计算机在理工科实验中的应用

□胡爱云

随着计算机技术和通信技术的发展，计算机在理工科实验过程中的作用不容小觑。物理、化学、生物等实验过程中各种自动化仪器仪表的使用以及各种智能控制技术的发展，使得理工科实验过程中的自动化程度越来越高。

一、计算机在教学过程中的主要应用

计算机普及之后，不管中小学还是大学均使用多媒体教学，特别在理工科的教学中，多媒体教学的引入尤为重要。在理工科平时的教学过程中，板书会占用太多时间，定义及公式的推导步骤较多且比较繁琐，图形的讲解受到限制。使用多媒体技术代替板书，不仅在课堂上能够给学生讲解更熟的知识，而且可以通过动画形象表示出机理等深层次的研究内容吸引学生学习的兴趣，可让学生学习更多的知识，增加知识容量，课堂不再仅是教师讲学生记的过程，可以互相探讨，让学生主动去思考、去探索、去归纳总结，往往事半功倍。采用计算机辅助教学可以学习到更多的知识，拓宽学习的知识面同时加大知识密度，使得学习的知识能连贯成体系。学生更容易理解和吸收，做题时能够交叉运用，所以多媒体教学是提高教学效率的最有效途径。

二、计算机在理工科实验过程的主要应用

在第一次计算机工业革命以后，计算机在工业中的应用逐年增加，但由于当时技术落后，硬件条件差，导致运算速度慢，软件功能不达标，可靠性低，而且计算机造价高，设备体积较大等特点，不仅不能提高产量还会给生产带来诸多不便，限制了其在生产上的应用。20世纪90年代以来，工程师发现通过图形用户接口能够访问计算机，所以在设计图形用户接口时不用知道内部运行代码，只需要简洁明了地体现出相关功能，给使用的操作人员带来极大的方便。另外，图形用户接口与早期的命令行界面不同，目前图形用户接口最大的特点就是图标设计更加简洁美观，图形组合布局合理，能够让用户得到便捷的操作体验的同时视觉感受也比较舒适，这是当今计算机技术快速发展的重大成果之一。图形用户界面不需要用户学习枯燥的命令代码，只需要点击屏幕的操作按钮，选择相应的命令菜单，在屏幕上能够将多种输入数据显示出来，极大程度上简化了非专业人员的程序操作过程[1]。21世纪是信息化的时代，计算机的运算存储功能越来越强大，已被运用社会的各个领域，以提高生产力。对于实验室来时，计算机不仅仅应用于管理，实现管理现代化这一层面，更多的是将计算机应用到实际的实验中，实现智能化。同时，大量计算机硬件和计算机技术的介入使理工科实验室的自动化程度越来越高，大大提高实验室工作效率和水平[2]。

三、计算机网络在理工科实验过程中的应用

计算机网络的发展对普通人产生的影响，其中最明显的就是信息资源的共享。计算机的强大存储和检索功能能够将这一复杂的工作进行归纳总结，复杂问题简单化。另外，理工科实验不仅工作量大，对于算法要求比较高，数据处理的任务量大，为了获得新的成果，这就要求有智能的分析。量子物理以及量子计算是近几年比较热门的学科，从微观层面更形象的解释一些现象。比如量子力学就是通过薛定谔波动方程来求解问题，但是薛定谔波动方程尤为复杂，想要人工计算极其困难，可以通过计算机编写相应的算法进行计算就非常简单。计算机化学也是现在化学研究者们应用极多的辅助工具，通过计算机理论模拟某些化学反应中物质的变化、能量或电子的传递过程等，通过模拟手段能够更好地进行化学反应，更深入地认识物质、改造物质、优化反应、控制反应等。计算化学的兴起与发展是计算机技术发展的产物。此外，通过某些计算软件，能够描述原子、分子、晶体的空间结构，推测出在化学反应过程中内部机理的变化。计算机与理工科实验相结合能够化静为动，变抽象为具体，将在真实世界中难以感觉到的虚幻世界、微观世界真实地模拟出来，使人们对实验的过程有更深入的了解和学习，使得微观世界进入了一个可视化的世界。但由于理工科实验过程比较复杂，不确定因素较多，要想使得整个反应过程真正的模型化还比较困难，随着智能工程、思维科学以及人工智能技术的增强，实验过程越来越接近人类专家的思维、推理和决策过程，使得仿真实验更真实化。

