民族地方高校普通物理数字化教学探索与实践＊

杨晓荣

(西藏大学理学院,西藏 拉萨 850000)

民族地方高校普通物理数字化教学探索与实践＊

杨晓荣

(西藏大学理学院,西藏 拉萨 850000)

本文以西藏大学为例,探索在民族地方高校新设“计算物理基础”课程的目的、做法及实施情况.以Matlab为平台,将计算机数值计算与模拟实验引入普通物理教学中,促进Matlab的数值计算及模拟功能与普通物理课程教学的整合,对学生进行科学计算教育,培养学生的科学计算能力,推进民族地区普通物理数字化教学改革.

普通物理;计算物理;Matlab;数字化

1 引言

随着计算机的日益普及和科学计算方法的飞速发展,“计算物理”已经和“理论物理”、“实验物理”并列为物理学的三大支柱.在国外,早在20世纪80年代末就已经普遍开设“计算物理”课程,使计算机成为物理课程的学习工具.国内的计算物理教育也已经开展起来.1999年“教育部物理学与天文学教学指导委员会专业物理与应用物理教学指导组”在第三次工作会议纪要中明确指定“计算物理”为研究生的7门基础课之一.2001年北京师范大学物理系在对其二年级本科生(1999级)上理论力学课的同时,开设“理论力学计算机模拟实验”,创建了本科“计算物理基础”课程[1].2004年“教育部物理学与天文学教学指导委员会”建议本科生开设“计算物理基础”课程.

目前数字化浪潮正以磅礴之势席卷全球,数字化技术在现代教育中的应用也日益广泛.将计算物理引入到本科物理教学中,对本科生进行科学计算教育已迫在眉睫.科学计算能力是物理系学生以及其他理工科非物理专业学生必备的素质之一,是教改的需要,是时代的要求.开设本科“计算物理基础”课程,培养本科生的科学计算能力刻不容缓.

在普通物理学数字化教学改革中,我们主要致力于教学内容和教学方法的现代化.主要目的之一,选择合适的普通物理教学内容用计算机模拟,并通过与真实物理图像(如实验图片)的对比,加深学生对抽象物理概念和物理规律的理解,实现普通物理教学的数字化与可视化.其二,配合课程内容,新设本科“计算物理基础”(或称“普通物理学计算机模拟实验”),使数学软件Matlab除了是教师的教学工具之外,还成为学生的学习工具,让学生通过自主探究式学习掌握利用计算机学习和研究物理问题的方法,以培养其科学计算能力,激发其学习兴趣.教学实践表明此方案可行,已取得预期效果,推进了普通物理数字化与可视化教学改革,使西藏大学普通物理教学现代化又向前迈进了一大步.

2 新设本科“计算物理基础”课程的原因和目的

西藏大学新设本科“计算物理基础”课程,是源于深化普通物理课程教学现代化改革的考虑.2005.8—2007.4,西藏大学教学研究与改革项目——“西藏大学普通物理课程教学现代化的研究与实践”课题组,从现代物理学高度和普通院校的教学实际出发,全面革新了普通物理学的教学内容、教学体系、教学方法和教学手段[2].在教学手段现代化方面,该课题组以Matlab为教学工具,将一些内容制作成图片或动画置于多媒体课件之中,真实直观、形象生动地展现了抽象、复杂的物理过程,学生易于理解,有效解决了藏族学生的语言障碍问题,激发了学生的学习兴趣.

可是一线的教学经历使我们发现,西藏学生由于没有机会得到科学计算方面的训练,直到毕业也不具备用计算机处理物理问题的能力,他们不知道如何去完成学习中的一些简单数值计算,甚至不会画毕业论文中的插图.这明显滞后于当前国内外物理教学数字化和可视化的发展趋势,也说明西藏高校在培养学生科学计算能力方面做得还不够,西藏学生的科学计算能力有待加强.之后,我们对西藏大学物理系大四学生(2005级)“利用计算机学习物理的状况”进行了问卷调查,调查的结果综述如下.

