王恒通

（陕西师范大学 物理学与信息技术学院，陕西 西安 710119）

计算模拟科研方法引入普通物理实验教学的探讨*

王恒通

（陕西师范大学 物理学与信息技术学院，陕西 西安 710119）

普通物理实验是大学理工科专业的基础课程，也是学生进行系统的科学实验技能和科学研究培训的开端。结合普通物理实验自身的特点，将前沿科学研究所用到的研究思想和方法引入到普通物理实验课程教学是实验课程改革发展的一个重要方向。计算模拟的科研方法已经渗透到自然科学和工程技术研究的各个领域，发挥着重要的作用。将计算模拟的科研方法引入到普通物理实验教学对于培养学生创新精神、创造能力和提高学生科研素养有着十分重要的意义。

计算模拟;科研方法;实验教学;普通物理实验

普通物理实验课程是大学理工科一门主要的必修基础课程之一，是学生进入大学后进行系统的实验方法、实验技能、实验数据处理能力和基本科研训练的开端，也是后续的其他实验课程的基础[1]。普通物理实验课程的主要任务是使学生在物理研究的基本方法和基本实验技能等方面受到较为系统的训练，提高学生分析问题、解决问题以及理论联系的能力。随着科学技术的发展，新的教学理念和教学模式融入传统实验教学是当前所有实验教学改革和发展的趋势[2,3]。基于普通物理实验课程的自身特点，结合当前实验课程中面临的问题，探讨将计算模拟的科研方法引入普通物理实验教学提高教学效果的方法和优势。

1 普通物理实验教学面临的问题

普通物理实验课程是数学、物理、化学、医学以及工程技术等学科低年级学生必修的专业基础课程之一。传统上，实验课程的教学环节一般包括以下几个方面：

1）学生课前对实验内容进行预习，整理预习报告；

2）课堂上教师依照实验讲义对相应的实验原理、实验内容进行讲解；

3）教师对实验操作、实验注意事项等进行说明，并对本次实验进行现场演示，并强调操作细节；

4）学生动手进行实验操作，在实验过程中遇到问题教师做进一步指导；

5）学生按照实验讲义要求对实验数据进行整理、分析，并完成实验报告[4-6]。这样在实验课堂上，学生仅仅是按照预设的实验步骤，按部就班地重复实验、获取实验数据进而对相关的物理规律和定理进行验证。整个教学过程很显然是教师占主导，学生并没有对实验结果的预言，以及在实验环境或条件变化时对实验结果的估计，只是盲目被动地、机械地重复实验。另一方面，对于实验数据处理的方法相对陈旧。在实际教学中，学生对数据处理也仅仅求出平均值和做简单的误差分析，并没有对实验误差和实验参数变化的定量讨论。对于数据做图一般采用传统的坐标纸描点做图法，方法也过于陈旧。

2 计算模拟科研方法

随着科学技术的发展，借助高性能计算机，基于数学、物理、化学、生物的基本理论将复杂的自然现象进行抽象、建模、分析和预测，已经称为当今自然科学前沿领域的重要研究方法[7]。这种计算模拟研究方法活跃在物理、化学、生物、材料、地理、生物制药、航天科技等近乎所有的科学和技术领域，甚至金融、经济和社会科学的相关建模分析也会涉及计算模拟的方法[8,9]。从二战时期的“曼哈顿计划”到当前的欧洲脑科学计划、蛋白质等生物大分子模拟以及基于第一性原理材料化学模拟等重大科学研究，计算模拟都有着举足轻重的作用。近年来在也

出现了大量优秀模拟软件，并且在科学研究和技术革新中展示出了强大的优越性。基于模拟计算的重要性和优越性，国内外许多学者也开始在他们也在教学中利用计算模拟的方法将抽象的物理公式和物理过程通过计算机模拟再现[10]。这样使得学生不仅形象化的理解物理概念和物理过程，也让学生学会利用计算机进行科学计算和模拟物理现象，不仅提高了教学效果而且培养了学生的学习能力和科研能力。

