基于計(jì)算機(jī)專業(yè)的大學(xué)物理仿真教學(xué)研究

倪程鵬

摘 要：隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和科學(xué)計(jì)算方法的高速發(fā)展，計(jì)算機(jī)模擬已經(jīng)成為物理研究與教學(xué)中除理論分析和實(shí)驗(yàn)之外的第三種研究手段。對于計(jì)算機(jī)專業(yè)的大學(xué)物理課程而言，仿真教學(xué)既可以成為一種教學(xué)內(nèi)容，也可以作為一種教學(xué)手段。教學(xué)實(shí)踐表明，在課堂中采用仿真教學(xué)能有效增強(qiáng)計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)和提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。將計(jì)算機(jī)編程和物理實(shí)際問題有機(jī)結(jié)合，既能培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力，又能提高學(xué)生學(xué)習(xí)物理課程和學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)課程的積極性，促進(jìn)改革現(xiàn)有的以傳授知識為主線的課程體系，轉(zhuǎn)變以教師為中心的課堂教學(xué)模式。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)；大學(xué)物理；模擬仿真；理論教學(xué)

一、前言

在大學(xué)物理課堂教學(xué)中，計(jì)算機(jī)可以快速完成常規(guī)的計(jì)算并仿真模擬物理過程，強(qiáng)化教學(xué)效果，對培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、科學(xué)思維能力、探索發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)新精神等能起到積極的作用[1]。

計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)是一門基于計(jì)算機(jī)建立的系統(tǒng)模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)研究的綜合性技術(shù)。20世紀(jì)初，仿真技術(shù)就已得到初步應(yīng)用。20世紀(jì)40年代至50年代，航空航天和原子能技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。20世紀(jì)60年代之后計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，為仿真實(shí)驗(yàn)提供了先進(jìn)的平臺，加速了仿真技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用[2][3]。

隨著仿真技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)運(yùn)而生。20世紀(jì)90年代初，國內(nèi)部分高校和機(jī)構(gòu)開始著手于計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)的研發(fā)。其中由科大奧瑞首創(chuàng)開發(fā)的計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)，是國內(nèi)最具權(quán)威的大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，已在國內(nèi)外多所高校獲得應(yīng)用。仿真物理實(shí)驗(yàn)作為計(jì) 算機(jī)輔助物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一個(gè)發(fā)展方向，已經(jīng)成為了大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的一個(gè)新亮點(diǎn)。

二、仿真教學(xué)的研究

大學(xué)物理的理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)同等重要。對于計(jì)算機(jī)專業(yè)的大學(xué)物理課程而言，仿真教學(xué)既可以成為教學(xué)內(nèi)容也可以作為一種教學(xué)手段。仿真教學(xué)是利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，實(shí)現(xiàn)大學(xué)物理課程知識和計(jì)算機(jī)專業(yè)能力并重培養(yǎng)的過程。這樣，仿真教學(xué)拓寬了大學(xué)物理教學(xué)內(nèi)容，把以教授知識為主的課堂教學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)榻淌谥R和能力培養(yǎng)并重的課堂教學(xué)。

筆者結(jié)合近兩年在安徽信息工程學(xué)院（原安徽工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院）計(jì)算機(jī)專業(yè)的大學(xué)物理教學(xué)實(shí)踐，總結(jié)其中存在的以下問題，也是促使課堂進(jìn)一步實(shí)行仿真教學(xué)的原因。

（1）學(xué)生理科基礎(chǔ)薄弱。在工科專業(yè)中，計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生的知識基礎(chǔ)相對較差，尤其是對數(shù)學(xué)、物理等理科基礎(chǔ)知識的掌握。仿真教學(xué)基于軟件平臺，其中核心的算法需要一定的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。而算法需要的基礎(chǔ)知識是應(yīng)用層面的，比純粹的理論知識更容易接受，這也符合“通過做數(shù)學(xué)來學(xué)數(shù)學(xué)”的思想。因此，仿真教學(xué)反過來還可以鞏固和增強(qiáng)理科基礎(chǔ)知識的理解和應(yīng)用。

（2）學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)和學(xué)習(xí)興趣。大學(xué)物理作為高校理工科專業(yè)基礎(chǔ)課程，其重要性可見一斑。學(xué)生對基礎(chǔ)課程的認(rèn)識不足，直接導(dǎo)致學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)降低。仿真教學(xué)作為一種教學(xué)手段，既體現(xiàn)了大學(xué)物理的實(shí)用性，也加強(qiáng)了計(jì)算機(jī)專業(yè)實(shí)踐，能有效發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，增強(qiáng)學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)和提高學(xué)習(xí)興趣。教學(xué)內(nèi)容、方法和考核方式也會(huì)影響學(xué)生學(xué)習(xí)的動(dòng)機(jī)和興趣。

