数值仿真技术辅助物理教学探讨

目前,通过计算机进行科学计算来解决实际问题的能力日益成为广大理工科学生所必须拥有的能力。大学物理作为物理系的专业课程,对初步培养学生的物理思维和研究方法起着至关重要的作用。但目前一些院校的大学物理课程在教学中存在方法和手段上的弊端:教学方法和手段显得较为落后,未能充分发挥其培养学生学习能力、创新能力和促使学生科学素质育成的作用。在大学物理教学中引导大学生用计算机进行数值仿真是计算机辅助物理教学的新内涵,也是计算机与大学物理课程结合下的产物。本文首先从数值仿真技术辅助大学物理教学的角度出发,根据认知主义学习理论、建构主义理论、心理学理论和大学物理教学论的相关理论,阐述了这些理论基础在数值仿真技术辅助大学物理教学中的应用,并提出了自己的观点。然后,本文分别从力、热、光、电、原五个方面先容了笔者设计开发的九个比较具有代表性的实例,对数值仿真技术辅助大学物理教学进行了探索性研究,展现了利用数值仿真的方法解决复杂物理问题的上风。以上两点也是本论文的创新点。本文大体可分为以下三部分:第一部分是对数值仿真技术辅助大学物理教学的一般讨论。在引言和第一章首先先容了国内外计算机辅助物理教学的背景及研究现状,对目前大学物理课程和教学中存在的问题进行了分析,并在此基础上确立了本研究的目的,阐述了本论文的意义。第二章对数值仿真技术辅助大学物理教学做了必要性和可行性研究,说明了数值仿真技术辅助大学物理教学不仅能加深学生对大学物理知识的理解,更能使学生从介入数值计算的过程中获得运用计算机解决实际物理问题的能力。通过分析我国现阶段高校中计算机硬件条件的配备情况以及我国目前大学生计算机基础水平,说明了现阶段在我国大学物理教学中组织学生开展数值计算是可行的。本文第三章阐述了相关的认知主义学习理论、建构主义理论、心理学理论和大学物理教学论,并以此为指导,在第四章对数值仿真技术辅助大学物理教学进行了教学设计。第二部分先容了在MATLAB环境下编写通过数值仿真技术解决物理问题的实例。把数值仿真技术引入大学物理教学,让学生以数学软件MATLAB为学习工具,通过自主探索式学习来掌握所引入的大学物理的基本概念和内容,从而提高了学生利用计算机的数值计算和模拟技术来研究大学物理问题的能力,避开了烦琐的解析计算过程进而降低研究难度,并将模拟结果可视化,为分析和研究物理学问题提供了一种方便途径。调动了学生学习的积极性和主动性,发展了学生的智力,培养了学生的探究能力和研究能力。最后,结束语部分对本课题研究作总结,指出了本课题研究的不足和课题研究的发展方向。本文所得到的结论旨在为数值仿真技术辅助大学物理教学提供指导和建议。本文提出要在大学物理教学中引导学生开展数值仿真,并不是要取代现行的大学物理教学模式、教学方法和教学内容,而是主旨在于向学生提供一种利用计算机解决物理问题的方法,为数值仿真技术辅助大学物理教学提供一些实践意义上的参考。【关键词】：辅助大学物理教学数值仿真教学设计创新能力
【论文提纲】：摘要3-5ABSTRACT5-8目录8-12引言12-20(一)数值仿真技术辅助大学物理教学的提出12-15(二)数值仿真技术辅助大学物理教学研究的目的和意义15-181.研究目的152.研究意义15-18(三)数值仿真技术辅助大学物理教学的研究内容和研究方法18-201.研究内容192.研究方法19-20一、国内外计算机辅助教学研究综述20-30(一)国内计算机辅助教学发展情况20-251.国内计算机辅助大学物理教学发展概况21-232.目前存在的主要问题23-25(二)国外计算机辅助教学发展情况25-30二、数值仿真技术辅助大学物理教学的必要性与可行性30-36(一)数值仿真技术辅助大学物理教学的必要性30-32(二)数值仿真技术辅助大学物理教学的可行性32-361.硬件设备分析322.软件因素分析32-333.我国当代大学生的计算机知识储备33-344.物理学科的特点34-36三、数值仿真技术辅助大学物理教学的理论基础与概念界定36-50(一)认知主义学习理论36-381.