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[論文關(guān)鍵詞]物理教學(xué)計算機教學(xué)

[論文摘要]物理學(xué)與計算機科學(xué)關(guān)系密切、互相促進(jìn)、共同發(fā)展，對我們今天的物理教學(xué)提出了更新更高的要求，物理學(xué)的教學(xué)內(nèi)容可以結(jié)合計算機教學(xué)作一些思考和嘗試，以適應(yīng)新形勢的要求。

一、物理學(xué)與計算機的密切關(guān)系

電子計算機是因解決物理問題的需要而產(chǎn)生的，二次大戰(zhàn)期間為了快速計算彈道，被公認(rèn)為世界第一臺電子計算機ENIAC于1946年研制成功[1]，萬維網(wǎng)的出現(xiàn)是因歐洲核物理學(xué)家們進(jìn)行學(xué)術(shù)交流的需要而設(shè)計出來的。由此可見，計算機與物理學(xué)的關(guān)系是非常密切的，物理學(xué)的發(fā)展促成了計算機的產(chǎn)生與發(fā)展，計算機的出現(xiàn)是二十世紀(jì)最偉大的科學(xué)技術(shù)成就之一，它延伸了人們的思維能力，成功地解決了很多物理、數(shù)學(xué)等方面的難題，沒有計算機就不可能準(zhǔn)確計算出火箭和衛(wèi)星的軌道位置、就沒有今天的航天成就，計算機應(yīng)用跨越各個學(xué)科，在工業(yè)技術(shù)、企業(yè)管理、情報信息處理、國民教育等領(lǐng)域引起深刻的變革，在今天幾乎沒有哪一個學(xué)科能夠離開計算機的應(yīng)用。

作為孕育計算機誕生與發(fā)展的物理學(xué)，如果說早期物理學(xué)應(yīng)用計算機主要解決人們的計算速度、強度的技術(shù)問題，那么到了今天，計算機已在更深刻的層次上促進(jìn)物理學(xué)的發(fā)展，由于在物理學(xué)很多領(lǐng)域中能夠找到精確解的理論問題已經(jīng)不多了，剩下的是大量的復(fù)雜的非線性問題，對這些問題的分析、預(yù)測和求解離開計算機，人們幾乎無能為力了。另外一個方面，在計算機出現(xiàn)之前，人們只能夠通過真實的實驗來驗證物理理論的正確性、工程中也往往需要耗費巨額資金做實驗來探測某些數(shù)據(jù)和驗證方案的可行性。而今天很多實驗可以通過計算機仿真實驗來完成，達(dá)到與真實的實驗完全相同的效果，成本低廉且安全環(huán)保，用計算機來進(jìn)行科學(xué)實驗是科學(xué)技術(shù)史上革命性的變化。

物理學(xué)與計算機科學(xué)互相促進(jìn)、共同發(fā)展的情況對我們今天的物理教學(xué)提出了更新更高的要求，物理學(xué)的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段和教學(xué)方法必須與時俱進(jìn)，適應(yīng)新形勢的要求。

二、物理教學(xué)中結(jié)合計算機教學(xué)的一些思考

大學(xué)物理課內(nèi)容很多，結(jié)合不同的專業(yè)，在保證教學(xué)大綱的基本要求的前提下，內(nèi)容上作一些必要的取舍，針對計算機科學(xué)技術(shù)和應(yīng)用等相關(guān)專業(yè)，教學(xué)內(nèi)容上適應(yīng)地向?qū)I(yè)傾斜，使基礎(chǔ)課更好地為專業(yè)課服務(wù)，明確基礎(chǔ)課的服務(wù)目標(biāo)，讓學(xué)生明了物理課程對后續(xù)專業(yè)課程的重要性，提高學(xué)習(xí)的積極性和主動性，以取得良好的學(xué)習(xí)效果，具體做法以下幾方面進(jìn)行：