（3）教學(xué)內(nèi)容陳舊。大學(xué)物理的基本內(nèi)容是幾十年甚至幾百年前就建立起來的，課本中研究的更是簡化了的、能用解析方法求解的典型問題。而實(shí)際問題是復(fù)雜的，且隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類對問題的認(rèn)識也會(huì)發(fā)生改變。仿真教學(xué)具有交互性，可以開拓教學(xué)內(nèi)容。因?yàn)槲锢矸抡鎸ο髞碓从趯?shí)際，需要學(xué)生去生活中尋找和探究對應(yīng)應(yīng)用，然后結(jié)合大學(xué)物理理論知識進(jìn)行模擬仿真，達(dá)到深化教學(xué)內(nèi)容的目的。由于仿真需要一定計(jì)算機(jī)專業(yè)知識，這樣仿真教學(xué)也側(cè)面增強(qiáng)了專業(yè)知識的運(yùn)用。

（4）教學(xué)方法傳統(tǒng)、考核評價(jià)方式單一。在教學(xué)中，筆者所在學(xué)校的大學(xué)物理依舊采用傳統(tǒng)的教學(xué)方法，即教師的單方面講授。即便采用了多媒體輔助教學(xué)手段，也僅僅停留在展示物理模型或過程的階段。一方面是由于大班教學(xué)的限制；另一方面，由于課時(shí)數(shù)量的縮減，使得講授成為一種高效傳授知識的方式。但這種教學(xué)方法效果不理想，課堂上普遍出現(xiàn)學(xué)生睡覺和玩手機(jī)的現(xiàn)象。針對計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生采取的課堂仿真教學(xué)，需要學(xué)生及時(shí)參與，結(jié)合一定的專業(yè)基礎(chǔ)理解和應(yīng)用物理知識。仿真教學(xué)要求教師布置電子作業(yè)，需要學(xué)生投入更多課后時(shí)間去實(shí)踐，且由于作業(yè)加強(qiáng)了與專業(yè)課程知識的聯(lián)系，這樣就簡化了作業(yè)的操作性，但提高了作業(yè)的挑戰(zhàn)性、趣味性和創(chuàng)造性。

由于實(shí)際物理問題的復(fù)雜性，許多問題都要用到精確的數(shù)學(xué)計(jì)算。仿真教學(xué)充分利用了計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大功能，豐富計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)的內(nèi)涵，使計(jì)算機(jī)不僅是教師的輔助教學(xué)工具，也是學(xué)生學(xué)習(xí)的工具和內(nèi)容。筆者在課堂仿真教學(xué)上還參考了美國大學(xué)的多種教學(xué)方法。因?yàn)檎n堂教學(xué)不是一言堂，而是多言堂；不是單向灌輸，而是雙向甚至多向互動(dòng)；不是單調(diào)、乏味的，而是生動(dòng)、活潑，充滿生機(jī)活力的[4][5][6]。

三、仿真教學(xué)的改進(jìn)措施

傳統(tǒng)大學(xué)物理的考核方式比較單一，針對計(jì)算機(jī)專業(yè)實(shí)施的仿真教學(xué)，筆者在考核方式上也進(jìn)行了一系列改革。

傳統(tǒng)的大學(xué)物理教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和考核評價(jià)形式均存在一定問題，對于計(jì)算機(jī)這種工科專業(yè)，學(xué)生會(huì)很難從大學(xué)物理這門基礎(chǔ)課程中受益，那么大學(xué)物理打基礎(chǔ)、搭橋梁的重要功能也就得不到體現(xiàn)。因此必須通過教學(xué)改革來改善這種局面，結(jié)合計(jì)算機(jī)專業(yè)特點(diǎn)進(jìn)行的大學(xué)物理課堂仿真教學(xué)是一種有效嘗試。

1.仿真教學(xué)軟件

仿真教學(xué)基于軟件，以下是在大學(xué)物理課堂仿真教學(xué)中使用到的軟件。

（1）Flash。Flash是由Macromedia公司推出的交互式矢量圖和Web 動(dòng)畫的標(biāo)準(zhǔn)，廣泛應(yīng)用于創(chuàng)建應(yīng)用程序，可以包含視頻、聲音、圖形和動(dòng)畫。課堂教學(xué)中可使用Flash來創(chuàng)建多媒體課件中的動(dòng)畫、視頻內(nèi)容，也可以通過添加圖片、聲音、視頻和特殊效果，單獨(dú)構(gòu)建Flash應(yīng)用程序。在仿真教學(xué)中，F(xiàn)lash可以用來制作精美的動(dòng)畫，添加到課件中，可形象模擬物理現(xiàn)象和過程[7]。

