民族地方高校普通物理數字化教學探索與實踐＊

楊曉榮

(西藏大學理學院,西藏 拉薩 850000)

民族地方高校普通物理數字化教學探索與實踐＊

楊曉榮

(西藏大學理學院,西藏 拉薩 850000)

本文以西藏大學為例,探索在民族地方高校新設“計算物理基礎”課程的目的、做法及實施情況.以Matlab為平臺,將計算機數值計算與模擬實驗引入普通物理教學中,促進Matlab的數值計算及模擬功能與普通物理課程教學的整合,對學生進行科學計算教育,培養學生的科學計算能力,推進民族地區普通物理數字化教學改革.

普通物理;計算物理;Matlab;數字化

1 引言

隨著計算機的日益普及和科學計算方法的飛速發展,“計算物理”已經和“理論物理”、“實驗物理”并列為物理學的三大支柱.在國外,早在20世紀80年代末就已經普遍開設“計算物理”課程,使計算機成為物理課程的學習工具.國內的計算物理教育也已經開展起來.1999年“教育部物理學與天文學教學指導委員會專業物理與應用物理教學指導組”在第三次工作會議紀要中明確指定“計算物理”為研究生的7門基礎課之一.2001年北京師范大學物理系在對其二年級本科生(1999級)上理論力學課的同時,開設“理論力學計算機模擬實驗”,創建了本科“計算物理基礎”課程[1].2004年“教育部物理學與天文學教學指導委員會”建議本科生開設“計算物理基礎”課程.

目前數字化浪潮正以磅礴之勢席卷全球,數字化技術在現代教育中的應用也日益廣泛.將計算物理引入到本科物理教學中,對本科生進行科學計算教育已迫在眉睫.科學計算能力是物理系學生以及其他理工科非物理專業學生必備的素質之一,是教改的需要,是時代的要求.開設本科“計算物理基礎”課程,培養本科生的科學計算能力刻不容緩.

在普通物理學數字化教學改革中,我們主要致力于教學內容和教學方法的現代化.主要目的之一,選擇合適的普通物理教學內容用計算機模擬,并通過與真實物理圖像(如實驗圖片)的對比,加深學生對抽象物理概念和物理規律的理解,實現普通物理教學的數字化與可視化.其二,配合課程內容,新設本科“計算物理基礎”(或稱“普通物理學計算機模擬實驗”),使數學軟件Matlab除了是教師的教學工具之外,還成為學生的學習工具,讓學生通過自主探究式學習掌握利用計算機學習和研究物理問題的方法,以培養其科學計算能力,激發其學習興趣.教學實踐表明此方案可行,已取得預期效果,推進了普通物理數字化與可視化教學改革,使西藏大學普通物理教學現代化又向前邁進了一大步.

2 新設本科“計算物理基礎”課程的原因和目的

西藏大學新設本科“計算物理基礎”課程,是源于深化普通物理課程教學現代化改革的考慮.2005.8—2007.4,西藏大學教學研究與改革項目——“西藏大學普通物理課程教學現代化的研究與實踐”課題組,從現代物理學高度和普通院校的教學實際出發,全面革新了普通物理學的教學內容、教學體系、教學方法和教學手段[2].在教學手段現代化方面,該課題組以Matlab為教學工具,將一些內容制作成圖片或動畫置于多媒體課件之中,真實直觀、形象生動地展現了抽象、復雜的物理過程,學生易于理解,有效解決了藏族學生的語言障礙問題,激發了學生的學習興趣.

可是一線的教學經歷使我們發現,西藏學生由于沒有機會得到科學計算方面的訓練,直到畢業也不具備用計算機處理物理問題的能力,他們不知道如何去完成學習中的一些簡單數值計算,甚至不會畫畢業論文中的插圖.這明顯滯后于當前國內外物理教學數字化和可視化的發展趨勢,也說明西藏高校在培養學生科學計算能力方面做得還不夠,西藏學生的科學計算能力有待加強.之后,我們對西藏大學物理系大四學生(2005級)“利用計算機學習物理的狀況”進行了問卷調查,調查的結果綜述如下.

