計算模擬科研方法引入普通物理實驗教學的探討*

王恒通

（陜西師范大學 物理學與信息技術學院，陜西 西安 710119）

計算模擬科研方法引入普通物理實驗教學的探討*

王恒通

（陜西師范大學 物理學與信息技術學院，陜西 西安 710119）

普通物理實驗是大學理工科專業的基礎課程，也是學生進行系統的科學實驗技能和科學研究培訓的開端。結合普通物理實驗自身的特點，將前沿科學研究所用到的研究思想和方法引入到普通物理實驗課程教學是實驗課程改革發展的一個重要方向。計算模擬的科研方法已經滲透到自然科學和工程技術研究的各個領域，發揮著重要的作用。將計算模擬的科研方法引入到普通物理實驗教學對于培養學生創新精神、創造能力和提高學生科研素養有著十分重要的意義。

計算模擬;科研方法;實驗教學;普通物理實驗

普通物理實驗課程是大學理工科一門主要的必修基礎課程之一，是學生進入大學后進行系統的實驗方法、實驗技能、實驗數據處理能力和基本科研訓練的開端，也是后續的其他實驗課程的基礎[1]。普通物理實驗課程的主要任務是使學生在物理研究的基本方法和基本實驗技能等方面受到較為系統的訓練，提高學生分析問題、解決問題以及理論聯系的能力。隨著科學技術的發展，新的教學理念和教學模式融入傳統實驗教學是當前所有實驗教學改革和發展的趨勢[2,3]。基于普通物理實驗課程的自身特點，結合當前實驗課程中面臨的問題，探討將計算模擬的科研方法引入普通物理實驗教學提高教學效果的方法和優勢。

1 普通物理實驗教學面臨的問題

普通物理實驗課程是數學、物理、化學、醫學以及工程技術等學科低年級學生必修的專業基礎課程之一。傳統上，實驗課程的教學環節一般包括以下幾個方面：

1）學生課前對實驗內容進行預習，整理預習報告；

2）課堂上教師依照實驗講義對相應的實驗原理、實驗內容進行講解；

3）教師對實驗操作、實驗注意事項等進行說明，并對本次實驗進行現場演示，并強調操作細節；

4）學生動手進行實驗操作，在實驗過程中遇到問題教師做進一步指導；

5）學生按照實驗講義要求對實驗數據進行整理、分析，并完成實驗報告[4-6]。這樣在實驗課堂上，學生僅僅是按照預設的實驗步驟，按部就班地重復實驗、獲取實驗數據進而對相關的物理規律和定理進行驗證。整個教學過程很顯然是教師占主導，學生并沒有對實驗結果的預言，以及在實驗環境或條件變化時對實驗結果的估計，只是盲目被動地、機械地重復實驗。另一方面，對于實驗數據處理的方法相對陳舊。在實際教學中，學生對數據處理也僅僅求出平均值和做簡單的誤差分析，并沒有對實驗誤差和實驗參數變化的定量討論。對于數據做圖一般采用傳統的坐標紙描點做圖法，方法也過于陳舊。

2 計算模擬科研方法

隨著科學技術的發展，借助高性能計算機，基于數學、物理、化學、生物的基本理論將復雜的自然現象進行抽象、建模、分析和預測，已經稱為當今自然科學前沿領域的重要研究方法[7]。這種計算模擬研究方法活躍在物理、化學、生物、材料、地理、生物制藥、航天科技等近乎所有的科學和技術領域，甚至金融、經濟和社會科學的相關建模分析也會涉及計算模擬的方法[8,9]。從二戰時期的“曼哈頓計劃”到當前的歐洲腦科學計劃、蛋白質等生物大分子模擬以及基于第一性原理材料化學模擬等重大科學研究，計算模擬都有著舉足輕重的作用。近年來在也

出現了大量優秀模擬軟件，并且在科學研究和技術革新中展示出了強大的優越性。基于模擬計算的重要性和優越性，國內外許多學者也開始在他們也在教學中利用計算模擬的方法將抽象的物理公式和物理過程通過計算機模擬再現[10]。這樣使得學生不僅形象化的理解物理概念和物理過程，也讓學生學會利用計算機進行科學計算和模擬物理現象，不僅提高了教學效果而且培養了學生的學習能力和科研能力。