（2）Java。Java是一種面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)語言，具有通用性、高效性、平臺移植性和安全性等特點(diǎn)。目前，很多國家和機(jī)構(gòu)都建立了基于Java技術(shù)的仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。如美國俄勒岡大學(xué)物理系主辦的物理仿真實(shí)驗(yàn)網(wǎng)站和科羅拉多大學(xué)波德分校（University of Colorado Boulder）創(chuàng)辦的PhET網(wǎng)站，網(wǎng)站中的仿真項(xiàng)目均是基于Java語言編寫的。國內(nèi)的華中科技大學(xué)李元杰教授組織構(gòu)建的DTP（digital teaching of physics）也是基于Java語言的（如圖1所示）。

相對于Flash，Java開發(fā)更具交互性。對于計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生，Java更是一門需要學(xué)習(xí)和運(yùn)用的語言。

（3）MATLAB。MATLAB是MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。MATLAB的處理單元是矩陣，比用C、FORTRAN等語言完成相同的事情更簡便。Simulink提供了一個(gè)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無需編寫大量程序，只需通過簡單的鼠標(biāo)操作，即可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。比如在演示振動(dòng)和波動(dòng)的疊加時(shí)，用Simulink演示就比較直接方便。

Flash可以制作出精美的動(dòng)畫，而MATLAB也有多種方式實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫效果[8]。因此，在仿真教學(xué)中，MATLAB不僅可以進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，也可以進(jìn)行可視化模擬仿真（如圖2所示）。

（4）VRML。VRML即虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言，可用于建立動(dòng)態(tài)的虛擬世界。目前，國內(nèi)有高校成功開發(fā)了基于VRML技術(shù)的三維仿真實(shí)驗(yàn)中心。比如，華中科技大學(xué)開發(fā)的液壓元件裝拆實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以在仿真的環(huán)境中認(rèn)識和操作各零部件。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為第二代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的重要基礎(chǔ)，已經(jīng)引起越來越廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。比如，當(dāng)前火熱的VR（虛擬現(xiàn)實(shí)）和AR（增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)），對于計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生，接觸并了解這類技術(shù)對專業(yè)學(xué)習(xí)是有益處的。

以上是大學(xué)物理仿真教學(xué)中可以運(yùn)用和接觸了解的軟件，其他專業(yè)學(xué)科類的仿真軟件暫未涉及。

2.仿真教學(xué)內(nèi)容

大學(xué)物理理論教學(xué)內(nèi)容較多，但教學(xué)課時(shí)是有限的（筆者所在學(xué)院一學(xué)年安排96課時(shí)）。作為專業(yè)基礎(chǔ)課，大學(xué)物理還必須為后續(xù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)，因此仿真教學(xué)內(nèi)容必須是精簡的、與專業(yè)緊密相關(guān)的內(nèi)容。

物理研究的對象是物質(zhì)（包括能量和場），因此仿真教學(xué)的內(nèi)容也是客觀的物質(zhì)。物理中關(guān)于物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的規(guī)律是經(jīng)過抽象概括的，主要通過模型來描述。物理模型可以分為心理模型和概念模型。心理模型是學(xué)生腦海中建立的關(guān)于物理現(xiàn)象認(rèn)識的模型，而概念模型是建立在物理概念之上的模型。學(xué)生的學(xué)習(xí)就是不斷克服和打破心理模型，接受概念模型的過程。而大學(xué)物理仿真教學(xué)的主要內(nèi)容就是基本物理概念模型的仿真。

在仿真教學(xué)中，筆者把物理模型分為：運(yùn)動(dòng)類、能量類、振動(dòng)類、波動(dòng)類、熱學(xué)類、電磁場類和光學(xué)類等。根據(jù)仿真教學(xué)要求編制的教學(xué)大綱包含了具體的仿真教學(xué)模型和實(shí)現(xiàn)方式。

3.仿真教學(xué)實(shí)施

課堂仿真教學(xué)的實(shí)施，需要學(xué)生和教師雙方的參與。教學(xué)中，教師和學(xué)生均會(huì)面臨一些新的困難和挑戰(zhàn)，包括假設(shè)生成、模型設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)解釋以及對發(fā)現(xiàn)過程的自我監(jiān)控等。因此，仿真教學(xué)需要建立有效的反饋機(jī)制，包括仿真教學(xué)在內(nèi)容選擇以及過程設(shè)計(jì)上應(yīng)該針對學(xué)習(xí)者的困難提供相應(yīng)的學(xué)習(xí)支持，只有這樣才能真正發(fā)揮計(jì)算機(jī)模擬在學(xué)習(xí)中的優(yōu)勢。

