計(jì)算模擬科研方法引入普通物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探討*

王恒通

（陜西師范大學(xué) 物理學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710119）

計(jì)算模擬科研方法引入普通物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探討*

王恒通

（陜西師范大學(xué) 物理學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710119）

普通物理實(shí)驗(yàn)是大學(xué)理工科專業(yè)的基礎(chǔ)課程，也是學(xué)生進(jìn)行系統(tǒng)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)技能和科學(xué)研究培訓(xùn)的開端。結(jié)合普通物理實(shí)驗(yàn)自身的特點(diǎn)，將前沿科學(xué)研究所用到的研究思想和方法引入到普通物理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)是實(shí)驗(yàn)課程改革發(fā)展的一個(gè)重要方向。計(jì)算模擬的科研方法已經(jīng)滲透到自然科學(xué)和工程技術(shù)研究的各個(gè)領(lǐng)域，發(fā)揮著重要的作用。將計(jì)算模擬的科研方法引入到普通物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)對于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神、創(chuàng)造能力和提高學(xué)生科研素養(yǎng)有著十分重要的意義。

計(jì)算模擬;科研方法;實(shí)驗(yàn)教學(xué);普通物理實(shí)驗(yàn)

普通物理實(shí)驗(yàn)課程是大學(xué)理工科一門主要的必修基礎(chǔ)課程之一，是學(xué)生進(jìn)入大學(xué)后進(jìn)行系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)技能、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理能力和基本科研訓(xùn)練的開端，也是后續(xù)的其他實(shí)驗(yàn)課程的基礎(chǔ)[1]。普通物理實(shí)驗(yàn)課程的主要任務(wù)是使學(xué)生在物理研究的基本方法和基本實(shí)驗(yàn)技能等方面受到較為系統(tǒng)的訓(xùn)練，提高學(xué)生分析問題、解決問題以及理論聯(lián)系的能力。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，新的教學(xué)理念和教學(xué)模式融入傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)是當(dāng)前所有實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革和發(fā)展的趨勢[2,3]。基于普通物理實(shí)驗(yàn)課程的自身特點(diǎn)，結(jié)合當(dāng)前實(shí)驗(yàn)課程中面臨的問題，探討將計(jì)算模擬的科研方法引入普通物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)提高教學(xué)效果的方法和優(yōu)勢。

1 普通物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)面臨的問題

普通物理實(shí)驗(yàn)課程是數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、醫(yī)學(xué)以及工程技術(shù)等學(xué)科低年級(jí)學(xué)生必修的專業(yè)基礎(chǔ)課程之一。傳統(tǒng)上，實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)環(huán)節(jié)一般包括以下幾個(gè)方面：

1）學(xué)生課前對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行預(yù)習(xí)，整理預(yù)習(xí)報(bào)告；

2）課堂上教師依照實(shí)驗(yàn)講義對相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行講解；

3）教師對實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)等進(jìn)行說明，并對本次實(shí)驗(yàn)進(jìn)行現(xiàn)場演示，并強(qiáng)調(diào)操作細(xì)節(jié)；

4）學(xué)生動(dòng)手進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，在實(shí)驗(yàn)過程中遇到問題教師做進(jìn)一步指導(dǎo)；

5）學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)講義要求對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、分析，并完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告[4-6]。這樣在實(shí)驗(yàn)課堂上，學(xué)生僅僅是按照預(yù)設(shè)的實(shí)驗(yàn)步驟，按部就班地重復(fù)實(shí)驗(yàn)、獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)而對相關(guān)的物理規(guī)律和定理進(jìn)行驗(yàn)證。整個(gè)教學(xué)過程很顯然是教師占主導(dǎo)，學(xué)生并沒有對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的預(yù)言，以及在實(shí)驗(yàn)環(huán)境或條件變化時(shí)對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的估計(jì)，只是盲目被動(dòng)地、機(jī)械地重復(fù)實(shí)驗(yàn)。另一方面，對于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的方法相對陳舊。在實(shí)際教學(xué)中，學(xué)生對數(shù)據(jù)處理也僅僅求出平均值和做簡單的誤差分析，并沒有對實(shí)驗(yàn)誤差和實(shí)驗(yàn)參數(shù)變化的定量討論。對于數(shù)據(jù)做圖一般采用傳統(tǒng)的坐標(biāo)紙描點(diǎn)做圖法，方法也過于陳舊。

