淺談計算機技術(shù)在大學物理教學中的應(yīng)用

郭小飛 趙治杰 常萬玲

摘?要：伴隨著計算機時代的到來，計算機技術(shù)對大學物理的教學產(chǎn)生了深刻的影響。傳統(tǒng)的大學物理教學采用板書的形式，目前幾乎都過渡到了以PPT等電子課件為主來進行課堂授課的形式。除此之外，在一些高校中，有些教師在大學物理的授課中通過使用計算機工具編程來輔助大學物理的教學，將計算機技術(shù)應(yīng)用于大學物理教學中除了能使學生更直觀地認識物理現(xiàn)象以外，更能夠訓練學生分析問題、建立模型和數(shù)值計算的能力，為學生在將來的職業(yè)生涯中進行科學研究或者工程實踐打下堅實的基礎(chǔ)。計算機技術(shù)改變了傳統(tǒng)的教學方法和思路，能夠把抽象的物理概念和知識變得直觀、生動和有趣，進而達到最佳的教學效果。在大學物理課程的教學過程中引入計算機技術(shù)，既豐富和深化了計算機輔助大學物理教學的內(nèi)涵，又順應(yīng)了信息化技術(shù)和物理教學相結(jié)合的時代要求。本文對此進行探討。

關(guān)鍵詞：計算機技術(shù);大學物理;教學探索

大學物理作為高等學校眾多理工科專業(yè)的公共基礎(chǔ)課程，不僅對后續(xù)的專業(yè)課程的學習打下了重要的基礎(chǔ)，同時對培養(yǎng)大學生的科學思維、科學方法和科學素養(yǎng)起著非常重要的作用。但是，嚴格來說目前大多數(shù)高校的大學物理課程在教學方法、教學工具和教學手段上還是比較落后的。由于在大學物理的教學中存在著教學方法和教學手段上的弊端，因此幾乎不能全面地發(fā)揮其挖掘?qū)W生學習潛能、大幅提升學生創(chuàng)新思維和科學素養(yǎng)的作用。目前在大學物理的教學中，基本從板書過渡到了以PPT為主的電子課件。但是仍然是填鴨式地向?qū)W生單向灌輸物理知識，學生的自主參與性不足。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展和計算機工具的普及，在大學物理的教學中引導大學生獨立使用計算機進行模型構(gòu)建、數(shù)值計算是計算機輔助大學物理教學的重要的突破和嘗試，同時也是計算機與大學物理教學相結(jié)合的時代產(chǎn)物。順應(yīng)這一潮流和趨勢對高校大學物理教師來說是一件很緊迫的事情。

本文首先討論當前大學物理教學存在的問題，引出應(yīng)用計算機技術(shù)改造大學物理教學的緊迫性和重要性。之后簡要介紹計算機技術(shù)在大學物理教學中的歷史和現(xiàn)狀。然后對計算機技術(shù)應(yīng)用于大學物理教學的實踐進行簡要介紹。最后進行總結(jié)。

1 大學物理教學存在的問題以及應(yīng)用計算機技術(shù)的必要性

大學物理課程涵蓋的內(nèi)容較多，包括質(zhì)點力學、剛體力學、振動和波、氣體動理論和熱力學、電磁學、幾何光學和波動光學、狹義相對論和量子物理基礎(chǔ)。授課的內(nèi)容多、涵蓋的范圍廣，同時課時又比較少，因而需要在短時間內(nèi)向?qū)W生灌輸大量知識。站在學生的視角來看，大學物理課程的概念和定理既多又雜，公式抽象復雜，難度大，內(nèi)容涵蓋力熱聲光電，內(nèi)容比較多。因此大學物理課程在大多數(shù)學生眼中是一門比較難的課程。另外大學物理的公式用微積分的語言來書寫，很多學生微積分都沒學會，因此對于大學物理這一門課程會有一種的排斥心理。

目前在大多數(shù)高校，大學物理的教學仍然采用單向教學模式。老師在規(guī)定的時間、規(guī)定的教室向?qū)W生講授規(guī)定的內(nèi)容，學生在固定的座位上聽老師的講解。和過去唯一不一樣的地方在于授課從板書過渡到了電子課件。教師在授課過程中播放電子課件同時伴隨語言講解，偶爾會在板書上書寫一些內(nèi)容。課后教師有時候會布置一寫作業(yè)，要求學生在規(guī)定的時間提交作業(yè)。伴隨著智能機的發(fā)展，一些手機APP在教學中得到了應(yīng)用。但是只是把授課方式從線下轉(zhuǎn)移到了線上，紙質(zhì)作業(yè)變成了線上作業(yè)。在整個授課過程中，學生仍然是被動的單向參與者。由于是被動學習，所以學生的積極性實際上并不高。

