計算機在理工科實驗中的應用

□胡愛云

隨著計算機技術和通信技術的發展，計算機在理工科實驗過程中的作用不容小覷。物理、化學、生物等實驗過程中各種自動化儀器儀表的使用以及各種智能控制技術的發展，使得理工科實驗過程中的自動化程度越來越高。

一、計算機在教學過程中的主要應用

計算機普及之后，不管中小學還是大學均使用多媒體教學，特別在理工科的教學中，多媒體教學的引入尤為重要。在理工科平時的教學過程中，板書會占用太多時間，定義及公式的推導步驟較多且比較繁瑣，圖形的講解受到限制。使用多媒體技術代替板書，不僅在課堂上能夠給學生講解更熟的知識，而且可以通過動畫形象表示出機理等深層次的研究內容吸引學生學習的興趣，可讓學生學習更多的知識，增加知識容量，課堂不再僅是教師講學生記的過程，可以互相探討，讓學生主動去思考、去探索、去歸納總結，往往事半功倍。采用計算機輔助教學可以學習到更多的知識，拓寬學習的知識面同時加大知識密度，使得學習的知識能連貫成體系。學生更容易理解和吸收，做題時能夠交叉運用，所以多媒體教學是提高教學效率的最有效途徑。

二、計算機在理工科實驗過程的主要應用

在第一次計算機工業革命以后，計算機在工業中的應用逐年增加，但由于當時技術落后，硬件條件差，導致運算速度慢，軟件功能不達標，可靠性低，而且計算機造價高，設備體積較大等特點，不僅不能提高產量還會給生產帶來諸多不便，限制了其在生產上的應用。20世紀90年代以來，工程師發現通過圖形用戶接口能夠訪問計算機，所以在設計圖形用戶接口時不用知道內部運行代碼，只需要簡潔明了地體現出相關功能，給使用的操作人員帶來極大的方便。另外，圖形用戶接口與早期的命令行界面不同，目前圖形用戶接口最大的特點就是圖標設計更加簡潔美觀，圖形組合布局合理，能夠讓用戶得到便捷的操作體驗的同時視覺感受也比較舒適，這是當今計算機技術快速發展的重大成果之一。圖形用戶界面不需要用戶學習枯燥的命令代碼，只需要點擊屏幕的操作按鈕，選擇相應的命令菜單，在屏幕上能夠將多種輸入數據顯示出來，極大程度上簡化了非專業人員的程序操作過程[1]。21世紀是信息化的時代，計算機的運算存儲功能越來越強大，已被運用社會的各個領域，以提高生產力。對于實驗室來時，計算機不僅僅應用于管理，實現管理現代化這一層面，更多的是將計算機應用到實際的實驗中，實現智能化。同時，大量計算機硬件和計算機技術的介入使理工科實驗室的自動化程度越來越高，大大提高實驗室工作效率和水平[2]。

三、計算機網絡在理工科實驗過程中的應用

計算機網絡的發展對普通人產生的影響，其中最明顯的就是信息資源的共享。計算機的強大存儲和檢索功能能夠將這一復雜的工作進行歸納總結，復雜問題簡單化。另外，理工科實驗不僅工作量大，對于算法要求比較高，數據處理的任務量大，為了獲得新的成果，這就要求有智能的分析。量子物理以及量子計算是近幾年比較熱門的學科，從微觀層面更形象的解釋一些現象。比如量子力學就是通過薛定諤波動方程來求解問題，但是薛定諤波動方程尤為復雜，想要人工計算極其困難，可以通過計算機編寫相應的算法進行計算就非常簡單。計算機化學也是現在化學研究者們應用極多的輔助工具，通過計算機理論模擬某些化學反應中物質的變化、能量或電子的傳遞過程等，通過模擬手段能夠更好地進行化學反應，更深入地認識物質、改造物質、優化反應、控制反應等。計算化學的興起與發展是計算機技術發展的產物。此外，通過某些計算軟件，能夠描述原子、分子、晶體的空間結構，推測出在化學反應過程中內部機理的變化。計算機與理工科實驗相結合能夠化靜為動，變抽象為具體，將在真實世界中難以感覺到的虛幻世界、微觀世界真實地模擬出來，使人們對實驗的過程有更深入的了解和學習，使得微觀世界進入了一個可視化的世界。但由于理工科實驗過程比較復雜，不確定因素較多，要想使得整個反應過程真正的模型化還比較困難，隨著智能工程、思維科學以及人工智能技術的增強，實驗過程越來越接近人類專家的思維、推理和決策過程，使得仿真實驗更真實化。

