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(shù)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(shè)“計算物理基礎(chǔ)”課程的目的、做法及實施情況.以Matlab為平臺,將計算機數(shù)值計算與模擬實驗引入普通物理教學中,促進Matlab的數(shù)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(yǎng)學生的科學計算能力,推進民族地區(qū)普通物理數(shù)字化教學改革.

普通物理;計算物理;Matlab;數(shù)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(fā)展,“計算物理”已經(jīng)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(jīng)普遍開設(shè)“計算物理”課程,使計算機成為物理課程的學習工具.國內(nèi)的計算物理教育也已經(jīng)開展起來.1999年“教育部物理學與天文學教學指導(dǎo)委員會專業(yè)物理與應(yīng)用物理教學指導(dǎo)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(chǔ)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(shè)“理論力學計算機模擬實驗”,創(chuàng)建了本科“計算物理基礎(chǔ)”課程[1].2004年“教育部物理學與天文學教學指導(dǎo)委員會”建議本科生開設(shè)“計算物理基礎(chǔ)”課程.

目前數(shù)字化浪潮正以磅礴之勢席卷全球,數(shù)字化技術(shù)在現(xiàn)代教育中的應(yīng)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(yè)學生必備的素質(zhì)之一,是教改的需要,是時代的要求.開設(shè)本科“計算物理基礎(chǔ)”課程,培養(yǎng)本科生的科學計算能力刻不容緩.

在普通物理學數(shù)字化教學改革中,我們主要致力于教學內(nèi)容和教學方法的現(xiàn)代化.主要目的之一,選擇合適的普通物理教學內(nèi)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(guī)律的理解,實現(xiàn)普通物理教學的數(shù)字化與可視化.其二,配合課程內(nèi)容,新設(shè)本科“計算物理基礎(chǔ)”(或稱“普通物理學計算機模擬實驗”),使數(shù)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(yǎng)其科學計算能力,激發(fā)其學習興趣.教學實踐表明此方案可行,已取得預(yù)期效果,推進了普通物理數(shù)字化與可視化教學改革,使西藏大學普通物理教學現(xiàn)代化又向前邁進了一大步.

2 新設(shè)本科“計算物理基礎(chǔ)”課程的原因和目的

西藏大學新設(shè)本科“計算物理基礎(chǔ)”課程,是源于深化普通物理課程教學現(xiàn)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(xiàn)代化的研究與實踐”課題組,從現(xiàn)代物理學高度和普通院校的教學實際出發(fā),全面革新了普通物理學的教學內(nèi)容、教學體系、教學方法和教學手段[2].在教學手段現(xiàn)代化方面,該課題組以Matlab為教學工具,將一些內(nèi)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(xiàn)了抽象、復(fù)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(fā)了學生的學習興趣.

可是一線的教學經(jīng)歷使我們發(fā)現(xiàn),西藏學生由于沒有機會得到科學計算方面的訓(xùn)練,直到畢業(yè)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(shù)值計算,甚至不會畫畢業(yè)論文中的插圖.這明顯滯后于當前國內(nèi)外物理教學數(shù)字化和可視化的發(fā)展趨勢,也說明西藏高校在培養(yǎng)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(diào)查,調(diào)查的結(jié)果綜述如下.

調(diào)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(xiàn)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(diào)查“使用計算機主要做什么”時,有45.2%的學生選“上網(wǎng)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(wǎng)查資料(含信息瀏覽)”,僅3.2%的學生選“學習”.在調(diào)查“使用計算機對你的物理學習產(chǎn)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(diào)查結(jié)果說明,開展普通物理學數(shù)字化教學的研究與實踐,培養(yǎng)學生的科學計算能力,推進普通物理學的數(shù)字化和可視化教學改革已經(jīng)成為當務(wù)之急.

當然,數(shù)字化的含義很廣泛,比如用 PPT講稿,利用網(wǎng)絡(luò)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(jié)果,直接利用網(wǎng)上現(xiàn)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(xiàn)這個目標,最好的辦法就是給本科生開設(shè)“計算物理基礎(chǔ)”課程.考慮到西藏學生的基礎(chǔ)知識方面的實際情況,針對西藏學生與內(nèi)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(shè)本科“計算物理基礎(chǔ)”課程,將計算物理引入到普通物理教學中,促進計算機技術(shù)與普通物理課程的整合.新設(shè)該課程的目標有三:一是對學生進行科學計算教育,培養(yǎng)學生用計算機進行學習和研究物理問題的能力;二是激發(fā)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(yīng)上,使學生對計算機有正確認識,知道用計算機不只是上網(wǎng)聊天、玩游戲,而是可以做很多科學研究工作.

3 新設(shè)本科“計算物理基礎(chǔ)”課程的可行性分析

3.1 硬件設(shè)施的配備情況

西藏大學校園網(wǎng)于1999年立項建設(shè),到2007年8月為止,累計投入3800多萬元,用于校園網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施和網(wǎng)上各類應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè),如數(shù)字化教學系統(tǒng)(覆蓋115間多媒體教室)、網(wǎng)絡(luò)教學平臺、數(shù)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(xiàn)代教育技術(shù)手段在教學中的應(yīng)用提供了環(huán)境支撐,很好地滿足了人才培養(yǎng)的需要.同時采取多種措施,改善機房環(huán)境,使之滿足《計算機機房建設(shè)規(guī)范》GB50174—93的要求,確保校園網(wǎng)安全穩(wěn)定運行.校園網(wǎng)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(xù)加大對校園網(wǎng)、多媒體教室及機房等的建設(shè)與管理投入,硬件環(huán)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(diào)查,調(diào)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(yù)計這一數(shù)據(jù)將逐年上升.這也是開設(shè)“計算物理基礎(chǔ)”課程的一個有利條件.

