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物理学专业基于Matlab的本科教学平台建设
发布时间:2020-02-24 点击: 发布:《教育教学论坛》杂志社
物理学专业基于Matlab的本科教学平台建设
        郭云均,张福鼎  
(江苏第二师范学院物理与电子工程学院,江苏南京,210013)
 :Matlab是一款功能强大的科学计算软件,被广泛应用于科技、工程的各个领域,并且在本科教学的过程中也扮演者越来越重要的角色。在物理学专业建设基于Matlab的本科教学平台,将科学计算软件的应用与本科教学有机贯通,并建立一个合理而有效的课程体系,让学生先通过实践应用促进Matlab软件的掌握,再通过软件的使用去处理实际问题,形成良性的循环,最终强化学生的专业知识与专业技能,并培养实践能力与创新能力。
关键词:物理学;Matlab;本科教学平台;课程体系; 教育教学论坛
中图分类号:O411.1               文献标识码:A
The Construction of Undergraduate Teaching Platform Based on Matlab in Physics Program
Guo Yun-Jun, Zhang Fu-Ding
(School of physics and electronic engineering, Jiangsu Second Normal University, Jiangsu Nanjing, 210012, China)
Abstract:Matlab, a powerful scientific computing software, is widely used in various fields of technology and engineering, and plays an increasingly important role in the process of undergraduate teaching. The construction of the Matlab-based undergraduate teaching platform in physics program would make the integration of applications and scientific computing software undergraduate teaching. A reasonable and effective curriculum system allows students to promote the mastery of Matlab through practice, and then apply the software to deal with practical problems, forming a benign cycle. Such process would strengthen professional knowledge and skills of the students, and also cultivate practical and innovative ability.
Key words:physics; Matlab; undergraduate teaching platform; curriculum system
 
引  言
Matlab(Matrix Laboratory)是一款实用性很强的科学计算软件,它具有友好的操作界面,易学的编程语言,强大的图形可视化功能,便捷而完整的数学函数库,以及涉及几乎所有科技、工程领域的专业工具箱。这些特点使得初学者能够快速掌握Matlab,并便捷的应用到各个领域。而在本科教学中,Matlab也扮演着愈加重要的角色,很多高校的理工科专业都会专门开设相关的课程,而基于Matlab的专业教材以及教研教改的探索创新也越来越多[1-7]。如何让Matlab更加全面、深入的介入物理学专业的本科教学,并在不同课程之间,理论教学与实践教学之间形成有效的系统,是本文所研究的主要内容。
1 物理学专业人才培养现状
物理学作为最为古老的基础自然科学,经过无数科学家的添砖加瓦已经形成一个精确而复杂的体系,并衍生出众多的分支。本科阶段的学习,只能让学生掌握物理学中最为基础的内容,毕业生具备足够的素养难以支持其在专业上的发展,继续深造就成了该专业学生的重要选择。物理学专业的毕业生多要从事基础科学研究,或者与物理学相关的某些领域的技术应用,因此,高校、科研院所以及企业的研发部门成了毕业生的就业首选。现今,博士学位几乎成了高等学校、科研院所新进教师、科研人员的标配,即便是物理学中偏向应用类的分支专业对于学历的要求也越来越高。
