基于计算机专业的大学物理仿真教学研究

倪程鹏

摘 要：随着计算机技术和科学计算方法的高速发展，计算机模拟已经成为物理研究与教学中除理论分析和实验之外的第三种研究手段。对于计算机专业的大学物理课程而言，仿真教学既可以成为一种教学内容，也可以作为一种教学手段。教学实践表明，在课堂中采用仿真教学能有效增强计算机专业学生的学习动机和提高学生学习兴趣。将计算机编程和物理实际问题有机结合，既能培养学生解决实际问题的能力，又能提高学生学习物理课程和学习计算机程序设计课程的积极性，促进改革现有的以传授知识为主线的课程体系，转变以教师为中心的课堂教学模式。

关键词：计算机；大学物理；模拟仿真；理论教学

一、前言

在大学物理课堂教学中，计算机可以快速完成常规的计算并仿真模拟物理过程，强化教学效果，对培养学生的学习兴趣、科学思维能力、探索发现和创新精神等能起到积极的作用[1]。

计算机仿真技术是一门基于计算机建立的系统模型进行动态研究的综合性技术。20世纪初，仿真技术就已得到初步应用。20世纪40年代至50年代，航空航天和原子能技术的发展推动了仿真实验技术的发展和应用。20世纪60年代之后计算机技术的发展，为仿真实验提供了先进的平台，加速了仿真技术的发展和应用[2][3]。

随着仿真技术的发展，计算机仿真实验应运而生。20世纪90年代初，国内部分高校和机构开始着手于计算机仿真实验的研发。其中由科大奥瑞首创开发的计算机仿真实验教学软件大学物理仿真实验，是国内最具权威的大学物理仿真实验教学系统，已在国内外多所高校获得应用。仿真物理实验作为计 算机辅助物理实验教学的一个发展方向，已经成为了大学物理实验的一个新亮点。

二、仿真教学的研究

大学物理的理论教学与实验教学同等重要。对于计算机专业的大学物理课程而言，仿真教学既可以成为教学内容也可以作为一种教学手段。仿真教学是利用计算机仿真技术，实现大学物理课程知识和计算机专业能力并重培养的过程。这样，仿真教学拓宽了大学物理教学内容，把以教授知识为主的课堂教学转变为教授知识和能力培养并重的课堂教学。

笔者结合近两年在安徽信息工程学院（原安徽工程大学机电学院）计算机专业的大学物理教学实践，总结其中存在的以下问题，也是促使课堂进一步实行仿真教学的原因。

（1）学生理科基础薄弱。在工科专业中，计算机专业的学生的知识基础相对较差，尤其是对数学、物理等理科基础知识的掌握。仿真教学基于软件平台，其中核心的算法需要一定的数学基础。而算法需要的基础知识是应用层面的，比纯粹的理论知识更容易接受，这也符合“通过做数学来学数学”的思想。因此，仿真教学反过来还可以巩固和增强理科基础知识的理解和应用。

（2）学生缺乏学习动机和学习兴趣。大学物理作为高校理工科专业基础课程，其重要性可见一斑。学生对基础课程的认识不足，直接导致学习动机降低。仿真教学作为一种教学手段，既体现了大学物理的实用性，也加强了计算机专业实践，能有效发挥学生的主观能动性，增强学习动机和提高学习兴趣。教学内容、方法和考核方式也会影响学生学习的动机和兴趣。

（3）教学内容陈旧。大学物理的基本内容是几十年甚至几百年前就建立起来的，课本中研究的更是简化了的、能用解析方法求解的典型问题。而实际问题是复杂的，且随着科学技术的发展，人类对问题的认识也会发生改变。仿真教学具有交互性，可以开拓教学内容。因为物理仿真对象来源于实际，需要学生去生活中寻找和探究对应应用，然后结合大学物理理论知识进行模拟仿真，达到深化教学内容的目的。由于仿真需要一定计算机专业知识，这样仿真教学也侧面增强了专业知识的运用。

（4）教学方法传统、考核评价方式单一。在教学中，笔者所在学校的大学物理依旧采用传统的教学方法，即教师的单方面讲授。即便采用了多媒体辅助教学手段，也仅仅停留在展示物理模型或过程的阶段。一方面是由于大班教学的限制；另一方面，由于课时数量的缩减，使得讲授成为一种高效传授知识的方式。但这种教学方法效果不理想，课堂上普遍出现学生睡觉和玩手机的现象。针对计算机专业学生采取的课堂仿真教学，需要学生及时参与，结合一定的专业基础理解和应用物理知识。仿真教学要求教师布置电子作业，需要学生投入更多课后时间去实践，且由于作业加强了与专业课程知识的联系，这样就简化了作业的操作性，但提高了作业的挑战性、趣味性和创造性。