調查顯示,對于計算物理的概念,38.7%的學生“一點也不懂”,58.1%的學生“了解一點”,僅3.2%的學生“清楚知道”.對于利用計算機現在可以做的主要工作,87.1%的學生“會做簡單的文字處理”,9.7%的學生“會制作 PPT多媒體課件”,僅3.2%的學生“會用計算機處理簡單的物理問題”.在調查“使用計算機主要做什么”時,有45.2%的學生選“上網聊天”,25.8%的學生選“玩游戲(聽音樂、看電影等娛樂活動)”,22.6%的學生選“上網查資料(含信息瀏覽)”,僅3.2%的學生選“學習”.在調查“使用計算機對你的物理學習產生的主要影響”時,有35.2%的學生選“沒體會或不清楚”.這樣的調查結果說明,開展普通物理學數字化教學的研究與實踐,培養學生的科學計算能力,推進普通物理學的數字化和可視化教學改革已經成為當務之急.

當然,數字化的含義很廣泛,比如用 PPT講稿,利用網絡獲得的材料(圖片、視頻等),把一些演示實驗拍成圖片或視頻,利用計算機模擬的結果,直接利用網上現成的教學資源等.其中,課堂上直接做計算機模擬就是“高級”的了,讓學生親自做計算機模擬就“更高級”了,這也是我們所期望的.要實現這個目標,最好的辦法就是給本科生開設“計算物理基礎”課程.考慮到西藏學生的基礎知識方面的實際情況,針對西藏學生與內地學生有不同的特點,將計算物理這一課程定位在普通物理的層次上.于是,2008年年初我們建議在西藏大學新設本科“計算物理基礎”課程,將計算物理引入到普通物理教學中,促進計算機技術與普通物理課程的整合.新設該課程的目標有三:一是對學生進行科學計算教育,培養學生用計算機進行學習和研究物理問題的能力;二是激發學生學習物理的興趣,加深學生對物理問題的理解;三是在人文效應上,使學生對計算機有正確認識,知道用計算機不只是上網聊天、玩游戲,而是可以做很多科學研究工作.

3 新設本科“計算物理基礎”課程的可行性分析

3.1 硬件設施的配備情況

西藏大學校園網于1999年立項建設,到2007年8月為止,累計投入3800多萬元,用于校園網基礎設施和網上各類應用系統建設,如數字化教學系統(覆蓋115間多媒體教室)、網絡教學平臺、數字圖書館等;多媒體教室和語音教室座位有8854座,百名學生配多媒體教室和語音教室座位95座;教學用計算機1984臺,百名學生配教學用計算機21臺,為現代教育技術手段在教學中的應用提供了環境支撐,很好地滿足了人才培養的需要.同時采取多種措施,改善機房環境,使之滿足《計算機機房建設規范》GB50174—93的要求,確保校園網安全穩定運行.校園網的建成和使用,使西藏大學搭上了“信息高速公路”快車[3].近兩年西藏大學繼續加大對校園網、多媒體教室及機房等的建設與管理投入,硬件環境得到進一步改善.

我們對學生自己擁有電腦的情況也做過調查,調查顯示,16.1%的學生有自己的電腦,25.8%的學生沒有但正打算買,隨著國民收入的提高,預計這一數據將逐年上升.這也是開設“計算物理基礎”課程的一個有利條件.

從西藏大學現階段計算機硬件條件的配備情況,校園網、數字化教學系統、學生用機房等基礎設施的建設與運行情況以及學生自己擁有電腦的情況看,在西藏大學新設本科“計算物理基礎”課程、推進西藏普通物理數字化教學改革是完全可行的.

3.2 “軟件”條件的具備情況

我們“計算物理基礎”課程的定位是“使學生會用計算機來學習和研究普通物理問題”,不希望學生在學習過程中花費過多的時間和精力用于算法和程序設計.為了不增加學生的負擔,我們借鑒了北京師范大學物理系的經驗,同時考慮到部分教師已具備用Matlab編程并應用于物理教學的能力,選用簡單易學、方便實用的優秀數學軟件Matlab作為學生的編程工具.由于目前較合適的本科“計算物理”教材還未看到,我們在北京師范大學內部講義《Matlab在基礎物理學中的應用》的基礎上,針對西藏大學學生基礎“參差不齊、相差懸殊,且相對普遍較差”的特點,編寫了《普通物理學計算機模擬實驗》(或稱《計算物理基礎》)內部講義,使之在滿足我們的基本教學需要的同時,還體現出少數民族地方高校的特色.