四、计算机在理工科数据分析上的应用

过去对实验结果的分析仅仅应用于常量分析，对于精度高的实验结果分析还不能达到要求。近几年，随着计算机与测试仪器的连用，对物质的定性、定量分析都取了很大的进展(如电阻、电导、电位、电容、电流等)，通过计算机实现自动化，能够进行微量组分、痕量组分的测定。而且检测限度低、速度快、反应灵敏、操作简单等优点[3]。近年来核磁共振谱分析应用较广，当材料物质进入磁场后，通过计算机描绘出磁场强度变化后核磁共振谱图，通过对谱图的分析得到材料物质的结构信息。现在各种测试手段都会使用计算机进行分析、绘图甚至直接通过软件对谱图进行处理，为测试人员提供便利。运用自动化甚至人工智能手段进行有关物质的定性、定量分析的发展越来越快，解决了以前靠人力难以解决的问题[3]。但在我国人工智能还处于发展阶段，对很多实验结果分析还具有很大的发展空间。

五、理工科实验数据管理

实验过程中产生了数量相当庞大的数据，为了能够反过来指导实验，需要选择合适的数据库软件对数据进行管理。随着信息技术的高速发展以及人们对数据组织、管理和利用的要求越来越高，数据管理技术也随之发生了显著的发展变化。目前计算机对于数据的管理不仅仅起到存放数据的作用，在存放数据的同时还起到管理作用，形成关系型数据库管理技术，这也是计算机发展史上里程碑的进步。关系型数据库管理技术的原理是集中于将存储数据进行优化管理并方便于后期查询，进一步方便用后的后期查询[4]。目前研究热点之一——大数据就是基于数据库管理技术发展起来的，将繁琐的实验数据进行收集，联机分析处理并应用；大数据管理系统是伴随着现代意义上大数据概念的提出而展开研究的，主要集中于分布式可扩展、异地多备份、多数据层次、支持多用户等方面的发展应用[5]。

六、计算机在实验模拟上的应用

计算机模拟实验能够充分利用现代计算机技术，结合计算机自身的发展技术，为理工科实验提供丰富的信息资源。通过多媒体技术的方式为学生提供生动、形象的实验过程，使得学生对一些对环境、时空、设备要求较高的实验有生动形象的认识，培养学生的想象力以及实践能力。例如：物理和化学上的原子核式结构模型、原子核的链式反应以及化学反应中的所有反应。机械加工过程以及大型设备的制造过程，在学生的课内实验中不可能进行实物开展，但若只是口头讲解没有宏观认识，学生很难对远离生活的大型设备生产有真正理解和认识。所以现在机械专业的很多研究者在对学生讲解的时候会通过无实物进行仿真模拟，正常肉眼是不能观察到这些实验的内部反应机理的，但是这些实验又是理论教学的基础，缺少对这些知识的实验观察理解，要想深层次地了解反应过程，只能依靠计算机模拟，让同学建立真正的知识体系，使学生更好地掌握这些内容。另外，计算机模拟实验可以让学生不受时间和器材的限制，学生随时随地想开展实验都可以，真正做到“因材施教”。计算机模拟实验能够打破固定的地点，打开固定工作的固定枷锁，结合现代思想政治教育的优秀理念，有效缩短实验时间，在一定的时间内学习到更多的相关知识，在实验过程中遇到问题随时可以通过计算机网络查阅到相关知识，进而提高实验效率，并且能够通过实验将相关知识在短时间内进行更好的结合，真正做到理论与实际相结合[6]。

七、计算机在智能操作软件的应用

随着现代化技术的发展和计算机技术的全面化，计算机技术在理工科实验设计中的应用也越来越广泛。计算机绘图(CAD)是目前工程设计中最常用的工具。CAD绘图软件在理工科的各个专业都有所应用，特别是机械专业，能够将复杂的电子原件在平面图形上显示出来，方便设备原件中的细节处理。另外，不管是物理实验还是化学实验其实是一个系统工程，除了工艺需要计算机，其他相关条件的评估也需要计算机的参与。目前物联网技术中很多研究者都是对算法进行优化计算，使其能够更真实，更智能化。

八、结语

社会进步离不开理工科实验技术的提升，理工科技术与计算机技术相辅相成。随着理工科实验技术的发展，计算机技术在其中所起作用也会越来越突出。不仅解决了过去学习理工科中假大空的问题，还能够提高教学质量、提高学习效率，进一步拓宽学生的知识面，在现有理论知识的基础上进行创新，为社会创造出更多的价值。所以要求教师在教《计算机应用基础》这门课的时候要根据该课的特点，将枯燥的理论知识与有趣的实际操作相结合，调动学生对计算机的学习热情，通过主题引导、任务驱动的方法，让学生利用计算机主动去解决实际问题，进而培养学生的学习兴趣。一味的“填鸭式”只会让学生更反感，“兴趣是最好的老师”，没有兴趣根本学不好计算机这门课，更别说掌握计算机这门技术了。所以教师在教学过程中也需要创新，调动课堂气氛推动课堂学习效果，培养学生的实践和创新精神，提高学生的素养，真正做到学以致用[7]。