在教育教学领域中的应用实际上已经有很多年的历史了。自从20世纪60年代开始,一些发达国家的比较出名的大学和计算机公司就开展了计算机辅助教育教学的技术研究和产品开发工作。在20世纪70年代的后期,由于个人小型计算机工具的发明、生产和快速的普及,计算机技术在教育教学领域的应用进入了快速发展的全新阶段。在1993年12月,国家教委高教司明确地指出我们要大力推动和开展计算机辅助教育教学并首先成立了“全国高等学校工科计算机辅助教学和试题库协作组”,从此开始我国高等院校计算机辅助教学进入了一个全新的阶段。在这一阶段,数值计算与计算机模拟仿真技术也开始逐渐应用到一些著名大学的大学物理的教育教学中[1]。将计算机工具和数值计算技术应用于大学物理的教学当中,充分发挥计算机工具的科学计算功能,将有助于学生对于科学问题进行独立自主探究式学习,从而为大学物理的教育教学内容的改革实践奠定坚实的基础[2]。同时,也将会给学生提供一种体验知识从无到有的整个创造过程,进而提升学生解决现实问题的能力。从这个意义上说,在大学物理的课程中进行数值计算的训练实际上是计算机辅助教学的一次进步。开展数值计算和计算机仿真技术辅助大学物理的教学,实际上不仅是为了促进大学生对大学物理知识更好的理解,更多的是希望能通过数值计算来培养学生分析现实问题、解决现实问题的能力,提高学生的科学素养与创新能力[3]。经过10多年的实践与发展,计算机模拟在大学物理教学中开始转向了剖析物理过程和探索物理规律的本质;开发的工具也不再限于C、Fortran等面向过程的程序语言,更多的是利用面向对象的程序语言或数学软件[4]。计算机模拟对大学物理的教学方法和教学内容产生了重要的影响,“电子教案+计算机模拟”[5]日益成为大学物理一种常见的教学模式[6]。目前在大学物理的教学实践[7]中,数值计算和模拟程序主要运行在Matlab软件[8]上。

3应用计算机技术进行物理教学的简单介绍

大学物理课程的内容实际上是比较多的,包括质点力学、刚体力学、振动和波、气体动理论和热力学、电磁学、几何光学和波动光学、狭义相对论和量子物理基础等知识模块。由于授课的内容较大多、涵盖的范围较广,同时课时又比较少,因此为了更好的教学效果,实际上在具体的授课过程中需要对具体的知识模块进行必要的取舍。针对不同的理工科专业,可以对授课内容进行针对性的设计。例如像机器人这类专业可以侧重于力学和电磁学的内容。对于机械工程这类专业可以侧重于力学和热力学。在具体的应用数值计算技术优化大学物理的教学中,学生将会从分析现象开始,进而建立模型,选定算法进行编程计算,最后画图分析结果。对教师来说,实际上教师要做大量的工作。教师在授课过程中要引导学生把计算机作为一种重要的学习工具,让学生在自主探索式学习过程中充分利用计算机工具来解决大学物理中的复杂物理问题。具体做法分为以下步骤:

3.1选定大学物理的具体物理现象

学生每次经历完整的观察现象、建立模型、选定算法编程计算到最后分析结果,实际上会花费大量的时间,因此在选题上要严把关,选择一些具有现实意义的高质量的题目,便于学生通过一次训练,能够完整地掌握科学研究的方法。选题是非常重要的事情,所以应该非常慎重。在选题的时候,要选择学生自己可以观察测量到的一些现象,让学生通过自己的观察测量来建立模型,对模型进行计算,进而和实验结果对比。我们可以对学生分组,每一小组协同合作,从测量数据,到构建模型,到编程计算,最后分析结果。例如我们在学习质点力学的时候,让学生自己探究自由落体运动。学生可以通过自己的手机秒表测时间,尺子测距离,探究身边的物体的自由落体运动。在实验的角度上学生观察自由落体运动现象,然后需要测量物体自由落体的相关数据。之后构建模型,进行计算和分析结果。我们在学习刚体转动的时候,以学生常见的电风扇转动为例子,让学生探究电风扇的转动现象。

3.2深入分析选定的物理现象

对于选定的物理现象,需要进行仔细的分析。通过分析和查资料,进行建立模型的过程。所谓建立模型,实际上就是找到能够描述这一现象的公式。找到对应的物理公式之后,实际上我们就可以进行计算。对于能进行解析计算的问题,我们直接进行解析计算,对于无法进行解析计算的问题,实际上需要我们进行数值计算。例如对于自由落体运动,我们需要进行深入分析,对于空气中的自由落体运动,需要考虑到空气阻力的影响。对于空气阻力,实际上我们需要一个空气阻力的公式,这时候我们可以查找一些资料,找到空气阻力的经验公式。然后我们考虑重力和空气阻力,应用牛顿第二定律可以得到一个非线性偏微分方程。对于这一方程求解,实际上我们就可以得到下降距离和时间的公式。

3.3编写程序,数值计算

根据上一步的分析,我们得到的相关的方程或者公式。然后我们进行编程计算。数值计算和模拟程序一般运行在MATLAB软件上,但是一方面正版MATLAB软件较贵,另一方面MATLAB软件有随时断供的风险。因此用其他语言进行数值计算更合适。Python作为一种免费、易学易用的高级程序设计语言,而且具有大量的第三方库,非常适合用来做科学计算、数值模拟等工作。由于其学习成本极低,所以它也非常适合大学物理教学以及本科生使用。因此我们使用Python语言来进行数值计算以及开发适合大学物理教学的模拟程序。

3.4分析讨论

通过上一步的编程,我们可以对相关的物理量进行计算,得到计算结果之后,我们对结果画出直观的图形。把理论结果和实际测量到的结果画在同一张图形中进行对比,然后让学生分析结果。学生经过这样一系列的从观察测量现象、构建模型、数值计算和分析结果的完整流程,实际上相当于提前训练和熟悉了真实的科研过程。结语随着计算机时代的到来,计算机技术对大学物理的教学产生了深刻影响。将计算机技术应用于大学物理教学中能使学生更直观地认识物理现象,提高学生解决现实问题的能力,为学生将来进行科学研究和工程实践打下坚实的基础。计算机技术改变了传统的教学方法和思路,能够把抽象的物理概念和知识变得直观、生动和有趣,进而达到最佳的教学效果。在大学物理课程的教学过程中引入计算机技术,既丰富和深化了计算机辅助大学物理教学的内涵,又顺应了信息化技术和物理教学相结合的时代要求。我们首先讨论了当前大学物理教学存在的问题,引出应用计算机技术改造大学物理教学的紧迫性和重要性。之后简要介绍计算机技术辅助大学物理教学的历史和现状。然后对计算机技术应用于大学物理教学的实践进行了简要介绍。

作者:郭小飞 赵治杰 常万玲 单位:河南牧业经济学院

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