我們的目標是使Matlab成為學生的學習工具,培養學生的科學計算能力,因此“軟件”中最重要的因素是學生.前述提及的調查還顯示,現階段西藏大學物理系大四學生中有71.0%的學生“會基本操作,Windows和Office等軟件都會使用”;16.1%的學生“比較了解,還會更多的應用技能”;9.7%的學生是“電腦愛好者,計算機應用水平較高”;僅3.2%的學生“基本操作還沒掌握”.對學生訪談顯示,盡管大多數學生對計算物理不怎么了解,但這絲毫不影響他們對該課程的渴望,還是有相當數量的學生期盼盡快開設該課程.西藏大學學生的計算機基礎和應用水平,以及學生高昂的學習熱情,說明了現階段在西藏開設計算物理基礎課程,培養學生的科學計算能力是完全可行的.

4 本科“計算物理基礎”課程的具體實施情況

4.1 課程計劃和教學方案制訂

根據西藏大學學生的基礎以及學校的總體課程安排,合理設置“計算物理基礎”的課程計劃和教學方案,然后根據教學實踐情況以及教學后的問卷調查結果,再做多次修改和完善.

教學目標:一是使學生了解計算物理和數學軟件Matlab;二是激發學生的學習興趣,加深學生對普通物理問題的理解,使學生對計算機有正確認識,知道用計算機可以做很多科學研究工作;三是培養學生的科學計算能力,使學生能夠借助Matlab用計算機處理簡單的普通物理問題,如畫圖、數值計算和動畫模擬等.

開課方式:專業必修課.可緊跟在“計算機文化基礎”和“C語言程序設計”(或其他語言的程序設計課)之后開設,如未開設程序設計課,則可緊跟在“計算機文化基礎”之后開設,只需加強“編程和程序設計”教學,涉及循環和數組即可.按西藏大學現行教學方案,應開設在大三第二學期.

學時安排:每周3學時,其中1學時教師授課,2小時學生上機,總計3×18=54學時.

考核方式:開卷,每人用給定題目編一個程序.

成績構成:平時50%,期末50%.

教學內容[4～7]:計算物理學導論;Matlab的基本用法;使用Matlab學習普通物理的三個簡單例子;數據表示、運算符、表達式和函數;矩陣與數組;流程控制與編程;普通物理學中常用的幾種計算(解方程;差分、梯度、積分;解常微分方程);作圖和動畫;Matlab在力學、熱學、電磁學、光學和量子物理學中的應用舉例.

教學重點:利用計算機解常微分方程和畫函數曲線.

教學難點:非線性常微分方程的求解;量子物理的數值計算與模擬.課程會涉及這兩個方面的內容,但不作要求,僅要求學生掌握線性常微分方程和經典物理的數值計算.

4.2 實際教學過程介紹

以專業選修課作為嘗試,先給西藏大學物理系2005級物理學班在大四第二學期開設,教學課時24學時.授課教室選用配有教學互動系統的先進機房,既可以方便地實現教師授課和學生上機實驗之間的隨時切換,也可以實現教師對學生學習情況的隨時監控,利于及時發現問題,給予學生有效指導.由于學生的學習熱情高漲,協調各方面后,延長至36學時.在教學中首先用6學時(包含學生上機)講“導論”、“Matlab的基本用法”和“三個簡單的例子”,使學生了解計算物理及其重要性和實用性,以及Matlab的強大功能、編程優勢及其在物理學中的廣泛應用,從而樂于學習該課程.再用12學時(包含學生上機)講普通物理學中要用到的Matlab基礎知識,如“運算符和表達式”、“矩陣與數組”、“編程”、“幾種常用計算”和“作圖和動畫”等.然后用18學時(包含學生上機)分別講 Matlab在普通物理學各分支領域中的應用.