调查显示,对于计算物理的概念,38.7%的学生“一点也不懂”,58.1%的学生“了解一点”,仅3.2%的学生“清楚知道”.对于利用计算机现在可以做的主要工作,87.1%的学生“会做简单的文字处理”,9.7%的学生“会制作 PPT多媒体课件”,仅3.2%的学生“会用计算机处理简单的物理问题”.在调查“使用计算机主要做什么”时,有45.2%的学生选“上网聊天”,25.8%的学生选“玩游戏(听音乐、看电影等娱乐活动)”,22.6%的学生选“上网查资料(含信息浏览)”,仅3.2%的学生选“学习”.在调查“使用计算机对你的物理学习产生的主要影响”时,有35.2%的学生选“没体会或不清楚”.这样的调查结果说明,开展普通物理学数字化教学的研究与实践,培养学生的科学计算能力,推进普通物理学的数字化和可视化教学改革已经成为当务之急.

当然,数字化的含义很广泛,比如用 PPT讲稿,利用网络获得的材料(图片、视频等),把一些演示实验拍成图片或视频,利用计算机模拟的结果,直接利用网上现成的教学资源等.其中,课堂上直接做计算机模拟就是“高级”的了,让学生亲自做计算机模拟就“更高级”了,这也是我们所期望的.要实现这个目标,最好的办法就是给本科生开设“计算物理基础”课程.考虑到西藏学生的基础知识方面的实际情况,针对西藏学生与内地学生有不同的特点,将计算物理这一课程定位在普通物理的层次上.于是,2008年年初我们建议在西藏大学新设本科“计算物理基础”课程,将计算物理引入到普通物理教学中,促进计算机技术与普通物理课程的整合.新设该课程的目标有三:一是对学生进行科学计算教育,培养学生用计算机进行学习和研究物理问题的能力;二是激发学生学习物理的兴趣,加深学生对物理问题的理解;三是在人文效应上,使学生对计算机有正确认识,知道用计算机不只是上网聊天、玩游戏,而是可以做很多科学研究工作.

3 新设本科“计算物理基础”课程的可行性分析

3.1 硬件设施的配备情况

西藏大学校园网于1999年立项建设,到2007年8月为止,累计投入3800多万元,用于校园网基础设施和网上各类应用系统建设,如数字化教学系统(覆盖115间多媒体教室)、网络教学平台、数字图书馆等;多媒体教室和语音教室座位有8854座,百名学生配多媒体教室和语音教室座位95座;教学用计算机1984台,百名学生配教学用计算机21台,为现代教育技术手段在教学中的应用提供了环境支撑,很好地满足了人才培养的需要.同时采取多种措施,改善机房环境,使之满足《计算机机房建设规范》GB50174—93的要求,确保校园网安全稳定运行.校园网的建成和使用,使西藏大学搭上了“信息高速公路”快车[3].近两年西藏大学继续加大对校园网、多媒体教室及机房等的建设与管理投入,硬件环境得到进一步改善.

我们对学生自己拥有电脑的情况也做过调查,调查显示,16.1%的学生有自己的电脑,25.8%的学生没有但正打算买,随着国民收入的提高,预计这一数据将逐年上升.这也是开设“计算物理基础”课程的一个有利条件.

从西藏大学现阶段计算机硬件条件的配备情况,校园网、数字化教学系统、学生用机房等基础设施的建设与运行情况以及学生自己拥有电脑的情况看,在西藏大学新设本科“计算物理基础”课程、推进西藏普通物理数字化教学改革是完全可行的.

3.2 “软件”条件的具备情况

我们“计算物理基础”课程的定位是“使学生会用计算机来学习和研究普通物理问题”,不希望学生在学习过程中花费过多的时间和精力用于算法和程序设计.为了不增加学生的负担,我们借鉴了北京师范大学物理系的经验,同时考虑到部分教师已具备用Matlab编程并应用于物理教学的能力,选用简单易学、方便实用的优秀数学软件Matlab作为学生的编程工具.由于目前较合适的本科“计算物理”教材还未看到,我们在北京师范大学内部讲义《Matlab在基础物理学中的应用》的基础上,针对西藏大学学生基础“参差不齐、相差悬殊,且相对普遍较差”的特点,编写了《普通物理学计算机模拟实验》(或称《计算物理基础》)内部讲义,使之在满足我们的基本教学需要的同时,还体现出少数民族地方高校的特色.