除了部分的综合性大学,几乎所有的师范院校也会设有本科阶段的物理学专业,这也是本文所针对的主要目标。师范类物理学专业设立的直接目标是培养从事基础教育的教师。基础教育中,在教育水平较高的地区,初级中学尤其是高级中学的教师中硕士以上学位者的比重越来越大,其新进人员几乎都具备研究生学历,而博士进入基础教育也早算不上新闻了。笔者就所在高校的物理学专业2015-2018届毕业生的就业方向做一个大致的统计。三年毕业生总人数共145人,其中43人选择读研继续深造,占总人数32%;55人从事教育产业的工作,如中小学、培训机构等,占总人数38%;其余接近30%的毕业生虽然未能从事与专业直接相关的职业,但大多数的工作都涉及文化、科技等产业。由此可见,以上种种情况使得师范类物理学专业的毕业生将面临极为激烈的竞争,而激烈的竞争使得毕业生需要具备更高的素质以及更强的技能,让学生具备继续深造的潜力,并且物理学专业也不应该再局限于培养物理教师、科研工作者或者技术研发人员,其培养方向应该更加多元化。
2 教学平台建设的目标与意义
在物理学专业建设基于Matlab程序设计的本科教学平台,其目标在于强化学生的专业知识与专业技能,并使其掌握一定的信息技术运用手段,培养实践能力与创新能力。
上述目标的实现对于物理学专业人才的培养具有重要的意义:专业知识与专业技能是人才竞争力的基础;信息技术运用能力在近些年愈显重要,在“互联网+”的时代中缺乏这一方面的能力就意味着落伍;而实践能力与创新能力则是人才竞争力的核心,是关系到“人”是否能成“材”的关键。
3 教学平台的课程体系建设
教学平台的建设不只是为了让学生掌握一种软件或者编程语言,而是要通过Matlab的学习与应用提升专业水平与整体素质。因此,仅仅开设一门诸如“Matlab程序设计”或者“计算物理”之类的课程是远远不够的,将Matlab的学习与应用融入到整个本科教学的过程中,并根据本专业特点设立行之有效的课程体系,是本文研究的中心内容。
根据本专业的课程设置,我们将与Matlab编程相关的课程分为三种类型:一是数学基础课,如高等数学,线性代数,这类课程主要开设在第一学年,是学习Matlab编程的基础;二是专业课程,包括基础理论课,专业理论课以及基础实验课程;三是实践应用类课程,包括综合性试验、专业选修课、学科竞赛、科学研究项目、实践创新项目、毕业设计等。根据上述三类课程的不同特点,教学过程可以大致分为三个阶段:
第一阶段以第一学年为主,主要进行编程基础的普及教育。这部分学习以讲座、自学与课堂教学相结合的方式进行。
在新生入学时,我们以专题讲座的形式向学生介绍Matlab软件的主要特点、常用功能、基本语法等方面的内容,让学生建立起对Matlab软件的初步了解。由于Matlab软件的操作界面非常友好,语法规则也较为简单,学生有能力进行自学。可以通过学生的科技类、竞赛类组织,以高年级学生带动低年级学生学习Matlab软件,为接下来Matlab软件的深入学习打下良好的基础。
学习Matlab需要一定的数学基础,最主要的就是高等数学和线性代数方面的知识,因此Matlab软件的编程基础教学课安排在学生掌握了一定的数学知识之后(通常是第一学期后半段或者第二学期),主要学习Matlab软件的基本语法,函数库以及常用工具箱的使用。在这一阶段的学习的过程中,学生并没有接受过完整、系统的Matlab编程训练,很难独立的运用Matlab软件来学习、研究物理问题,在部分专业基础课程,比如力学、热学以及普通物理实验课程中,需要以教师演示为主,学生通过编程、算法的学习在加强物理知识的同时熟悉软件的使用,还能锻炼编程思想。
第二阶段主要是第二学年到第三学年,通过第一阶段的学习,学生已经掌握Matlab软件的基本使用方法,接下来的任务是将Matlab软件的使用融入主干专业课程的教学中。
主干课程大致可以分为基础理论课、专业理论课以及基础实验课程三种类型,针对不同类型的课程采用不同教学方式。基础理论课包括力学、热学、光学、电磁学以及原子物理学。这些课程也可统称为普通物理学,它们的共同特点是从研究物理现象出发,归纳总结物理规律。普通物理学是“唯像的”,其关键在于建立物理图像,与中学时期学生所学的物理课程相比,普通物理学所解释的物理现象更复杂,其归纳的物理定律也更具一般性,因此需要用到新的数学工具,比如微积分、线性代数等。在这一阶段的学习中,我们需要发挥Matlab软件强大的图形图像功能,将复杂的物理过程具体地呈现出来,让学生更加直观的理解物理问题[1]。因此,在Matlab的使用和教学中,我们应更注重其图形功能,比如二维、三维曲线的画法,矢量场、标量场的作图等。其次,我们还必须意识到新数学工具的使用往往也会给学生带来很大的困扰,尤其是在最初的学习阶段。比如,求解物理问题常用的“微元法”,就是一道学习的难关。它不仅仅是微积分的数学手段,还蕴含着物理概念的更新,这是学生在大学学习物理中所遇到的第一道难关。使用Matlab进行数值求解,为越过这一难关架设了桥梁,逐渐演示了从“不变”到“变”的过程。同时Matlab还具备很多的数学计算工具箱,可以用来计算诸如微积分,求解方程等多种运算,可以作为学生数学运算的辅助工具。所以,各类数值计算的算法,以及与之相应的计算命令和工具箱的使用也应是我们在教学中需要着重强调的。
