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数值仿真技术辅助大学物理教学研究

杨阳  
【摘要】: 目前,通过计算机进行科学计算来解决实际问题的能力日益成为广大理工科学生所必须拥有的能力。大学物理作为物理系的专业课程,对初步培养学生的物理思维和研究方法起着至关重要的作用。但目前一些院校的大学物理课程在教学中存在方法和手段上的弊端:教学方法和手段显得较为落后,未能充分发挥其培养学生学习能力、创新能力和促使学生科学素质育成的作用。 在大学物理教学中引导大学生用计算机进行数值仿真是计算机辅助物理教学的新内涵,也是计算机与大学物理课程结合下的产物。本文首先从数值仿真技术辅助大学物理教学的角度出发,根据认知主义学习理论、建构主义理论、心理学理论和大学物理教学论的相关理论,阐述了这些理论基础在数值仿真技术辅助大学物理教学中的应用,并提出了自己的观点。然后,本文分别从力、热、光、电、原五个方面介绍了笔者设计开发的九个比较具有代表性的实例,对数值仿真技术辅助大学物理教学进行了探索性研究,展现了利用数值仿真的方法解决复杂物理问题的优势。以上两点也是本论文的创新点。 本文大体可分为以下三部分: 第一部分是对数值仿真技术辅助大学物理教学的一般讨论。在引言和第一章首先介绍了国内外计算机辅助物理教学的背景及研究现状,对目前大学物理课程和教学中存在的问题进行了分析,并在此基础上确立了本研究的目的,阐述了本论文的意义。第二章对数值仿真技术辅助大学物理教学做了必要性和可行性研究,说明了数值仿真技术辅助大学物理教学不仅能加深学生对大学物理知识的理解,更能使学生从参与数值计算的过程中获得运用计算机解决实际物理问题的能力。通过分析我国现阶段高校中计算机硬件条件的配备情况以及我国目前大学生计算机基础水平,说明了现阶段在我国大学物理教学中组织学生开展数值计算是可行的。本文第三章阐述了相关的认知主义学习理论、建构主义理论、心理学理论和大学物理教学论,并以此为指导,在第四章对数值仿真技术辅助大学物理教学进行了教学设计。 第二部分介绍了在MATLAB环境下编写通过数值仿真技术解决物理问题的实例。把数值仿真技术引入大学物理教学,让学生以数学软件MATLAB为学习工具,通过自主探索式学习来掌握所引入的大学物理的基本概念和内容,从而提高了学生利用计算机的数值计算和模拟技术来研究大学物理问题的能力,避开了烦琐的解析计算过程进而降低研究难度,并将模拟结果可视化,为分析和研究物理学问题提供了一种方便途径。调动了学生学习的积极性和主动性,发展了学生的智力,培养了学生的探究能力和研究能力。 最后,结束语部分对本课题研究作总结,指出了本课题研究的不足和课题研究的发展方向。 本文所得到的结论旨在为数值仿真技术辅助大学物理教学提供指导和建议。本文提出要在大学物理教学中引导学生开展数值仿真,并不是要取代现行的大学物理教学模式、教学方法和教学内容,而是主旨在于向学生提供一种利用计算机解决物理问题的方法,为数值仿真技术辅助大学物理教学提供一些实践意义上的参考。


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