3 模拟计算引入普通物理实验课堂

基于“科学是实验的科学，实验是科学的实验”的思想，国内外很多高校先后对实验课程体系、实验内容、教学方法和教学模式进行了深入的改革。另一方面，改革的趋势也明显的注重反映时代特点与时俱进、更加强调由科研转化的教学内容、更加关注对学生的科研能力和科研素养的培养[11]。随着计算机和计算方法的飞速发展,模拟计算已经成为当代自然科学各个领域前沿理论和实验研究的重要工具。将模拟计算的科学研究方法引入普通物理实验的课堂教学中，能够充分体现“学习者为中心”教学理念，发挥学生的主观能动性，提高教学效果。

首先，在预习实验过程中学生利用模拟计算根据实验原理来预计实验结果，加深对本次实验的理解。学生根据教师编写的模拟计算程序可以在计算机上对本次实验进行模拟，得到对本次实验理论模拟的结果。另一方面，学生可以改变相关的实验条件参数，对实验中的一些环境或人为因素导致的实验误差和引起的实验结果的变化进行估计。这样学生不但对实验有了宏观的把握，而且在得到实验数据后对其正确性有了清晰判断标准，从中也知道了朝那个方向调节实验参数来得到正确的实验数据。例如，液体粘滞系数的测量实验一般教学上采用落体球法。一方面，小球在粘度比较大的液体中的运动过程学生很难想象和理解；另一方面，小球在下落过程中匀速运动时间、小球下落收尾速度以及温度对实验的影响都比较难以掌握。学生在预习过程中可以根据模拟计算方法选择可能的参数计算模拟小球在粘性液体中的运动，并能够根据自己对实验的理解设定参数范围模拟出来实际试验中小球的匀速运动时间、下落收尾速度，以及不同温度下小球下落状态差异。这样在实验课堂上，学生可以利用更多的时间熟悉实验仪器、培养动手能力。通过模拟计算在预习中已经估算出实验环境或条件变化时的实验结果，从而可以准确操作实验仪器完成实验、获取实验数据。这样可以让学生掌握实验而非按部就班，对实验不畏惧而有兴趣，提高学生积极主动性。

其次，在得到正确的实验数据后，学生可以利用模拟计算方法对实验结果做进一步的处理，得到规律性的结论，并且可以将实验数据做成更直观图片和视频图像。例如，单摆测量重力加速度的实验要求测量单摆周期T的值，按照数值统计次数做出直放图对比观察误差是否符合正态分布规律。在实际实验中，学生按照传统教学要求实验得到数据后通过手动计算描点画图。但是数据越少得到的结果会失真，而数据越多学生计算任务就越大。引入计算模拟方法后，学生根据教师提供的计算程序，可以尽可能多的测量数据，得到更真实的结果。另一方面，学生可以根据计算模拟来方法拟合数据、并在原有的程序上改变统计参数发挥自己的主观能动性处理数据。

再次，对于实验教学中的自主设计实验，学生可以利用计算模拟设计合理的实验条件,并对实验结果进行预测，提高设计实验成功率。一方面，通过模拟计算对设计实验进行分析，判断其设计实验方案中所赋予条件和实验参数是否合理，实验结果是否能够达到预期目的。另一方面，可以尝试充分调动学生主动性和积极性，鼓励学生大胆尝试，发挥自己的想象力和创造力去设计实验。这样以来，学生更容易理解实验课程、并对实验课程感兴趣，也发挥了学生的主观能动性，进而提高课堂教学质量。

4 结束语

基于普通物理实验的课程特点，探讨了将当前科学前沿的模拟计算研究方法引入普通物理教学实践。一方面，引入计算模拟方法便于学生整体把握实验、有效的处理实验数据和设计自主实验，并且也可以提高学生解决实际问题的能力，更重要的一点也对广大理学生将来的工作或科研进行了先前教育和训练。另一方面，引入计算模拟方法有利于提高教学效果，而且更加重视学生的逻辑思维、学习能力和科研能力培养。

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O45

陕西师范大学青年教师启动项目(No：1110010579)；陕西师范大学教师教学模式创新与实践研究专项基金。