创新能力物理教学论文提纲

论文题目：数值仿真技术辅助大学物理教学研究

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。

关键词：辅助大学物理教学;数值仿真;教学设计;创新能力

学科专业：课程与教学论

摘要

ABSTRACT

目录

引言

(一) 数值仿真技术辅助大学物理教学的提出

(二) 数值仿真技术辅助大学物理教学研究的目的和意义

1. 研究目的

2. 研究意义

(三) 数值仿真技术辅助大学物理教学的研究内容和研究方法

1. 研究内容

2. 研究方法

一、国内外计算机辅助教学研究综述

(一) 国内计算机辅助教学发展情况

1. 国内计算机辅助大学物理教学发展概况

2. 目前存在的主要问题

(二) 国外计算机辅助教学发展情况

二、数值仿真技术辅助大学物理教学的必要性与可行性

(一) 数值仿真技术辅助大学物理教学的必要性

(二) 数值仿真技术辅助大学物理教学的可行性

1. 硬件设备分析

2. 软件因素分析

3. 我国当代大学生的计算机知识储备

4. 物理学科的特点

三、数值仿真技术辅助大学物理教学的理论基础与概念界定

(一) 认知主义学习理论

1. 布鲁纳的发现学习论

(二) 建构主义理论

1. “情境”

2. “协作”

3. “会话”

4. “意义建构”

(三) 心理学理论

1. 当代大学生的心理特点

2. 心理学基础

(四) 大学物理教学论

1. 大学物理教学的作用

2. 大学物理教学的特点

(五) 以上理论基础对数值仿真技术辅助大学物理教学的指导

(六) 课题的基本概念

1. 数值仿真

2. 计算机模拟

四、数值仿真技术辅助大学物理教学设计

(一) 大学物理中涉及的数值计算分类

(二) 开展数值仿真的计算机软件简介

1. Visual Fortran

2. MATLAB

3. Mathematica

4. MathCAD

5. Maple

(三) 运用数值方法解决物理问题的步骤

1. 物理模型的选取

2. 方法的分析

3. 计算机工具选择

4. 具体的数值计算

5. 结论分析

(四) 大学物理计算机模拟程序的开发

1. 开发工具

2. 开发流程

(五) 运用数值方法解决物理问题要遵循的原则

1. 要有明确的目标

2. 要有先进科学的思想和教学理论作指导

3. 要具有科学性，符合学生心理特点，要循序渐进地开展

4. 计算工具要简便实用

5. 要具有趣味性

6. 重视学生主体能动性与教师引导性的结合

7. 不可替代性

(六) 数值仿真技术辅助大学物理教学的途径与方法

1. 以公选课的方式开设数值仿真在大学物理中的应用课程

2. 以专题的形式嵌入大学物理教学

3. 建设数值仿真物理实验室

五、数值仿真技术辅助大学物理教学开发实例

(一) 非线性振动与混沌问题的数值仿真

1. 物理问题的理论背景

2. 混沌问题的数值模拟结果与分析

3. 本例小结

(二) 弹簧摆的内共振特性的数值仿真

1. 问题分析

2. 物理问题的理论背景

3. 弹簧摆内共振特性的数值模拟结果与分析

4. 本例小结

(三) 单泡空化振动系统的动力学数值仿真

1. 问题分析

2. 物理问题的理论背景

3. 数学方法分析

4. 单泡空化振动系统的动力学数值模拟结果与分析

5. 本例小结

(四) 一个典型力学系统的matlab数值仿真

1. 问题分析

2. 利用数值仿真解决力学系统问题的模拟结果与分析

3. 本例小结

(五) 麦克斯韦速率分布问题的matlab数值仿真

1. 物理问题的提出

2. 麦克斯韦速率分布问题的数值模拟结果与分析

3. 本例小结

(六) 光栅衍射强度分布的数值仿真

1. 物理问题的理论推导

2. 光栅衍射强度分布的数值模拟结果与分析

3. 本例小结

(七) 亥姆霍兹线圈产生均匀磁场的三维数值仿真

1. 问题分析

2. 物理问题的理论推导

3. 验证亥姆霍兹线圈产生均匀磁场的数值模拟结果与分析

4. 本例小结

(八) 一道电磁感应习题的matlab数值仿真

1. 问题分析

2. 利用数值仿真解决电磁感应习题的模拟结果与分析

3. 本例小结

(九) 氢原子概率分布问题的数值仿真

1. 问题分析

2. 玻尔的氢原子理论

3. 氢原子的薛定谔方程

4. 量子化条件和量子数

5. 氢原子中电子的概率分布

6. 氢原子概率分布的数值模拟结果与分析

7. 本例小结

六、总结与展望

(一) 研究主要结论

(二) 研究创新点

(三) 研究展望与教学建议

1. 研究展望

2. 教学建议

参考文献

致谢