從西藏大學現(xiàn)階段計算機硬件條件的配備情況,校園網(wǎng)、數(shù)字化教學系統(tǒng)、學生用機房等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)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(shè)本科“計算物理基礎(chǔ)”課程、推進西藏普通物理數(shù)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(chǔ)”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(shè)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(jīng)驗,同時考慮到部分教師已具備用Matlab編程并應(yīng)用于物理教學的能力,選用簡單易學、方便實用的優(yōu)秀數(shù)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(nèi)部講義《Matlab在基礎(chǔ)物理學中的應(yīng)用》的基礎(chǔ)上,針對西藏大學學生基礎(chǔ)“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(chǔ)》)內(nèi)部講義,使之在滿足我們的基本教學需要的同時,還體現(xiàn)出少數(shù)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(yǎng)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(diào)查還顯示,現(xiàn)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(yīng)用技能”;9.7%的學生是“電腦愛好者,計算機應(yīng)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(shù)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(shù)量的學生期盼盡快開設(shè)該課程.西藏大學學生的計算機基礎(chǔ)和應(yīng)用水平,以及學生高昂的學習熱情,說明了現(xiàn)階段在西藏開設(shè)計算物理基礎(chǔ)課程,培養(yǎng)學生的科學計算能力是完全可行的.

4 本科“計算物理基礎(chǔ)”課程的具體實施情況

4.1 課程計劃和教學方案制訂

根據(jù)西藏大學學生的基礎(chǔ)以及學校的總體課程安排,合理設(shè)置“計算物理基礎(chǔ)”的課程計劃和教學方案,然后根據(jù)教學實踐情況以及教學后的問卷調(diào)查結(jié)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(shù)學軟件Matlab;二是激發(fā)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(yǎng)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(shù)值計算和動畫模擬等.

開課方式:專業(yè)必修課.可緊跟在“計算機文化基礎(chǔ)”和“C語言程序設(shè)計”(或其他語言的程序設(shè)計課)之后開設(shè),如未開設(shè)程序設(shè)計課,則可緊跟在“計算機文化基礎(chǔ)”之后開設(shè),只需加強“編程和程序設(shè)計”教學,涉及循環(huán)和數(shù)組即可.按西藏大學現(xiàn)行教學方案,應(yīng)開設(shè)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(gòu)成:平時50%,期末50%.

教學內(nèi)容[4～7]:計算物理學導(dǎo)論;Matlab的基本用法;使用Matlab學習普通物理的三個簡單例子;數(shù)據(jù)表示、運算符、表達式和函數(shù);矩陣與數(shù)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(yīng)用舉例.

教學重點:利用計算機解常微分方程和畫函數(shù)曲線.

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

4.2 實際教學過程介紹

以專業(yè)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(shè),教學課時24學時.授課教室選用配有教學互動系統(tǒng)的先進機房,既可以方便地實現(xiàn)教師授課和學生上機實驗之間的隨時切換,也可以實現(xiàn)教師對學生學習情況的隨時監(jiān)控,利于及時發(fā)現(xiàn)問題,給予學生有效指導(dǎo).由于學生的學習熱情高漲,協(xié)調(diào)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(dǎo)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(yōu)勢及其在物理學中的廣泛應(yīng)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(chǔ)知識,如“運算符和表達式”、“矩陣與數(shù)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(lǐng)域中的應(yīng)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(guān)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(dǎo)學生在原有示范程序的基礎(chǔ)上,做一點修改,進行自主探究式學習.這時大多數(shù)學生已掌握了Matlab基礎(chǔ)知識.進入第三階段的實踐學習后,繼續(xù)提高要求,一是讓學生在成功模仿課堂實例的基礎(chǔ)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(shù)值計算與模擬,進行探索性研究,培養(yǎng)學生的創(chuàng)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(shù)值計算和動畫模擬,寫小論文.該班有18.75%的學生的畢業(yè)論文應(yīng)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(chǔ)”課程教學后,還對該班學生進行了問卷調(diào)查,調(diào)查結(jié)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(diào)查結(jié)果見表1.

表1 學生對學習效果的評價

由上述數(shù)據(jù)可見,多數(shù)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(yǎng)有幫助,還可以做很多與物理相關(guān)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(shè)計困難(該班學生沒有學過程序設(shè)計課),但總的學習效果還是超過了預(yù)期,該課程的三個目標已基本實現(xiàn).

2)學生對課程的評價

學生對課程的評價的調(diào)查結(jié)果見表2.

表2 學生對課程的評價

由上述數(shù)據(jù)可見,絕大多數(shù)學生認識到了計算物理的重要性,新設(shè)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(jù)以上的調(diào)查結(jié)果來修訂西藏大學《計算物理基礎(chǔ)》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(shù)字化教學改革.

5 總結(jié)與思考

西藏大學普通物理數(shù)字化教學改革實現(xiàn)了預(yù)期目標,不僅促進了教學內(nèi)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(fā)展的今天,學生不能僅限于沿用傳統(tǒng)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(shè),讓學生及早進入物理學的一個新領(lǐng)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(chǔ).從這個角度來說,在民族地方高校進行數(shù)字化教學改革是非常有意義的.

在數(shù)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(jié)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(guī)律有更深層次的理解.我們相信,西藏大學在普通物理數(shù)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(zhì)的“計算物理基礎(chǔ)”教材的出版.

[1] 管靖等.理論力學教學現(xiàn)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(yè)普通物理學課程教學現(xiàn)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(jīng)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(yīng)用[M].北京:機械工業(yè)出版社,2008

[7] 李元杰.數(shù)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(shù)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.