仿真教學(xué)的教學(xué)效果還需要建立評價(jià)機(jī)制，包括學(xué)生對教師的評價(jià)和教師對學(xué)生的評價(jià)。課程評價(jià)“本質(zhì)上是一個(gè)確定課程與教學(xué)計(jì)劃實(shí)際達(dá)到教育目標(biāo)的程度的過程”，是貫穿于課程實(shí)施全程并推進(jìn)課程進(jìn)展的內(nèi)在動(dòng)力， 也是連接課程目標(biāo)與課程實(shí)施的橋梁。教師應(yīng)根據(jù)教學(xué)評價(jià)結(jié)果，及時(shí)反復(fù)修改教學(xué)大綱，達(dá)到教學(xué)目的。

4.教學(xué)評價(jià)

教學(xué)的中心是學(xué)生，因此需要學(xué)生參與到教學(xué)評價(jià)中來。從學(xué)生角度，學(xué)生需要知道自己是否達(dá)到了學(xué)習(xí)的要求以及是否需要改進(jìn)學(xué)習(xí)方法。因此需要教師對教學(xué)中學(xué)生學(xué)習(xí)情況進(jìn)行評估，除了學(xué)校教務(wù)系統(tǒng)必須完成的學(xué)生對教師的評測以及平時(shí)的面談等形式外，還可以通過以下形式完成對仿真教學(xué)的評估。

（1）調(diào)查形式。調(diào)查是一種直接有效的檢驗(yàn)學(xué)習(xí)效果的形式。包括：物理期望調(diào)查，對物理科學(xué)的認(rèn)識信心的調(diào)查，科學(xué)觀點(diǎn)的調(diào)查以及其他內(nèi)容調(diào)查。

（2）反饋形式。首先是組長收集組內(nèi)成員（大約十名）對教師的測評表（結(jié)合由筆者制訂的教學(xué)目標(biāo)），經(jīng)過整理分析后，交給學(xué)習(xí)委員；其次是學(xué)習(xí)委員結(jié)合組長平時(shí)的表現(xiàn)，給組長收集的信息打可信度系數(shù)；最后把有系數(shù)的測評表交到筆者手里，完成學(xué)期反饋評估。

（3）作業(yè)形式。作業(yè)包括紙質(zhì)作業(yè)和電子作業(yè)，且安排了分組。紙質(zhì)作業(yè)主要是對課本習(xí)題的思考，對于有一定難度的習(xí)題，要求學(xué)生寫上自己對課堂仿真的思考、疑問或者對老師上課的意見等。電子作業(yè)是要求組內(nèi)完成課堂上某個(gè)仿真程序的編寫和運(yùn)行，其中均包含對仿真教學(xué)的反饋。

（4）報(bào)告形式。在每一學(xué)期教學(xué)中，安排PPT報(bào)告。根據(jù)課堂上的仿真教學(xué)，結(jié)合課本未講述的內(nèi)容制作PPT并進(jìn)行報(bào)告。報(bào)告要求分工合作， 其中包含對課堂仿真教學(xué)和教師的評價(jià)。

根據(jù)以上教學(xué)評估結(jié)果，對學(xué)生和教師學(xué)期表現(xiàn)進(jìn)行綜合評價(jià)。

筆者針對計(jì)算機(jī)專業(yè)理科基礎(chǔ)薄弱、物理學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)和興趣的缺乏、教學(xué)和考核方式單一、教學(xué)內(nèi)容陳舊、理論與實(shí)踐脫節(jié)等問題，在大學(xué)物理課堂教學(xué)實(shí)施了仿真教學(xué)，同時(shí)改革了教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式和評價(jià)機(jī)制等。教學(xué)實(shí)踐表明，仿真教學(xué)精簡了大學(xué)物理理論知識內(nèi)容，減輕了學(xué)生學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)；增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的動(dòng)機(jī)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，參與課堂教學(xué)；加強(qiáng)了與專業(yè)的關(guān)聯(lián)性， 提高了學(xué)生的專業(yè)實(shí)踐能力。此教學(xué)研究將大學(xué)物理理論知識與計(jì)算機(jī)專業(yè)應(yīng)相結(jié)合，強(qiáng)調(diào)了學(xué)科的實(shí)用性，推進(jìn)應(yīng)用型本科高校的改革。

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