我们的目标是使Matlab成为学生的学习工具,培养学生的科学计算能力,因此“软件”中最重要的因素是学生.前述提及的调查还显示,现阶段西藏大学物理系大四学生中有71.0%的学生“会基本操作,Windows和Office等软件都会使用”;16.1%的学生“比较了解,还会更多的应用技能”;9.7%的学生是“电脑爱好者,计算机应用水平较高”;仅3.2%的学生“基本操作还没掌握”.对学生访谈显示,尽管大多数学生对计算物理不怎么了解,但这丝毫不影响他们对该课程的渴望,还是有相当数量的学生期盼尽快开设该课程.西藏大学学生的计算机基础和应用水平,以及学生高昂的学习热情,说明了现阶段在西藏开设计算物理基础课程,培养学生的科学计算能力是完全可行的.

4 本科“计算物理基础”课程的具体实施情况

4.1 课程计划和教学方案制订

根据西藏大学学生的基础以及学校的总体课程安排,合理设置“计算物理基础”的课程计划和教学方案,然后根据教学实践情况以及教学后的问卷调查结果,再做多次修改和完善.

教学目标:一是使学生了解计算物理和数学软件Matlab;二是激发学生的学习兴趣,加深学生对普通物理问题的理解,使学生对计算机有正确认识,知道用计算机可以做很多科学研究工作;三是培养学生的科学计算能力,使学生能够借助Matlab用计算机处理简单的普通物理问题,如画图、数值计算和动画模拟等.

开课方式:专业必修课.可紧跟在“计算机文化基础”和“C语言程序设计”(或其他语言的程序设计课)之后开设,如未开设程序设计课,则可紧跟在“计算机文化基础”之后开设,只需加强“编程和程序设计”教学,涉及循环和数组即可.按西藏大学现行教学方案,应开设在大三第二学期.

学时安排:每周3学时,其中1学时教师授课,2小时学生上机,总计3×18=54学时.

考核方式:开卷,每人用给定题目编一个程序.

成绩构成:平时50%,期末50%.

教学内容[4～7]:计算物理学导论;Matlab的基本用法;使用Matlab学习普通物理的三个简单例子;数据表示、运算符、表达式和函数;矩阵与数组;流程控制与编程;普通物理学中常用的几种计算(解方程;差分、梯度、积分;解常微分方程);作图和动画;Matlab在力学、热学、电磁学、光学和量子物理学中的应用举例.

教学重点:利用计算机解常微分方程和画函数曲线.

教学难点:非线性常微分方程的求解;量子物理的数值计算与模拟.课程会涉及这两个方面的内容,但不作要求,仅要求学生掌握线性常微分方程和经典物理的数值计算.

4.2 实际教学过程介绍

以专业选修课作为尝试,先给西藏大学物理系2005级物理学班在大四第二学期开设,教学课时24学时.授课教室选用配有教学互动系统的先进机房,既可以方便地实现教师授课和学生上机实验之间的随时切换,也可以实现教师对学生学习情况的随时监控,利于及时发现问题,给予学生有效指导.由于学生的学习热情高涨,协调各方面后,延长至36学时.在教学中首先用6学时(包含学生上机)讲“导论”、“Matlab的基本用法”和“三个简单的例子”,使学生了解计算物理及其重要性和实用性,以及Matlab的强大功能、编程优势及其在物理学中的广泛应用,从而乐于学习该课程.再用12学时(包含学生上机)讲普通物理学中要用到的Matlab基础知识,如“运算符和表达式”、“矩阵与数组”、“编程”、“几种常用计算”和“作图和动画”等.然后用18学时(包含学生上机)分别讲 Matlab在普通物理学各分支领域中的应用.