2 計(jì)算模擬科研方法

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，借助高性能計(jì)算機(jī)，基于數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、生物的基本理論將復(fù)雜的自然現(xiàn)象進(jìn)行抽象、建模、分析和預(yù)測，已經(jīng)稱為當(dāng)今自然科學(xué)前沿領(lǐng)域的重要研究方法[7]。這種計(jì)算模擬研究方法活躍在物理、化學(xué)、生物、材料、地理、生物制藥、航天科技等近乎所有的科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域，甚至金融、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)科學(xué)的相關(guān)建模分析也會(huì)涉及計(jì)算模擬的方法[8,9]。從二戰(zhàn)時(shí)期的“曼哈頓計(jì)劃”到當(dāng)前的歐洲腦科學(xué)計(jì)劃、蛋白質(zhì)等生物大分子模擬以及基于第一性原理材料化學(xué)模擬等重大科學(xué)研究，計(jì)算模擬都有著舉足輕重的作用。近年來在也

出現(xiàn)了大量優(yōu)秀模擬軟件，并且在科學(xué)研究和技術(shù)革新中展示出了強(qiáng)大的優(yōu)越性?；谀M計(jì)算的重要性和優(yōu)越性，國內(nèi)外許多學(xué)者也開始在他們也在教學(xué)中利用計(jì)算模擬的方法將抽象的物理公式和物理過程通過計(jì)算機(jī)模擬再現(xiàn)[10]。這樣使得學(xué)生不僅形象化的理解物理概念和物理過程，也讓學(xué)生學(xué)會(huì)利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行科學(xué)計(jì)算和模擬物理現(xiàn)象，不僅提高了教學(xué)效果而且培養(yǎng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和科研能力。

3 模擬計(jì)算引入普通物理實(shí)驗(yàn)課堂

基于“科學(xué)是實(shí)驗(yàn)的科學(xué)，實(shí)驗(yàn)是科學(xué)的實(shí)驗(yàn)”的思想，國內(nèi)外很多高校先后對實(shí)驗(yàn)課程體系、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)模式進(jìn)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(shí)代特點(diǎn)與時(shí)俱進(jìn)、更加強(qiáng)調(diào)由科研轉(zhuǎn)化的教學(xué)內(nèi)容、更加關(guān)注對學(xué)生的科研能力和科研素養(yǎng)的培養(yǎng)[11]。隨著計(jì)算機(jī)和計(jì)算方法的飛速發(fā)展,模擬計(jì)算已經(jīng)成為當(dāng)代自然科學(xué)各個(gè)領(lǐng)域前沿理論和實(shí)驗(yàn)研究的重要工具。將模擬計(jì)算的科學(xué)研究方法引入普通物理實(shí)驗(yàn)的課堂教學(xué)中，能夠充分體現(xiàn)“學(xué)習(xí)者為中心”教學(xué)理念，發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，提高教學(xué)效果。

首先，在預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)生利用模擬計(jì)算根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理來預(yù)計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，加深對本次實(shí)驗(yàn)的理解。學(xué)生根據(jù)教師編寫的模擬計(jì)算程序可以在計(jì)算機(jī)上對本次實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬，得到對本次實(shí)驗(yàn)理論模擬的結(jié)果。另一方面，學(xué)生可以改變相關(guān)的實(shí)驗(yàn)條件參數(shù)，對實(shí)驗(yàn)中的一些環(huán)境或人為因素導(dǎo)致的實(shí)驗(yàn)誤差和引起的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的變化進(jìn)行估計(jì)。這樣學(xué)生不但對實(shí)驗(yàn)有了宏觀的把握，而且在得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后對其正確性有了清晰判斷標(biāo)準(zhǔn)，從中也知道了朝那個(gè)方向調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)參數(shù)來得到正確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。例如，液體粘滯系數(shù)的測量實(shí)驗(yàn)一般教學(xué)上采用落體球法。一方面，小球在粘度比較大的液體中的運(yùn)動(dòng)過程學(xué)生很難想象和理解；另一方面，小球在下落過程中勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)間、小球下落收尾速度以及溫度對實(shí)驗(yàn)的影響都比較難以掌握。學(xué)生在預(yù)習(xí)過程中可以根據(jù)模擬計(jì)算方法選擇可能的參數(shù)計(jì)算模擬小球在粘性液體中的運(yùn)動(dòng)，并能夠根據(jù)自己對實(shí)驗(yàn)的理解設(shè)定參數(shù)范圍模擬出來實(shí)際試驗(yàn)中小球的勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)間、下落收尾速度，以及不同溫度下小球下落狀態(tài)差異。這樣在實(shí)驗(yàn)課堂上，學(xué)生可以利用更多的時(shí)間熟悉實(shí)驗(yàn)儀器、培養(yǎng)動(dòng)手能力。通過模擬計(jì)算在預(yù)習(xí)中已經(jīng)估算出實(shí)驗(yàn)環(huán)境或條件變化時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從而可以準(zhǔn)確操作實(shí)驗(yàn)儀器完成實(shí)驗(yàn)、獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。這樣可以讓學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)而非按部就班，對實(shí)驗(yàn)不畏懼而有興趣，提高學(xué)生積極主動(dòng)性。