布鲁纳的发现学习论36-38(二)建构主义理论38-421.“情境”40-412.“协作”413.“会话”414.“意义建构”41-42(三)心理学理论42-431.当代大学生的心理特点42-432.心理学基础43(四)大学物理教学论43-461.大学物理教学的作用43-452.大学物理教学的特点45-46(五)以上理论基础对数值仿真技术辅助大学物理教学的指导46(六)课题的基本概念46-501.数值仿真472.计算机模拟47-50四、数值仿真技术辅助大学物理教学设计50-71(一)大学物理中涉及的数值计算分类50-51(二)开展数值仿真的计算机软件简介51-561.VisualFortran51-522.MATLAB52-543.Mathematica544.MathCAD54-555.Maple55-56(三)运用数值方法解决物理问题的步骤56-591.物理模型的选取56-572.方法的分析57-583.计算机工具选择584.具体的数值计算585.结论分析58-59(四)大学物理计算机模拟程序的开发59-641.开发工具59-612.开发流程61-64(五)运用数值方法解决物理问题要遵循的原则64-681.要有明确的目标642.要有先进科学的思想和教学理论作指导64-653.要具有科学性，符合学生心理特点，要循序渐进地开展654.计算工具要简便实用65-665.要具有趣味性666.重视学生主体能动性与教师引导性的结合66-677.不可替代性67-68(六)数值仿真技术辅助大学物理教学的途径与方法68-711.以公选课的方式开设数值仿真在大学物理中的应用课程68-692.以专题的形式嵌入大学物理教学69-703.建设数值仿真物理实验室70-71五、数值仿真技术辅助大学物理教学开发实例71-130(一)非线性振动与混沌问题的数值仿真71-801.物理问题的理论背景71-722.混沌问题的数值模拟结果与分析72-793.本例小结79-80(二)弹簧摆的内共振特性的数值仿真80-931.问题分析80-812.物理问题的理论背景81-843.弹簧摆内共振特性的数值模拟结果与分析84-934.本例小结93(三)单泡空化振动系统的动力学数值仿真93-1031.问题分析93-942.物理问题的理论背景94-953.数学方法分析95-974.单泡空化振动系统的动力学数值模拟结果与分析97-1035.本例小结103(四)一个典型力学系统的matlab数值仿真103-1061.问题分析1032.利用数值仿真解决力学系统问题的模拟结果与分析103-1063.本例小结106(五)麦克斯韦速率分布问题的matlab数值仿真106-1081.物理问题的提出1062.麦克斯韦速率分布问题的数值模拟结果与分析106-1083.本例小结108(六)光栅衍射强度分布的数值仿真108-1131.物理问题的理论推导109-1102.光栅衍射强度分布的数值模拟结果与分析110-1133.本例小结113(七)亥姆霍兹线圈产生均匀磁场的三维数值仿真113-1171.问题分析113-1142.物理问题的理论推导114-1153.验证亥姆霍兹线圈产生均匀磁场的数值模拟结果与分析115-1174.本例小结117(八)一道电磁感应习题的matlab数值仿真117-1211.问题分析1182.利用数值仿真解决电磁感应习题的模拟结果与分析118-1213.本例小结121(九)氢原子概率分布问题的数值仿真121-1301.问题分析121-1222.玻尔的氢原子理论122-1233.氢原子的薛定谔方程123-1244.量子化条件和量子数124-1265.氢原子中电子的概率分布1266.氢原子概率分布的数值模拟结果与分析126-1297.本例小结129-130六、总结与展望130-137(一)研究主要结论130-131(二)研究创新点131-132(三)研究展望与教学建议132-1371.研究展望132-1332.教学建议133-137参考文献137-142致谢142-143攻读学位期间取得的研究成果143-144