针对学生的实际情况,起初教学的起点和要求都较低,仅要求学生能模仿完成课堂上给的三个例子.学生品尝到了成功的喜悦,学习积极性与主动性很高,有部分学生自己购买了相关参考书进行自学.进入第二阶段的学习后,逐渐提高教学要求,指导学生在原有示范程序的基础上,做一点修改,进行自主探究式学习.这时大多数学生已掌握了Matlab基础知识.进入第三阶段的实践学习后,继续提高要求,一是让学生在成功模仿课堂实例的基础上做改动,对物理问题做更深入的研究;二是给学生适量的较容易的实验课题,让学生自己尝试编程,完成计算;三是鼓励学生自己寻找合适的普通物理问题来做数值计算与模拟,进行探索性研究,培养学生的创新精神.学生的积极性和主动性进一步提高,学习兴趣更加浓厚,有部分学生立即尝试用Matlab研究简单的物理问题,包括画图、数值计算和动画模拟,写小论文.该班有18.75%的学生的毕业论文应用了Matlab.

4.3 教学效果评价

为了更有说服力,除采用教学观察、个别访谈和课程考核等方法之外,在“计算物理基础”课程教学后,还对该班学生进行了问卷调查,调查结果如下.

1)学生对学习效果的评价

学生对于学习效果的评价的调查结果见表1.

表1 学生对学习效果的评价

由上述数据可见,多数学生对该课程感兴趣,学习收获较大,会用计算机学习和研究简单的物理问题,认为使用计算机对理解物理知识和能力培养有帮助,还可以做很多与物理相关的科研工作.在学习过程中,尽管学生有较大的编程与程序设计困难(该班学生没有学过程序设计课),但总的学习效果还是超过了预期,该课程的三个目标已基本实现.

2)学生对课程的评价

学生对课程的评价的调查结果见表2.

表2 学生对课程的评价

由上述数据可见,绝大多数学生认识到了计算物理的重要性,新设该课程得到了学生的普遍欢迎,“课程计划和教学方案”以及自编讲义也得到了学生的基本肯定.

我们会根据以上的调查结果来修订西藏大学《计算物理基础》的“课程计划和教学方案”,修改与完善自编的讲义,进一步深化西藏大学数字化教学改革.

5 总结与思考

西藏大学普通物理数字化教学改革实现了预期目标,不仅促进了教学内容的更新,还促进了教学理念和教学方法的更新.在科技迅猛发展的今天,学生不能仅限于沿用传统的学习方法,还必须会用计算机的计算与模拟功能来学习物理.这门课程的开设,让学生及早进入物理学的一个新领域并掌握一种新的有效的学习方法和研究方法,不仅可以加深学生对普通物理问题的理解,也可以为其学习理论物理打下一个良好的基础.从这个角度来说,在民族地方高校进行数字化教学改革是非常有意义的.

在数字化教学实践中,针对计算机模拟的缺陷,将一些真实的演示实验拍成录像或图片,上课时结合使用,对比讲解计算机模拟实验和真实实验,使学生对物理概念和物理规律有更深层次的理解.我们相信,西藏大学在普通物理数字化教学改革中所作的探索,会对其他地方民族高校的物理课程改革有一定的参考价值.

最后,我们认为,目前对于本科“计算物理”的课程,还很难说有比较合适的教材和参考书目,我们期盼简洁而具有普及性质的“计算物理基础”教材的出版.

[1] 管靖等.理论力学教学现代化——“理论力学计算机模拟实验”课程的探索[J].大学物理,2001,20(8):38

[2] 杨晓荣,管靖.非物理专业普通物理学课程教学现代化的探索与实践[J].西藏大学学报,2006,21(S1):63

[3] 西藏大学本科教学工作水平评估自评报告.2007,21,24～25

[4] 梁绍荣等.普通物理学·力学[M].第3版.北京:高等教育出版社,2005.370～402

[5] 管靖.大学物理(经典与近代物理简明教程)[M].北京:北京师范大学出版社,2009

[6] 钟季康,鲍鸿吉.大学物理习题计算机解法——Matlab编程应用[M].北京:机械工业出版社,2008

[7] 李元杰.数字物理教学典型案例[M].北京:高等教育出版社,2008

2009-11-09)

西藏大学教学研究与改革项目“普通物理学数字化教学的研究与实践”阶段性研究成果之一(编号:XZDX2008JG07).

杨晓荣(1972年出生),女,汉族,陕西咸阳人,西藏大学理学院副教授,硕士,主要从事物理教学与研究.