利用大學物理教學培養大學生的科學計算能力

陳修芳

【摘 要】大學物理是理工科學生的一門必修的基礎課，需要利用高等數學的知識來分析和解決大學物理中的實際問題，筆者將Mathematica引入到大學物理教學中，這樣既能能激發學生學習大學物理的興趣，又培養學生科學計算能力。

【關鍵詞】大學物理;科學計算;Mathematica

中國分類號： G642.41 文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）17-0079-001

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.17.038

大學物理內容多、跨度大、涵蓋面廣，具有很好的抽象性和定量性。這些特點使得大學物理非常適合培養學生的科學計算能力。教師在教學中可以利用Mathematica解決物理中的微分問題和積分問題;也可以利用Mathematica的繪圖功能把復雜物理公式甚至是無法用公式表示的規律直觀地展現出來，從而幫助學生深入理解其中的物理規律;還可以利用Mathematica仿真物理實驗，從而讓學生更好地理解物理實驗的原理和方法，總結實驗規律及其物理本質[1]。

1 在大學物理理論課上培養科學計算能力

在多媒體教學中引入Mathematica軟件可以更好地促進大學物理教學。教師給學生演示事先編寫的程序，這樣可以直觀地表達抽象的物理概念、理論和規律，有助于學生用直觀感知物理世界，能激發出學生的好奇心和求知欲[2]。結合Mathematica數值模擬演示，給學生介紹如何用數值方法分析和解決物理問題，而這些問題一般很難、有的甚至無法用解析的方法處理。在每個專題中，教師向學生傳授了理論分析、科學建模、編程運算及檢驗評價的科學方法并讓學練習了整個研究過程，從而培養學生科學研究的基本素質。

2 在大學物理實驗課上培養科學計算能力

在大學物理實驗室和實驗課上，教授學生用Mathematica模擬教材上的實驗現象，比如雙縫干涉，單縫衍射，光柵衍射等等;指導學生利用Mathematica進行仿真實驗，讓學生改變各種各樣的條件輸入計算機，然后觀察相應的物理現象的變化，從而總結各種物理規律。引導學生利用Mathematica在計算機上準確地處理物理實驗中得到的實驗數據，從通過解析或圖形等方式直觀地展示出來，這樣的數據處理方法在生產和科研上都很實用。

3 在大學物理選修課上培養科學計算能力

Mathematica在大學物理中的應用的選修課可以在大學的第三學期進行，課時可以按2：3的課堂教授和上機練習。首先介紹Mathematica基本用法，然后結合大學物理課程系統地介紹利用Mathematica軟件采用各種數值方法處理力學（如運動學的微分和積分問題）、熱學（如麥克斯韋速率分布率）、電磁學（如電偶極子、點電荷的電勢分布）、光學（如雙縫干涉、牛頓環。單縫衍射和光柵衍射）近代物理（如黑體輻射、一維無限深勢阱）及實驗數據處理（如光電效應）等方面的問題。通過上機練習，學生可以進一步地熟悉各種計算方法，老師也可以在上機時及時解決學生遇到的各類問題，同時啟發學生的各種解題思路，鼓勵學生如何選擇更簡潔高效的方法解決大學物理及實驗的各種問題。

4 利用課余時間培養科學計算能力

大學物理課時較少，在課堂上進行Mathematica編程學習和大學物理深入討論的時間非常有限。可向學有余力的學生推薦《Mathematica與大學物理計算》[3]等教材供他們自主學習。每次作業可布置1-2題用Mathematica軟件來解決，同時建立Mathematica軟件學習討論群，在學生討論時老師盡可能參與其中，不斷給學生鼓勵和提示，并且給出參考答案。

培養科學計算能力是一個系統的學習過程，需要大學生在各個學習階段系統地落實。在大學物理教學過程中引入科學計算，是大學物理教學發展的內在要求，也能為學生后續課程打下堅實的基礎。

【參考文獻】

[1]華玲玲，楊陽.大學物理教學中培養科學計算能力的研究[J].物理與工程，2013，23（3）：37-40.

[2]石長光.Mathematica軟件推廣到大學物理教學中的建議[J].時代教育，2018，9：96.

[3]董鍵.Mathematica與大學物理計算[M].2版.北京：清華大學出版.