专业理论课主要指“四大力学”(理论力学、热力学与统计物理学、电动力学、量子力学)、固体物理学等。专业理论课对物理学的阐释进入了更高的阶段,它不仅是基于物理现象的总结,更多的是对已知物理规律进一步抽象、归纳,理解这些课程更多的要依靠与之相应的数学体系而不是物理图像。专业理论课中所需要用到的数学工具除了之前提到的微积分和线性代数之外,还包括复变函数和偏微分方程等。Matlab作为一款极为优秀的科学计算软件,可以将抽象而复杂的数学物理过程形象的展现出来,并且其丰富的数值计算方法也是对我们所掌握的相对有限的数学手段的有效补充。因此,在Matlab教学中应该着重强调其在科学计算方面的应用,如常微分、偏微分方程求解,蒙特卡罗模拟等[1-2,7-9]
基础实验课程包括普通物理实验、近代物理实验以及一些电子类的实验课程。Matlab软件在物理实验中的应用大致上可以分为三种情况:一、数据处理[7,8];二、模拟仿真[10,11];三、科学计算[12,13]
物理学是一门实验科学,很多物理规律都是通过对实验结果分析从而归纳总结或者验证的。因此实验数据的分析处理能力是学习物理所必需具备的基本素质。在物理实验尤其是近现代的实验中,我们常常要面对“海量”的数据,必须借助于计算机进行处理。在数据处理方面Matlab软件与C或者Fortran等计算机语言相比有着自己的优势,它提供了非常丰富的数据分析处理的工具,如曲线拟合、傅里叶分析等,都可以直接调用已有的程序。此外Matlab还提供了一些可视化的工具箱,让不熟悉Matlab语言的人也能够使用。因此,在实验物理的教学中,首先需要让学生掌握使用Matlab进行数据处理的基本方法,并养成用计算机处理数据的习惯;其次,通过使用Matlab进一步分析实验数据,研究实验误差产生的原因,并尝试改进实验以便减小误差;最后在熟悉软件以及物理规律的基础上,通过编程实现计算机上的仿真实验,既可以表述某些极端的实验条件,也可以将实验结果更直接的展示出来,也可以对未知的物理问题进行模拟计算,开展初步的科学研究。
第三阶段以三、四学年为主,在学生掌握了Matlab软件的基本功能并具备了一定的编程实践能力之后,可以考虑引导学生进行更深层次的应用。
在较早的时期可以诸如数学建模竞赛、力学竞赛等学科竞赛为抓手,先通过实践促进学生掌握Matlab软件,再通过软件的应用去处理实际问题,激发学习的兴趣,形成良性的循环。在师范生的教学实践中,学生可以研究如何将Matlab软件应用到教学中,如何进行仿真模拟实验,并将其在师范类的实习实践中应用;在科学研究方面,学生可以参与教师的科研项目,也可以独立或者以学生团队的模式申请研究课题(如大学生实践创新项目等);最终上述的应用还可以通过毕业论文的形式表现出来。Matlab的应用是多元化的,数学建模、科学计算、工程应用甚至在音乐、美术等方面的功能也十分强大[12-17]。教师的任务是引导学生开阔眼界,并在相关的专业方向给予指导。
值得注意的是,在进行实践应用的过程中,不同的学生的进展会有较大的差异,对软件掌握较好的学生可能在一、二年级就能够参与到很多实践研究项目中,而更多的学生则可能会需要较长的学习时间来熟悉软件的实用。对于不同情况的学生,需要区别对待,让有兴趣的学生能够更深入的学习,对兴趣不足的学生需要更加广泛的展示Matlab软件的应用功能,尽可能让学生能够学习、研究自己所喜欢的、所擅长的方面。
第三阶段的教学工作对教师的素质要求很高,不但需要熟练掌握Matlab软件的使用,还必须在学生的科研探索提供充分的指导。教学生如何进行科学研究,同一般的课堂教学有很大的区别。教师需要将学习的主动权逐步交还给学生,仅在关键之处把握方向,让学生的自主学习以及学生团队之间协作和讨论成为学习的常态。
4 总结与展望
物理学专业的课程大多需要较高的数学基础,其专业课程大多晦涩、抽象,而师范教育又需要能够形象、生动地表述和求解物理问题,此两者形成了本专业在本科教学中的一对矛盾。Matlab教学平台的建设则可以有效的兼顾上述两个方面,它既可以帮助学生掌握抽象的数学、物理问题,也可以通过有效的信息技术手段形象对物理问题表述和求解。
我们在本校的物理学专业进行了Matlab教学平台建设的一些尝试,开设了四门相关的课程。在前三学期开设的课程“Matlab与建模”,第一学期让学生掌握Matlab的基本命令与操作方法;第二学期涉及较为简单的Matlab编程以及算法;第三学期要求通过Matlab进行建模计算,解决实际问题。第五学期开设课程“计算物理”,基于Matlab讲解科学计算的基本方法,让学生初步具备科学研究的素质。同时,在专业课程(如普通物理学,普通物理实验,数学物理方法等)中,我们也强调了Matlab在教学中的参与,每门课程中需要安排6-8课时与Matlab相关的教学内容。
此外,我们也在尝试将平台的应用推广到更多的理工类专业的教学中,并通过平台的使用,完成各学科之间的交叉与融合,并引导学生摆脱课程的限制、专业的限制,更加独立的运用Matlab软件,开发其科研、以及工程等方面的应用[18-19]
 
参考文献:
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作者简介:郭云均(1982.5-),男,博士,副教授,主要从事计算凝聚态物理学研究.。