由于实际物理问题的复杂性，许多问题都要用到精确的数学计算。仿真教学充分利用了计算机的强大功能，丰富计算机辅助教学的内涵，使计算机不仅是教师的辅助教学工具，也是学生學习的工具和内容。笔者在课堂仿真教学上还参考了美国大学的多种教学方法。因为课堂教学不是一言堂，而是多言堂；不是单向灌输，而是双向甚至多向互动；不是单调、乏味的，而是生动、活泼，充满生机活力的[4][5][6]。

三、仿真教学的改进措施

传统大学物理的考核方式比较单一，针对计算机专业实施的仿真教学，笔者在考核方式上也进行了一系列改革。

传统的大学物理教学内容、教学方法和考核评价形式均存在一定问题，对于计算机这种工科专业，学生会很难从大学物理这门基础课程中受益，那么大学物理打基础、搭桥梁的重要功能也就得不到体现。因此必须通过教学改革来改善这种局面，结合计算机专业特点进行的大学物理课堂仿真教学是一种有效尝试。

1.仿真教学软件

仿真教学基于软件，以下是在大学物理课堂仿真教学中使用到的软件。

（1）Flash。Flash是由Macromedia公司推出的交互式矢量图和Web 动画的标准，广泛应用于创建应用程序，可以包含视频、声音、图形和动画。课堂教学中可使用Flash来创建多媒体课件中的动画、视频内容，也可以通过添加图片、声音、视频和特殊效果，单独构建Flash应用程序。在仿真教学中，Flash可以用来制作精美的动画，添加到课件中，可形象模拟物理现象和过程[7]。

（2）Java。Java是一种面向对象的程序设计语言，具有通用性、高效性、平台移植性和安全性等特点。目前，很多国家和机构都建立了基于Java技术的仿真实验系统。如美国俄勒冈大学物理系主办的物理仿真实验网站和科罗拉多大学波德分校（University of Colorado Boulder）创办的PhET网站，网站中的仿真项目均是基于Java语言编写的。国内的华中科技大学李元杰教授组织构建的DTP（digital teaching of physics）也是基于Java语言的（如图1所示）。

相对于Flash，Java開发更具交互性。对于计算机专业学生，Java更是一门需要学习和运用的语言。

（3）MATLAB。MATLAB是MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。MATLAB的处理单元是矩阵，比用C、FORTRAN等语言完成相同的事情更简便。Simulink提供了一个系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需编写大量程序，只需通过简单的鼠标操作，即可构造出复杂的系统。比如在演示振动和波动的叠加时，用Simulink演示就比较直接方便。

Flash可以制作出精美的动画，而MATLAB也有多种方式实现动画效果[8]。因此，在仿真教学中，MATLAB不仅可以进行数值计算，也可以进行可视化模拟仿真（如图2所示）。

（4）VRML。VRML即虚拟现实建模语言，可用于建立动态的虚拟世界。目前，国内有高校成功开发了基于VRML技术的三维仿真实验中心。比如，华中科技大学开发的液压元件装拆实验，学生可以在仿真的环境中认识和操作各零部件。虚拟现实技术作为第二代互联网技术的重要基础，已经引起越来越广泛的关注和应用。比如，当前火热的VR（虚拟现实）和AR（增强现实），对于计算机专业的学生，接触并了解这类技术对专业学习是有益处的。

以上是大学物理仿真教学中可以运用和接触了解的软件，其他专业学科类的仿真软件暂未涉及。

2.仿真教学内容

大学物理理论教学内容较多，但教学课时是有限的（笔者所在学院一学年安排96课时）。作为专业基础课，大学物理还必须为后续专业课程学习打好基础，因此仿真教学内容必须是精简的、与专业紧密相关的内容。

物理研究的对象是物质（包括能量和场），因此仿真教学的内容也是客观的物质。物理中关于物质运动的规律是经过抽象概括的，主要通过模型来描述。物理模型可以分为心理模型和概念模型。心理模型是学生脑海中建立的关于物理现象认识的模型，而概念模型是建立在物理概念之上的模型。学生的学习就是不断克服和打破心理模型，接受概念模型的过程。而大学物理仿真教学的主要内容就是基本物理概念模型的仿真。

