陳修芳

【摘 要】大學(xué)物理是理工科學(xué)生的一門必修的基礎(chǔ)課，需要利用高等數(shù)學(xué)的知識(shí)來分析和解決大學(xué)物理中的實(shí)際問題，筆者將Mathematica引入到大學(xué)物理教學(xué)中，這樣既能能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)大學(xué)物理的興趣，又培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)計(jì)算能力。

【關(guān)鍵詞】大學(xué)物理;科學(xué)計(jì)算;Mathematica

中國(guó)分類號(hào)： G642.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 2095-2457（2019）17-0079-001

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.17.038

大學(xué)物理內(nèi)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(diǎn)使得大學(xué)物理非常適合培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)計(jì)算能力。教師在教學(xué)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(fù)雜物理公式甚至是無法用公式表示的規(guī)律直觀地展現(xiàn)出來，從而幫助學(xué)生深入理解其中的物理規(guī)律;還可以利用Mathematica仿真物理實(shí)驗(yàn)，從而讓學(xué)生更好地理解物理實(shí)驗(yàn)的原理和方法，總結(jié)實(shí)驗(yàn)規(guī)律及其物理本質(zhì)[1]。

1 在大學(xué)物理理論課上培養(yǎng)科學(xué)計(jì)算能力

在多媒體教學(xué)中引入Mathematica軟件可以更好地促進(jìn)大學(xué)物理教學(xué)。教師給學(xué)生演示事先編寫的程序，這樣可以直觀地表達(dá)抽象的物理概念、理論和規(guī)律，有助于學(xué)生用直觀感知物理世界，能激發(fā)出學(xué)生的好奇心和求知欲[2]。結(jié)合Mathematica數(shù)值模擬演示，給學(xué)生介紹如何用數(shù)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(gè)專題中，教師向?qū)W生傳授了理論分析、科學(xué)建模、編程運(yùn)算及檢驗(yàn)評(píng)價(jià)的科學(xué)方法并讓學(xué)練習(xí)了整個(gè)研究過程，從而培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)研究的基本素質(zhì)。

2 在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課上培養(yǎng)科學(xué)計(jì)算能力

在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室和實(shí)驗(yàn)課上，教授學(xué)生用Mathematica模擬教材上的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，比如雙縫干涉，單縫衍射，光柵衍射等等;指導(dǎo)學(xué)生利用Mathematica進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生改變各種各樣的條件輸入計(jì)算機(jī)，然后觀察相應(yīng)的物理現(xiàn)象的變化，從而總結(jié)各種物理規(guī)律。引導(dǎo)學(xué)生利用Mathematica在計(jì)算機(jī)上準(zhǔn)確地處理物理實(shí)驗(yàn)中得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，從通過解析或圖形等方式直觀地展示出來，這樣的數(shù)據(jù)處理方法在生產(chǎn)和科研上都很實(shí)用。

3 在大學(xué)物理選修課上培養(yǎng)科學(xué)計(jì)算能力

Mathematica在大學(xué)物理中的應(yīng)用的選修課可以在大學(xué)的第三學(xué)期進(jìn)行，課時(shí)可以按2：3的課堂教授和上機(jī)練習(xí)。首先介紹Mathematica基本用法，然后結(jié)合大學(xué)物理課程系統(tǒng)地介紹利用Mathematica軟件采用各種數(shù)值方法處理力學(xué)（如運(yùn)動(dòng)學(xué)的微分和積分問題）、熱學(xué)（如麥克斯韋速率分布率）、電磁學(xué)（如電偶極子、點(diǎn)電荷的電勢(shì)分布）、光學(xué)（如雙縫干涉、牛頓環(huán)。單縫衍射和光柵衍射）近代物理（如黑體輻射、一維無限深勢(shì)阱）及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理（如光電效應(yīng)）等方面的問題。通過上機(jī)練習(xí)，學(xué)生可以進(jìn)一步地熟悉各種計(jì)算方法，老師也可以在上機(jī)時(shí)及時(shí)解決學(xué)生遇到的各類問題，同時(shí)啟發(fā)學(xué)生的各種解題思路，鼓勵(lì)學(xué)生如何選擇更簡(jiǎn)潔高效的方法解決大學(xué)物理及實(shí)驗(yàn)的各種問題。

4 利用課余時(shí)間培養(yǎng)科學(xué)計(jì)算能力

大學(xué)物理課時(shí)較少，在課堂上進(jìn)行Mathematica編程學(xué)習(xí)和大學(xué)物理深入討論的時(shí)間非常有限。可向?qū)W有余力的學(xué)生推薦《Mathematica與大學(xué)物理計(jì)算》[3]等教材供他們自主學(xué)習(xí)。每次作業(yè)可布置1-2題用Mathematica軟件來解決，同時(shí)建立Mathematica軟件學(xué)習(xí)討論群，在學(xué)生討論時(shí)老師盡可能參與其中，不斷給學(xué)生鼓勵(lì)和提示，并且給出參考答案。

培養(yǎng)科學(xué)計(jì)算能力是一個(gè)系統(tǒng)的學(xué)習(xí)過程，需要大學(xué)生在各個(gè)學(xué)習(xí)階段系統(tǒng)地落實(shí)。在大學(xué)物理教學(xué)過程中引入科學(xué)計(jì)算，是大學(xué)物理教學(xué)發(fā)展的內(nèi)在要求，也能為學(xué)生后續(xù)課程打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]華玲玲，楊陽.大學(xué)物理教學(xué)中培養(yǎng)科學(xué)計(jì)算能力的研究[J].物理與工程，2013，23（3）：37-40.

[2]石長(zhǎng)光.Mathematica軟件推廣到大學(xué)物理教學(xué)中的建議[J].時(shí)代教育，2018，9：96.

[3]董鍵.Mathematica與大學(xué)物理計(jì)算[M].2版.北京：清華大學(xué)出版.