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利用大学物理教学培养大学生的科学计算能力

作者:未知

  【摘 要】大学物理是理工科学生的一门必修的基础课,需要利用高等数学的知识来分析和解决大学物理中的实际问题,笔者将Mathematica引入到大学物理教学中,这样既能能激发学生学习大学物理的兴趣,又培养学生科学计算能力。
  【关键词】大学物理;科学计算;Mathematica
  中国分类号: G642.41 文献标识码: A 文章编号: 2095-2457(2019)17-0079-001
  DOI:10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.17.038
  大学物理内容多、跨度大、涵盖面广,具有很好的抽象性和定量性。这些特点使得大学物理非常适合培养学生的科学计算能力。教师在教学中可以利用Mathematica解决物理中的微分问题和积分问题;也可以利用Mathematica的绘图功能把复杂物理公式甚至是无法用公式表示的规律直观地展现出来,从而帮助学生深入理解其中的物理规律;还可以利用Mathematica仿真物理实验,从而让学生更好地理解物理实验的原理和方法,总结实验规律及其物理本质[1]。
  1 在大学物理理论课上培养科学计算能力
  在多媒体教学中引入Mathematica软件可以更好地促进大学物理教学。教师给学生演示事先编写的程序,这样可以直观地表达抽象的物理概念、理论和规律,有助于学生用直观感知物理世界,能激发出学生的好奇心和求知欲[2]。结合Mathematica数值模拟演示,给学生介绍如何用数值方法分析和解决物理问题,而这些问题一般很难、有的甚至无法用解析的方法处理。在每个专题中,教师向学生传授了理论分析、科学建模、编程运算及检验评价的科学方法并让学练习了整个研究过程,从而培养学生科学研究的基本素质。
  2 在大学物理实验课上培养科学计算能力
  在大学物理实验室和实验课上,教授学生用Mathematica模拟教材上的实验现象,比如双缝干涉,单缝衍射,光栅衍射等等;指导学生利用Mathematica进行仿真实验,让学生改变各种各样的条件输入计算机,然后观察相应的物理现象的变化,从而总结各种物理规律。引导学生利用Mathematica在计算机上准确地处理物理实验中得到的实验数据,从通过解析或图形等方式直观地展示出来,这样的数据处理方法在生产和科研上都很实用。
  3 在大学物理选修课上培养科学计算能力
  Mathematica在大学物理中的应用的选修课可以在大学的第三学期进行,课时可以按2:3的课堂教授和上机练习。首先介绍Mathematica基本用法,然后结合大学物理课程系统地介绍利用Mathematica软件采用各种数值方法处理力学(如运动学的微分和积分问题)、热学(如麦克斯韦速率分布率)、电磁学(如电偶极子、点电荷的电势分布)、光学(如双缝干涉、牛顿环。单缝衍射和光栅衍射)近代物理(如黑体辐射、一维无限深势阱)及实验数据处理(如光电效应)等方面的问题。通过上机练习,学生可以进一步地熟悉各种计算方法,老师也可以在上机时及时解决学生遇到的各类问题,同时启发学生的各种解题思路,鼓励学生如何选择更简洁高效的方法解决大学物理及实验的各种问题。
  4 利用課余时间培养科学计算能力
  大学物理课时较少,在课堂上进行Mathematica编程学习和大学物理深入讨论的时间非常有限。可向学有余力的学生推荐《Mathematica与大学物理计算》[3]等教材供他们自主学习。每次作业可布置1-2题用Mathematica软件来解决,同时建立Mathematica软件学习讨论群,在学生讨论时老师尽可能参与其中,不断给学生鼓励和提示,并且给出参考答案。
  培养科学计算能力是一个系统的学习过程,需要大学生在各个学习阶段系统地落实。在大学物理教学过程中引入科学计算,是大学物理教学发展的内在要求,也能为学生后续课程打下坚实的基础。
  【参考文献】
  [1]华玲玲,杨阳.大学物理教学中培养科学计算能力的研究[J].物理与工程,2013,23(3):37-40.
  [2]石长光.Mathematica软件推广到大学物理教学中的建议[J].时代教育,2018,9:96.
  [3]董键.Mathematica与大学物理计算[M].2版.北京:清华大学出版.
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