其次，在得到正確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后，學(xué)生可以利用模擬計(jì)算方法對實(shí)驗(yàn)結(jié)果做進(jìn)一步的處理，得到規(guī)律性的結(jié)論，并且可以將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)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(shí)驗(yàn)要求測量單擺周期T的值，按照數(shù)值統(tǒng)計(jì)次數(shù)做出直放圖對比觀察誤差是否符合正態(tài)分布規(guī)律。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生按照傳統(tǒng)教學(xué)要求實(shí)驗(yàn)得到數(shù)據(jù)后通過手動(dòng)計(jì)算描點(diǎn)畫圖。但是數(shù)據(jù)越少得到的結(jié)果會(huì)失真，而數(shù)據(jù)越多學(xué)生計(jì)算任務(wù)就越大。引入計(jì)算模擬方法后，學(xué)生根據(jù)教師提供的計(jì)算程序，可以盡可能多的測量數(shù)據(jù)，得到更真實(shí)的結(jié)果。另一方面，學(xué)生可以根據(jù)計(jì)算模擬來方法擬合數(shù)據(jù)、并在原有的程序上改變統(tǒng)計(jì)參數(shù)發(fā)揮自己的主觀能動(dòng)性處理數(shù)據(jù)。

再次，對于實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以利用計(jì)算模擬設(shè)計(jì)合理的實(shí)驗(yàn)條件,并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行預(yù)測，提高設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)成功率。一方面，通過模擬計(jì)算對設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析，判斷其設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案中所賦予條件和實(shí)驗(yàn)參數(shù)是否合理，實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否能夠達(dá)到預(yù)期目的。另一方面，可以嘗試充分調(diào)動(dòng)學(xué)生主動(dòng)性和積極性，鼓勵(lì)學(xué)生大膽嘗試，發(fā)揮自己的想象力和創(chuàng)造力去設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。這樣以來，學(xué)生更容易理解實(shí)驗(yàn)課程、并對實(shí)驗(yàn)課程感興趣，也發(fā)揮了學(xué)生的主觀能動(dòng)性，進(jìn)而提高課堂教學(xué)質(zhì)量。

4 結(jié)束語

基于普通物理實(shí)驗(yàn)的課程特點(diǎn)，探討了將當(dāng)前科學(xué)前沿的模擬計(jì)算研究方法引入普通物理教學(xué)實(shí)踐。一方面，引入計(jì)算模擬方法便于學(xué)生整體把握實(shí)驗(yàn)、有效的處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)自主實(shí)驗(yàn)，并且也可以提高學(xué)生解決實(shí)際問題的能力，更重要的一點(diǎn)也對廣大理學(xué)生將來的工作或科研進(jìn)行了先前教育和訓(xùn)練。另一方面，引入計(jì)算模擬方法有利于提高教學(xué)效果，而且更加重視學(xué)生的邏輯思維、學(xué)習(xí)能力和科研能力培養(yǎng)。

[1] 教育部高等學(xué)校物理學(xué)與天文學(xué)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì).理工科類大學(xué)物理課程教學(xué)基本要求、理工科類大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)基本要求[M].高等教育出版社,2011.

[2] 沈元華.基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的"與時(shí)俱進(jìn)"——復(fù)旦大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程改革介紹[J].大學(xué)物理,2002,21(12)：42-44.

[3] 顧靜,李海龍,明海霞,等.虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)在機(jī)能學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].甘肅科技，2015(22)：64-66.

[4] 陳中鈞,俞眉孫.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的思考與建議[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2014,31(4)：186-188.

[5] 吳勝舉,莫潤陽.以學(xué)習(xí)者為中心的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革[J].物理,2013(9)：85-87.

[6] 霍劍青,王曉蒲,楊旭,等.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法和教學(xué)資源建設(shè)的研究[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2008,27(5)：11-13.

[7] Santner,Thomas J,Williams,Brian J,Notz,William I.The de sign and analysis of computer experiments[M].Springer Ver lag,2003.

[8] 黃吉平.經(jīng)濟(jì)物理學(xué)[M].高等教育出版社,2013.

[9] P.Humphreys,Extending Ourselves：Computational Science, Empiricism,and Scientific Method[M].Oxford：Oxford Uni versity Press,2004.

[10]姚列明,霍中生,孫淼,等.模擬計(jì)算在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2006,23(4)：15-18.

[11]劉麗,陳立棟,郭得科.研究型大學(xué)本科生科研訓(xùn)練的問題分析與建議——基于比較研究的視角[J].高等教育研究學(xué)報(bào),2014(4)：105-107.

O45

陜西師范大學(xué)青年教師啟動(dòng)項(xiàng)目(No：1110010579)；陜西師范大學(xué)教師教學(xué)模式創(chuàng)新與實(shí)踐研究專項(xiàng)基金。