四、計算機在理工科數據分析上的應用

過去對實驗結果的分析僅僅應用于常量分析，對于精度高的實驗結果分析還不能達到要求。近幾年，隨著計算機與測試儀器的連用，對物質的定性、定量分析都取了很大的進展(如電阻、電導、電位、電容、電流等)，通過計算機實現自動化，能夠進行微量組分、痕量組分的測定。而且檢測限度低、速度快、反應靈敏、操作簡單等優點[3]。近年來核磁共振譜分析應用較廣，當材料物質進入磁場后，通過計算機描繪出磁場強度變化后核磁共振譜圖，通過對譜圖的分析得到材料物質的結構信息。現在各種測試手段都會使用計算機進行分析、繪圖甚至直接通過軟件對譜圖進行處理，為測試人員提供便利。運用自動化甚至人工智能手段進行有關物質的定性、定量分析的發展越來越快，解決了以前靠人力難以解決的問題[3]。但在我國人工智能還處于發展階段，對很多實驗結果分析還具有很大的發展空間。

五、理工科實驗數據管理

實驗過程中產生了數量相當龐大的數據，為了能夠反過來指導實驗，需要選擇合適的數據庫軟件對數據進行管理。隨著信息技術的高速發展以及人們對數據組織、管理和利用的要求越來越高，數據管理技術也隨之發生了顯著的發展變化。目前計算機對于數據的管理不僅僅起到存放數據的作用，在存放數據的同時還起到管理作用，形成關系型數據庫管理技術，這也是計算機發展史上里程碑的進步。關系型數據庫管理技術的原理是集中于將存儲數據進行優化管理并方便于后期查詢，進一步方便用后的后期查詢[4]。目前研究熱點之一——大數據就是基于數據庫管理技術發展起來的，將繁瑣的實驗數據進行收集，聯機分析處理并應用；大數據管理系統是伴隨著現代意義上大數據概念的提出而展開研究的，主要集中于分布式可擴展、異地多備份、多數據層次、支持多用戶等方面的發展應用[5]。

六、計算機在實驗模擬上的應用

計算機模擬實驗能夠充分利用現代計算機技術，結合計算機自身的發展技術，為理工科實驗提供豐富的信息資源。通過多媒體技術的方式為學生提供生動、形象的實驗過程，使得學生對一些對環境、時空、設備要求較高的實驗有生動形象的認識，培養學生的想象力以及實踐能力。例如：物理和化學上的原子核式結構模型、原子核的鏈式反應以及化學反應中的所有反應。機械加工過程以及大型設備的制造過程，在學生的課內實驗中不可能進行實物開展，但若只是口頭講解沒有宏觀認識，學生很難對遠離生活的大型設備生產有真正理解和認識。所以現在機械專業的很多研究者在對學生講解的時候會通過無實物進行仿真模擬，正常肉眼是不能觀察到這些實驗的內部反應機理的，但是這些實驗又是理論教學的基礎，缺少對這些知識的實驗觀察理解，要想深層次地了解反應過程，只能依靠計算機模擬，讓同學建立真正的知識體系，使學生更好地掌握這些內容。另外，計算機模擬實驗可以讓學生不受時間和器材的限制，學生隨時隨地想開展實驗都可以，真正做到“因材施教”。計算機模擬實驗能夠打破固定的地點，打開固定工作的固定枷鎖，結合現代思想政治教育的優秀理念，有效縮短實驗時間，在一定的時間內學習到更多的相關知識，在實驗過程中遇到問題隨時可以通過計算機網絡查閱到相關知識，進而提高實驗效率，并且能夠通過實驗將相關知識在短時間內進行更好的結合，真正做到理論與實際相結合[6]。

七、計算機在智能操作軟件的應用

隨著現代化技術的發展和計算機技術的全面化，計算機技術在理工科實驗設計中的應用也越來越廣泛。計算機繪圖(CAD)是目前工程設計中最常用的工具。CAD繪圖軟件在理工科的各個專業都有所應用，特別是機械專業，能夠將復雜的電子原件在平面圖形上顯示出來，方便設備原件中的細節處理。另外，不管是物理實驗還是化學實驗其實是一個系統工程，除了工藝需要計算機，其他相關條件的評估也需要計算機的參與。目前物聯網技術中很多研究者都是對算法進行優化計算，使其能夠更真實，更智能化。

八、結語

社會進步離不開理工科實驗技術的提升，理工科技術與計算機技術相輔相成。隨著理工科實驗技術的發展，計算機技術在其中所起作用也會越來越突出。不僅解決了過去學習理工科中假大空的問題，還能夠提高教學質量、提高學習效率，進一步拓寬學生的知識面，在現有理論知識的基礎上進行創新，為社會創造出更多的價值。所以要求教師在教《計算機應用基礎》這門課的時候要根據該課的特點，將枯燥的理論知識與有趣的實際操作相結合，調動學生對計算機的學習熱情，通過主題引導、任務驅動的方法，讓學生利用計算機主動去解決實際問題，進而培養學生的學習興趣。一味的“填鴨式”只會讓學生更反感，“興趣是最好的老師”，沒有興趣根本學不好計算機這門課，更別說掌握計算機這門技術了。所以教師在教學過程中也需要創新，調動課堂氣氛推動課堂學習效果，培養學生的實踐和創新精神，提高學生的素養，真正做到學以致用[7]。