針對學生的實際情況,起初教學的起點和要求都較低,僅要求學生能模仿完成課堂上給的三個例子.學生品嘗到了成功的喜悅,學習積極性與主動性很高,有部分學生自己購買了相關參考書進行自學.進入第二階段的學習后,逐漸提高教學要求,指導學生在原有示范程序的基礎上,做一點修改,進行自主探究式學習.這時大多數學生已掌握了Matlab基礎知識.進入第三階段的實踐學習后,繼續提高要求,一是讓學生在成功模仿課堂實例的基礎上做改動,對物理問題做更深入的研究;二是給學生適量的較容易的實驗課題,讓學生自己嘗試編程,完成計算;三是鼓勵學生自己尋找合適的普通物理問題來做數值計算與模擬,進行探索性研究,培養學生的創新精神.學生的積極性和主動性進一步提高,學習興趣更加濃厚,有部分學生立即嘗試用Matlab研究簡單的物理問題,包括畫圖、數值計算和動畫模擬,寫小論文.該班有18.75%的學生的畢業論文應用了Matlab.

4.3 教學效果評價

為了更有說服力,除采用教學觀察、個別訪談和課程考核等方法之外,在“計算物理基礎”課程教學后,還對該班學生進行了問卷調查,調查結果如下.

1)學生對學習效果的評價

學生對于學習效果的評價的調查結果見表1.

表1 學生對學習效果的評價

由上述數據可見,多數學生對該課程感興趣,學習收獲較大,會用計算機學習和研究簡單的物理問題,認為使用計算機對理解物理知識和能力培養有幫助,還可以做很多與物理相關的科研工作.在學習過程中,盡管學生有較大的編程與程序設計困難(該班學生沒有學過程序設計課),但總的學習效果還是超過了預期,該課程的三個目標已基本實現.

2)學生對課程的評價

學生對課程的評價的調查結果見表2.

表2 學生對課程的評價

由上述數據可見,絕大多數學生認識到了計算物理的重要性,新設該課程得到了學生的普遍歡迎,“課程計劃和教學方案”以及自編講義也得到了學生的基本肯定.

我們會根據以上的調查結果來修訂西藏大學《計算物理基礎》的“課程計劃和教學方案”,修改與完善自編的講義,進一步深化西藏大學數字化教學改革.

5 總結與思考

西藏大學普通物理數字化教學改革實現了預期目標,不僅促進了教學內容的更新,還促進了教學理念和教學方法的更新.在科技迅猛發展的今天,學生不能僅限于沿用傳統的學習方法,還必須會用計算機的計算與模擬功能來學習物理.這門課程的開設,讓學生及早進入物理學的一個新領域并掌握一種新的有效的學習方法和研究方法,不僅可以加深學生對普通物理問題的理解,也可以為其學習理論物理打下一個良好的基礎.從這個角度來說,在民族地方高校進行數字化教學改革是非常有意義的.

在數字化教學實踐中,針對計算機模擬的缺陷,將一些真實的演示實驗拍成錄像或圖片,上課時結合使用,對比講解計算機模擬實驗和真實實驗,使學生對物理概念和物理規律有更深層次的理解.我們相信,西藏大學在普通物理數字化教學改革中所作的探索,會對其他地方民族高校的物理課程改革有一定的參考價值.

最后,我們認為,目前對于本科“計算物理”的課程,還很難說有比較合適的教材和參考書目,我們期盼簡潔而具有普及性質的“計算物理基礎”教材的出版.

[1] 管靖等.理論力學教學現代化——“理論力學計算機模擬實驗”課程的探索[J].大學物理,2001,20(8):38

[2] 楊曉榮,管靖.非物理專業普通物理學課程教學現代化的探索與實踐[J].西藏大學學報,2006,21(S1):63

[3] 西藏大學本科教學工作水平評估自評報告.2007,21,24～25

[4] 梁紹榮等.普通物理學·力學[M].第3版.北京:高等教育出版社,2005.370～402

[5] 管靖.大學物理(經典與近代物理簡明教程)[M].北京:北京師范大學出版社,2009

[6] 鐘季康,鮑鴻吉.大學物理習題計算機解法——Matlab編程應用[M].北京:機械工業出版社,2008

[7] 李元杰.數字物理教學典型案例[M].北京:高等教育出版社,2008

2009-11-09)

西藏大學教學研究與改革項目“普通物理學數字化教學的研究與實踐”階段性研究成果之一(編號:XZDX2008JG07).

楊曉榮(1972年出生),女,漢族,陜西咸陽人,西藏大學理學院副教授,碩士,主要從事物理教學與研究.