在仿真教学中，笔者把物理模型分为：运动类、能量类、振动类、波动类、热学类、电磁场类和光学类等。根据仿真教学要求编制的教学大纲包含了具体的仿真教学模型和实现方式。

3.仿真教学实施

课堂仿真教学的实施，需要学生和教师双方的参与。教学中，教师和学生均会面临一些新的困难和挑战，包括假设生成、模型设计、数据解释以及对发现过程的自我监控等。因此，仿真教学需要建立有效的反馈机制，包括仿真教学在内容选择以及过程设计上应该针对学习者的困难提供相应的学习支持，只有这样才能真正发挥计算机模拟在学习中的优势。

仿真教学的教学效果还需要建立评价机制，包括学生对教师的评价和教师对学生的评价。课程评价“本质上是一个确定课程与教学计划实际达到教育目标的程度的过程”，是贯穿于课程实施全程并推进课程进展的内在动力， 也是连接课程目标与课程实施的桥梁。教师应根据教学评价结果，及时反复修改教学大纲，达到教学目的。

4.教学评价

教学的中心是学生，因此需要学生参与到教学评价中来。从学生角度，学生需要知道自己是否达到了学习的要求以及是否需要改进学习方法。因此需要教师对教学中学生学习情况进行评估，除了学校教务系统必须完成的学生对教师的评测以及平时的面谈等形式外，还可以通过以下形式完成对仿真教学的评估。

（1）调查形式。调查是一种直接有效的检验学习效果的形式。包括：物理期望调查，对物理科学的认识信心的调查，科学观点的调查以及其他内容调查。

（2）反馈形式。首先是组长收集组内成员（大约十名）对教师的测评表（结合由笔者制订的教学目标），经过整理分析后，交给学习委员；其次是学习委员结合组长平时的表现，给组长收集的信息打可信度系数；最后把有系数的测评表交到笔者手里，完成学期反馈评估。

（3）作业形式。作业包括纸质作业和电子作业，且安排了分组。纸质作业主要是对课本习题的思考，对于有一定难度的习题，要求学生写上自己对课堂仿真的思考、疑问或者对老师上课的意见等。电子作业是要求组内完成课堂上某个仿真程序的编写和运行，其中均包含对仿真教学的反馈。

（4）报告形式。在每一学期教学中，安排PPT报告。根据课堂上的仿真教学，结合课本未讲述的内容制作PPT并进行报告。报告要求分工合作， 其中包含对课堂仿真教学和教师的评价。

根据以上教学评估结果，对学生和教师学期表现进行综合评价。

笔者针对计算机专业理科基础薄弱、物理学习动机和兴趣的缺乏、教学和考核方式单一、教学内容陈旧、理论与实践脱节等问题，在大学物理课堂教学实施了仿真教学，同时改革了教学内容、教学方式和评价机制等。教学实践表明，仿真教学精简了大学物理理论知识内容，减轻了学生学习负担；增强学生学习的动机，提高学生学习的兴趣，参与课堂教学；加强了与专业的关联性， 提高了学生的专业实践能力。此教学研究将大学物理理论知识与计算机专业应相结合，强调了学科的实用性，推进应用型本科高校的改革。

参考文献：

[1]吴能芝.计算机模拟辅助大学物理教学的研究[D].武汉：华中师范大学，2007.

[2]候彦庆.计算机仿真技术的应用与发展趋势[J].信息通信，2016（2）：181-182.

[3]王子才.仿真技术发展及应用[J].中国工程科学，2003（2）：40-44.

[4]陈文彦，王栓宏.体验美国大学的教学模式[J].中国大学教学，2013（5）：94-96.

[5]江 捷.美国大学多样化教学方法的分析与启示[J].教学研究，2012，35（2）：20-22.

[6]张晓玲.基于FLASH技术的大学物理仿真实验的研究[D].武汉：华中师范大学，2007.

[7]吴 敏，陈 涛.在MATLAB中实现动画效果[J].电脑知识与技术，2006（20）：222-232.

[8]黄琼湘，那斯尔江·吐尔逊.Matlab作图函数的总结与分析[J].高等理科教育，2005（6）：633-645.