（一）精選典型物理問題用計算機編程求解

大學(xué)物理課程一般在大一的下學(xué)期和大二的上學(xué)期進(jìn)行，而大多數(shù)專業(yè)的計算機程序設(shè)計課程也恰好在此階段展開，這就為物理課與計算機程序設(shè)計課相結(jié)合創(chuàng)造了有利條件。根據(jù)物理教學(xué)的不同階段，可以精選一些典型的物理問題用計算機編程進(jìn)行數(shù)值求解。例如在力學(xué)部分講拋物運動時，先按教材講授忽略空氣阻力時的運動方程，求出精確解，然后補上空氣阻力二次項，方程就變成非線性的了，讓學(xué)生體驗含有空氣阻力時實際問題求解的難度，再介紹計算機數(shù)值計算的方法與思路，給出編程示范，作為綜合習(xí)題讓學(xué)生完成程序設(shè)計與調(diào)試，并與計算機程序設(shè)計課教師協(xié)商，程序調(diào)試可利用計算機上機課時間完成，通過這種方式，理論聯(lián)系實際，既培養(yǎng)鍛煉了學(xué)生解決實際問題的能力，又提高了學(xué)生學(xué)習(xí)物理課和學(xué)習(xí)計算機程序設(shè)計課雙方面的積極性。又例如在振動學(xué)章節(jié)用計算機演示單擺大角度強迫振動的混沌效應(yīng)；在熱力學(xué)章節(jié)用計算機模擬二維布朗粒子運動；在電磁學(xué)章節(jié)用計算機編程求解一般位置的電場和磁場分布情況，像載流圓形線圈，根據(jù)畢粵--薩伐爾定律和對稱性，教材上只給出了求線圈軸線上點的磁感應(yīng)強度，但對其它位置的磁場分布情況計算就很難了，因此可在課堂上簡單介紹計算機積分法，要求學(xué)生在此基礎(chǔ)上利用計算機完成求解圓形電流非軸線上點的磁場分布情況，鞏固和加深對物理定律及其適用范圍的理解與把握，學(xué)習(xí)和體會計算機編程的方法與技巧。

通過精選少量典型物理習(xí)題利用計算機編程進(jìn)行數(shù)值求解，以小論文或綜合作業(yè)的形式布置練習(xí)，具體實施中充分征求計算機相關(guān)教師的意見并請求協(xié)助和參與實施，加強不同學(xué)科、不同課程之間的交流與協(xié)作，達(dá)到事半功倍的雙贏的教學(xué)效果，充分體現(xiàn)大學(xué)物理課的基礎(chǔ)地位與作用，體現(xiàn)計算機對物理學(xué)習(xí)和研究的重要性，知道這兩門課程關(guān)系如此密切，學(xué)習(xí)的認(rèn)真態(tài)度和積極性自然就得到了加強和提高。

（二）部分物理實驗利用計算機仿真課件來進(jìn)行

隨著計算機仿真技術(shù)的迅速發(fā)展，大學(xué)物理的計算機仿真實驗也得到普遍的關(guān)注與認(rèn)同，成為大學(xué)物理實驗的一個新的重要手段和工具，一些院校已開發(fā)出很多有特色的大學(xué)物理仿真課件，為我們在實驗方面實施物理教學(xué)與計算機教學(xué)結(jié)合創(chuàng)造了另一個有利條件?？蓪⑷课锢韺嶒瀮?nèi)容分成三個部分:一部分按原計劃實施，一部分實驗由計算機仿真實驗取代，還有一部分作為對比實驗，既按真實實驗進(jìn)行，又做仿真實驗進(jìn)行對比。將仿真實驗課件安裝在機房和校園網(wǎng)上，方便學(xué)生操作。仿真實驗雖然不可完全替代真實實驗，但真實實驗儀器因結(jié)構(gòu)復(fù)雜精密、價格昂貴，不允許學(xué)生反復(fù)操作、隨意拆裝，以剖析儀器性能結(jié)構(gòu)。仿真實驗恰好在這方面能彌補真實實驗儀器的不足，豐富了物理實驗的手段與方法，拓廣了學(xué)生的視角，也為以后計算機的應(yīng)用開發(fā)掌握一些基本概念。

（三）結(jié)合電磁理論和量子理論章節(jié)內(nèi)容，介紹計算機軟硬件的發(fā)展前景

通過上面的一些做法使學(xué)生了解了計算機對物理學(xué)習(xí)和研究的重要性，但反過來物理學(xué)理論與技術(shù)的發(fā)展對計算機軟硬件的發(fā)展所起的關(guān)鍵作用，在物理教學(xué)的相關(guān)內(nèi)容中也應(yīng)注意作些介紹，事實上每一代計算機的產(chǎn)生與發(fā)展都與當(dāng)時的物理理論與技術(shù)水平密切相關(guān)。在電磁學(xué)和量子理論章節(jié)的教學(xué)中適當(dāng)介紹一些與計算機相關(guān)的理論與技術(shù)知識，如量子信息、量子密碼和量子計算機的原理、研究方向和技術(shù)難點，目前的發(fā)展?fàn)顩r等，讓學(xué)生看到物理學(xué)理論對計算機軟硬件發(fā)展的關(guān)鍵作用，以強調(diào)物理課程對后續(xù)專業(yè)課程的重要性、強化物理課教學(xué)目標(biāo)的針對性，進(jìn)一步從專業(yè)的客觀需要方面促進(jìn)學(xué)生提高學(xué)習(xí)物理課的自覺性和主動性。