在大多數(shù)高校的大學物理教學環(huán)節(jié)中，雖然也使用了計算機技術(shù)，但是僅限于教學媒介從板書轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮诱n件，點名、作業(yè)、提問、互動從線下變成了線上。整個教學環(huán)節(jié)仍然是以教師為中心，單向的從老師指向?qū)W生。學生仍然是被動地接受知識。教師講解概念、定理、公式，布置作業(yè)，講解作業(yè)。學生學習大學物理的效果實際上并不是太理想。目前市面上的大多數(shù)大學物理教材是以應(yīng)試教育的視角來編排內(nèi)容，羅列一系列概念、定理和公式，對物理現(xiàn)象和實驗觀測的討論較少，也很少側(cè)重于構(gòu)建物理模型以及模型理論預測和物理現(xiàn)象結(jié)果的對比驗證過程，另外課后習題大多是一些具有解析解的理想問題。長期以來大學物理教學過于注重概念、定理以及學生做練習題的訓練。在講解概念、定理之后再進行大量的習題訓練，所研究的課堂和課后問題基本全是能用解析方法求解的理想情況下的經(jīng)典例子。學生并不了解科學知識的生產(chǎn)過程。從物理現(xiàn)象怎么設(shè)計實驗測量數(shù)據(jù)，從實驗數(shù)據(jù)怎么提取信息構(gòu)建理論模型，構(gòu)建好的理論模型和實驗數(shù)據(jù)怎么進行對比驗證，物理知識怎么應(yīng)用于工程技術(shù)中，學生缺乏在這些方面的訓練。學生所學會的知識、技巧大多針對一些有解析的經(jīng)典理想的物理問題，這難以適應(yīng)當今科技時代對具有創(chuàng)新能力的理工科人才的需要。

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用計算機技術(shù)進行數(shù)值計算和仿真模擬有可能解決目前大學物理教學中存在的問題以及改變目前大學物理教學的現(xiàn)狀。將數(shù)值計算技術(shù)應(yīng)用于大學物理教學當中，在大學物理教學中深化實踐教學改革，發(fā)揮計算機的計算功能，將有助于學生創(chuàng)新思維和科學素養(yǎng)的培養(yǎng)。學生可以主動地參與科學知識的構(gòu)建過程，對于物理問題、構(gòu)建模型，進行數(shù)值計算。提前參與和適應(yīng)科學研究和工程應(yīng)用的流程。

2 計算機技術(shù)在大學物理教學應(yīng)用的歷史

伴隨著信息技術(shù)的發(fā)展和進步，計算機技術(shù)在教育教學領(lǐng)域中的應(yīng)用實際上已經(jīng)有很多年的歷史了。自從20世紀60年代開始，一些發(fā)達國家的比較出名的大學和計算機公司就開展了計算機輔助教育教學的技術(shù)研究和產(chǎn)品開發(fā)工作。在20世紀70年代的后期，由于個人小型計算機工具的發(fā)明、生產(chǎn)和快速的普及，計算機技術(shù)在教育教學領(lǐng)域的應(yīng)用進入了快速發(fā)展的全新階段。在1993年12月，國家教委高教司明確地指出我們要大力推動和開展計算機輔助教育教學并首先成立了“全國高等學校工科計算機輔助教學和試題庫協(xié)作組”，從此開始我國高等院校計算機輔助教學進入了一個全新的階段。

在這一階段，數(shù)值計算與計算機模擬仿真技術(shù)也開始逐漸應(yīng)用到一些著名大學的大學物理的教育教學中[1]。將計算機工具和數(shù)值計算技術(shù)應(yīng)用于大學物理的教學當中，充分發(fā)揮計算機工具的科學計算功能，將有助于學生對于科學問題進行獨立自主探究式學習，從而為大學物理的教育教學內(nèi)容的改革實踐奠定堅實的基礎(chǔ)[2]。同時，也將會給學生提供一種體驗知識從無到有的整個創(chuàng)造過程，進而提升學生解決現(xiàn)實問題的能力。從這個意義上說，在大學物理的課程中進行數(shù)值計算的訓練實際上是計算機輔助教學的一次進步。開展數(shù)值計算和計算機仿真技術(shù)輔助大學物理的教學，實際上不僅是為了促進大學生對大學物理知識更好的理解，更多的是希望能通過數(shù)值計算來培養(yǎng)學生分析現(xiàn)實問題、解決現(xiàn)實問題的能力，提高學生的科學素養(yǎng)與創(chuàng)新能力[3]。

