理工科大学基础物理教学中MATLAB的应用

摘 要 计算机的普及和发展促进了大学物理学教学手段的现代化.在大学物理学中引入Matlab科学计语言既可以使物理概念和物理规律的教学更加直观、易于接受,也可以在课堂上生动地展示物理现象；还可以让学生初步地了解数值计算在解决复杂物理现象中的应用.

关 键 词 理工科大学 基础物理教学

1大学基础物理教学中MATLAB的应用的合理性 Matlab

伴随着教育改革的逐步深入和计算机技术的飞速发展,计算机直接介入教学过程,并承担教学中某些环节的任务,从而达到提高教学效果,减轻师生负担的目的.将MATLAB应用到理工科大学基础物理教学过程,一方面可以使课堂教学形象化,提高课堂教学的效率,另一方面可以通过科学计算的方法拓展原有大学物理知识的应用范围.而且,与其他近代物理等专题相比,数值计算和模拟方面的内容更容易让学生主动的参与进来,教师可以结合自己教学的进度和学生的具体情况,以大学物理的教学内容为主线,选择相关合理的内容结合 MATLAB 的模拟演示来给学生介绍如何用数值的方法解决物理学上的问题.

培养大学生应用数学软件通过科学计算的方式解决实际问题的能力是一项系统工程,在基础课中引入这方面的内容是为了学生在以后专业课的学习中打好基础,这只是这项系统工程的开始.学生在以后大学各阶段的学习中,在各门理工课程中不断地应用和深化,从而使学生养成一种良好的习惯.由于大学物理课往往按专业分班,因此可以结合班上学生的专业情况来开设专题.例如,对于土木、钢结构等专业学生可以在力学和热学部分开设,电类专业的则可在电磁学部分开设.

虽然大学物理教学的对象绝大部分都不会从事物理学的研究,但是,有些方法的思想是值得理工科大学非物理专业的学生去体会的,例如蒙特卡罗技术虽然最早用于核物理的计算机模拟,但是在后来这种技术被广泛的应用于物理学其他方向的研究中,甚至在生物、化学、电子工程、光学工程和动力工程等一些专业也开始应用这一技术计算模拟相关问题.在学科交叉日益明显的今天,让理工科其他专业的学生多了解一些物理学研究中的方法对他们今后在各自专业的发展有着重要的作用.其次,对于一些在其他专业使用较多的计算方法,如模拟电荷法和表面电荷法等,这些方法虽然在物理研究中不常用,但是它们包含了很明显而且很简单的物理概念.例如,模拟电荷法基于电磁场的惟一性定理,将电极表面连续分布的自由电荷或介质分界面上连续分布的束缚电荷用一组离散化的模拟电荷予以等值替代,这样,应用叠加原理,将离散的模拟电荷在空间所产生的场量叠加,就得到了原连续电荷所产生的空间电场分布.显然,从本质上看,模拟电荷法就是广义的镜像法.所以在大学物理范围内介绍这种方法是比较合适的,在避免了镜像法复杂的理论推导的情况下,让学生体会到了这一物理原理在工程上的用途,并能解决很多比较实际的静电场数值计算问题.

2.MATLAB实例应用于教学的体会

在实际的教学中,我把几个用 MATLAB 编写的程序应用到课堂教学中,收到了良好的教学效果.我深刻体会到在物理教学中利用MATLAB是很方便的,可以弥补具体实物不能演示的实验,将微观变为宏观,变抽象为具体,有利于增大课堂信息容量,优化教学方法,提高学习效率.那些枯燥的物理问题变成一幅幅生动的画面,从而激发起学生解决疑难问题的兴趣.特别是双缝干涉这个实验,大大激发了学生的好奇心和求知欲,强化了学生继续探索的动机,激发了学生的创新意识.MATLAB增强了教学内容的直观性,生动性,扩展了教学内容,开拓了学生视野,促进了学生对知识的理解和掌握.用 MATLAB 制作的软件有极其丰富的表现内涵和巨大的表现能力,能够具体形象地再现各种实验概念,有效地揭示事物的本质和内在联系, 将它应用于课堂教学,极大地扩展教学空间,化繁为简,变难为易,使学生对教学内容更容易理解和掌握.例如,我在仿真光的干涉实验中控制了缝的宽度,可以形象地仿真当缝宽较大和缝宽较小所带来的不同的干涉画面.为以后讲光的衍射带来了便利.

3.目前MATLAB教学应用中的不足及措施

由于将科学计算内容和理工科相关课程教学相结合在我国本科教学中还属于一个较新的事物,还缺乏很多相关的教学经验以及政策和硬件上的支持.目前,MATLAB在物理教育中的应用只是在目前高校教学过程中打的一些“擦边球”,还存在着不少需要解决的问题.比如,MATLAB作为辅助教学形式多为演示,互动环节考虑得较少,课堂中教师的主导地位仍未改变,只是把不形象的形象化,让不生动的生动起来,这种方式并没有突破教师讲、学生听的传递式教学,所以只会成为传统教育的一种补充、完善和发展.如何把物理概念和物理过程更具条理、更清晰、更直观地展示给学生的同时,还要考虑作为教学活动的主体学生,真正让计算机强大的计算模拟功能与学生主动的学习活动结合起来,让计算机在学生学习能力的培养中发挥更大的作用,是值得深思的问题之一.另外,关于经典的理论的数值计算较多,而对物理前沿知识理论数值计算探讨较少.目前教师在教学中使用多媒体进行教学,即使有少数考虑到让学生参与到数值计算模拟过程中,多数也只是重复以往的经验教学.因此,应该在教学中涉及一些物理学中相对比较前沿的知识,如负折射率材料的反射、折射行为等.在这样模式下,让学生参与数值模拟过程中,超越以往的物理经验,目光越过物理经典并且已经熟知的知识范围,而真正自己去探索物理规律,从而满足学生迫切了解与掌握运用数值方法解决实际问题的需要.

综上所述,本文提出要引导学生在大学物理学习中开展数值计算,在高等学校基础课教学的中深化实践教学改革,发挥计算机的计算功能,将有效地克服物理理论知识深与学生数学基础差的矛盾,从而为基础物理教学内容的改革创造条件.同时,也给学生提供了一种解决问题和探索创新的强有力武器,是培养学生能力和素质的具体措施.从这个意义上说,在基础物理课程中加入MATLAB应用是计算机辅助教学概念的扩展和内涵的深化,不仅是为了促进大学生对大学物理知识的更好的理解,更多的,是希望能通过数值计算,培养学生解决问题的能力,提高学生的实践与创新能力,开辟更多的创新能力培养途径,使得更多的学生受益.