3 模擬計算引入普通物理實驗課堂

基于“科學是實驗的科學，實驗是科學的實驗”的思想，國內外很多高校先后對實驗課程體系、實驗內容、教學方法和教學模式進行了深入的改革。另一方面，改革的趨勢也明顯的注重反映時代特點與時俱進、更加強調由科研轉化的教學內容、更加關注對學生的科研能力和科研素養的培養[11]。隨著計算機和計算方法的飛速發展,模擬計算已經成為當代自然科學各個領域前沿理論和實驗研究的重要工具。將模擬計算的科學研究方法引入普通物理實驗的課堂教學中，能夠充分體現“學習者為中心”教學理念，發揮學生的主觀能動性，提高教學效果。

首先，在預習實驗過程中學生利用模擬計算根據實驗原理來預計實驗結果，加深對本次實驗的理解。學生根據教師編寫的模擬計算程序可以在計算機上對本次實驗進行模擬，得到對本次實驗理論模擬的結果。另一方面，學生可以改變相關的實驗條件參數，對實驗中的一些環境或人為因素導致的實驗誤差和引起的實驗結果的變化進行估計。這樣學生不但對實驗有了宏觀的把握，而且在得到實驗數據后對其正確性有了清晰判斷標準，從中也知道了朝那個方向調節實驗參數來得到正確的實驗數據。例如，液體粘滯系數的測量實驗一般教學上采用落體球法。一方面，小球在粘度比較大的液體中的運動過程學生很難想象和理解；另一方面，小球在下落過程中勻速運動時間、小球下落收尾速度以及溫度對實驗的影響都比較難以掌握。學生在預習過程中可以根據模擬計算方法選擇可能的參數計算模擬小球在粘性液體中的運動，并能夠根據自己對實驗的理解設定參數范圍模擬出來實際試驗中小球的勻速運動時間、下落收尾速度，以及不同溫度下小球下落狀態差異。這樣在實驗課堂上，學生可以利用更多的時間熟悉實驗儀器、培養動手能力。通過模擬計算在預習中已經估算出實驗環境或條件變化時的實驗結果，從而可以準確操作實驗儀器完成實驗、獲取實驗數據。這樣可以讓學生掌握實驗而非按部就班，對實驗不畏懼而有興趣，提高學生積極主動性。

其次，在得到正確的實驗數據后，學生可以利用模擬計算方法對實驗結果做進一步的處理，得到規律性的結論，并且可以將實驗數據做成更直觀圖片和視頻圖像。例如，單擺測量重力加速度的實驗要求測量單擺周期T的值，按照數值統計次數做出直放圖對比觀察誤差是否符合正態分布規律。在實際實驗中，學生按照傳統教學要求實驗得到數據后通過手動計算描點畫圖。但是數據越少得到的結果會失真，而數據越多學生計算任務就越大。引入計算模擬方法后，學生根據教師提供的計算程序，可以盡可能多的測量數據，得到更真實的結果。另一方面，學生可以根據計算模擬來方法擬合數據、并在原有的程序上改變統計參數發揮自己的主觀能動性處理數據。

再次，對于實驗教學中的自主設計實驗，學生可以利用計算模擬設計合理的實驗條件,并對實驗結果進行預測，提高設計實驗成功率。一方面，通過模擬計算對設計實驗進行分析，判斷其設計實驗方案中所賦予條件和實驗參數是否合理，實驗結果是否能夠達到預期目的。另一方面，可以嘗試充分調動學生主動性和積極性，鼓勵學生大膽嘗試，發揮自己的想象力和創造力去設計實驗。這樣以來，學生更容易理解實驗課程、并對實驗課程感興趣，也發揮了學生的主觀能動性，進而提高課堂教學質量。

4 結束語

基于普通物理實驗的課程特點，探討了將當前科學前沿的模擬計算研究方法引入普通物理教學實踐。一方面，引入計算模擬方法便于學生整體把握實驗、有效的處理實驗數據和設計自主實驗，并且也可以提高學生解決實際問題的能力，更重要的一點也對廣大理學生將來的工作或科研進行了先前教育和訓練。另一方面，引入計算模擬方法有利于提高教學效果，而且更加重視學生的邏輯思維、學習能力和科研能力培養。

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陜西師范大學青年教師啟動項目(No：1110010579)；陜西師范大學教師教學模式創新與實踐研究專項基金。