經(jīng)過10多年的實踐與發(fā)展，計算機模擬在大學物理教學中開始轉(zhuǎn)向了剖析物理過程和探索物理規(guī)律的本質(zhì);開發(fā)的工具也不再限于C、Fortran等面向過程的程序語言，更多的是利用面向?qū)ο蟮某绦蛘Z言或數(shù)學軟件[4]。計算機模擬對大學物理的教學方法和教學內(nèi)容產(chǎn)生了重要的影響，“電子教案+計算機模擬”[5]日益成為大學物理一種常見的教學模式[6]。目前在大學物理的教學實踐[7]中，數(shù)值計算和模擬程序主要運行在Matlab軟件[8]上。

3 應(yīng)用計算機技術(shù)進行物理教學的簡單介紹

大學物理課程的內(nèi)容實際上是比較多的，包括質(zhì)點力學、剛體力學、振動和波、氣體動理論和熱力學、電磁學、幾何光學和波動光學、狹義相對論和量子物理基礎(chǔ)等知識模塊。由于授課的內(nèi)容較大多、涵蓋的范圍較廣，同時課時又比較少，因此為了更好的教學效果，實際上在具體的授課過程中需要對具體的知識模塊進行必要的取舍。針對不同的理工科專業(yè)，可以對授課內(nèi)容進行針對性的設(shè)計。例如像機器人這類專業(yè)可以側(cè)重于力學和電磁學的內(nèi)容。對于機械工程這類專業(yè)可以側(cè)重于力學和熱力學。在具體的應(yīng)用數(shù)值計算技術(shù)優(yōu)化大學物理的教學中，學生將會從分析現(xiàn)象開始，進而建立模型，選定算法進行編程計算，最后畫圖分析結(jié)果。對教師來說，實際上教師要做大量的工作。教師在授課過程中要引導學生把計算機作為一種重要的學習工具，讓學生在自主探索式學習過程中充分利用計算機工具來解決大學物理中的復雜物理問題。具體做法分為以下步驟：

3.1 選定大學物理的具體物理現(xiàn)象

學生每次經(jīng)歷完整的觀察現(xiàn)象、建立模型、選定算法編程計算到最后分析結(jié)果，實際上會花費大量的時間，因此在選題上要嚴把關(guān)，選擇一些具有現(xiàn)實意義的高質(zhì)量的題目，便于學生通過一次訓練，能夠完整地掌握科學研究的方法。選題是非常重要的事情，所以應(yīng)該非常慎重。

在選題的時候，要選擇學生自己可以觀察測量到的一些現(xiàn)象，讓學生通過自己的觀察測量來建立模型，對模型進行計算，進而和實驗結(jié)果對比。我們可以對學生分組，每一小組協(xié)同合作，從測量數(shù)據(jù)，到構(gòu)建模型，到編程計算，最后分析結(jié)果。例如我們在學習質(zhì)點力學的時候，讓學生自己探究自由落體運動。學生可以通過自己的手機秒表測時間，尺子測距離，探究身邊的物體的自由落體運動。在實驗的角度上學生觀察自由落體運動現(xiàn)象，然后需要測量物體自由落體的相關(guān)數(shù)據(jù)。之后構(gòu)建模型，進行計算和分析結(jié)果。我們在學習剛體轉(zhuǎn)動的時候，以學生常見的電風扇轉(zhuǎn)動為例子，讓學生探究電風扇的轉(zhuǎn)動現(xiàn)象。

3.2 深入分析選定的物理現(xiàn)象

對于選定的物理現(xiàn)象，需要進行仔細的分析。通過分析和查資料，進行建立模型的過程。所謂建立模型，實際上就是找到能夠描述這一現(xiàn)象的公式。找到對應(yīng)的物理公式之后，實際上我們就可以進行計算。對于能進行解析計算的問題，我們直接進行解析計算，對于無法進行解析計算的問題，實際上需要我們進行數(shù)值計算。例如對于自由落體運動，我們需要進行深入分析，對于空氣中的自由落體運動，需要考慮到空氣阻力的影響。對于空氣阻力，實際上我們需要一個空氣阻力的公式，這時候我們可以查找一些資料，找到空氣阻力的經(jīng)驗公式。然后我們考慮重力和空氣阻力，應(yīng)用牛頓第二定律可以得到一個非線性偏微分方程。對于這一方程求解，實際上我們就可以得到下降距離和時間的公式。

3.3 編寫程序，數(shù)值計算

根據(jù)上一步的分析，我們得到的相關(guān)的方程或者公式。然后我們進行編程計算。數(shù)值計算和模擬程序一般運行在MATLAB軟件上，但是一方面正版MATLAB軟件較貴，另一方面MATLAB軟件有隨時斷供的風險。因此用其他語言進行數(shù)值計算更合適。Python作為一種免費、易學易用的高級程序設(shè)計語言，而且具有大量的第三方庫，非常適合用來做科學計算、數(shù)值模擬等工作。由于其學習成本極低，所以它也非常適合大學物理教學以及本科生使用。因此我們使用Python語言來進行數(shù)值計算以及開發(fā)適合大學物理教學的模擬程序。

3.4 分析討論

通過上一步的編程，我們可以對相關(guān)的物理量進行計算，得到計算結(jié)果之后，我們對結(jié)果畫出直觀的圖形。把理論結(jié)果和實際測量到的結(jié)果畫在同一張圖形中進行對比，然后讓學生分析結(jié)果。學生經(jīng)過這樣一系列的從觀察測量現(xiàn)象、構(gòu)建模型、數(shù)值計算和分析結(jié)果的完整流程，實際上相當于提前訓練和熟悉了真實的科研過程。

結(jié)語

隨著計算機時代的到來，計算機技術(shù)對大學物理的教學產(chǎn)生了深刻影響。將計算機技術(shù)應(yīng)用于大學物理教學中能使學生更直觀地認識物理現(xiàn)象，提高學生解決現(xiàn)實問題的能力，為學生將來進行科學研究和工程實踐打下堅實的基礎(chǔ)。計算機技術(shù)改變了傳統(tǒng)的教學方法和思路，能夠把抽象的物理概念和知識變得直觀、生動和有趣，進而達到最佳的教學效果。在大學物理課程的教學過程中引入計算機技術(shù)，既豐富和深化了計算機輔助大學物理教學的內(nèi)涵，又順應(yīng)了信息化技術(shù)和物理教學相結(jié)合的時代要求。我們首先討論了當前大學物理教學存在的問題，引出應(yīng)用計算機技術(shù)改造大學物理教學的緊迫性和重要性。之后簡要介紹計算機技術(shù)輔助大學物理教學的歷史和現(xiàn)狀。然后對計算機技術(shù)應(yīng)用于大學物理教學的實踐進行了簡要介紹。

參考文獻：

[1]陳鍾賢，編著.計算物理學[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，2001.

[2]周燕.模擬物理——物理學的第三大分支[J].重慶三峽學院學報，2004，20（6）：121-122.

[3]傅德榮，編著.CAI課件設(shè)計的原理與方法[M].北京：高等教育出版社，1996：28-32.

[4]秦克誠，陳海平.《微機輔助大學物理教學系列軟件》項目介紹.大學物理，1994（2）：6-8.

[5]國內(nèi)CAI軟件市場無限風光還看明朝[J].計算機世界報，1994（50）.

[6]王曉蒲，霍劍青，主編.大學物理仿真實驗2.0 for Windows用戶手冊.1999-6.

[7]李元杰，陳果.大學物理學[M].北京：高等教育出版社，2003.

[8]陳懷琛.MATLAB及其在理工課程中的應(yīng)用指南[M].西安：西安電子科技大學出版社，2004.

基金項目：河南牧業(yè)經(jīng)濟學院博士啟動基金項目（No：906/24030114）

作者簡介：郭小飛（1989—?），漢族，河南漯河人，博士，講師，從事大學物理教學和粒子物理研究;趙治杰（1985—?），漢族，河南開封人，碩士，助教，從事大學物理教學和粒子物理研究;常萬玲（1991—?），漢族，河南商丘人，博士，講師，從事大學物理教學和粒子物理研究。