课程建设简介

课程建设简介

一．课程的基础性，前沿性与时代性

1.教育部物理学与天文学教学指导委员会的三次建议

1998年建议将“计算物理”作为物理系研究生基础课之一。

1999年重申这个建议。

2004年建议将“计算物理基础”设为物理系本科必修课。

教指委强调这门课程是基础课与必修课的原因是,科学计算是近半个世纪以来由于计算机的飞速发展而形成的新的科研手段。计算物理与理论物理、实验物理并列为物理学研究的三大手段，同样也应该是学习物理的三种手段。而我国许多高校的课程中，长期以来只有理论课和实验课，缺少计算物理课，所以我国的计算物理教学相对滞后已是不争的事实。科学计算能力是信息时代物理系学生必备素质之一，开设计算物理课程势在必行，搞好科学计算教育刻不容缓。

2.计算物理的产生与发展

据查证，“计算物理”一词首次正式出现是在美国1963年出版的“计算物理方法”丛书。

1959年美国解密曼哈顿计划，以“计算物理方法”丛书的名义陆续编辑出版。这套丛书从1963年到1977年共出版17卷，内容涉及到统计物理、量子力学、流体力学、核粒子运动、核物理、天体物理、固体物理、等离子体物理、原子与分子散射、地表波、地球物理、射电天文、受控热核反应和大气环流等方面的物理问题，在计算机上进行计算所需要的计算方法以及反映当时水平的研究成果。这套丛书也大致反映了“计算物理”的概貌。

可见，计算物理的物质基础是计算机；计算物理的关键技术是“计算方法”和“程序设计”；计算物理发展的原始动力是美国核武器研制的刺激。

1983年“科学计算”一词首次出现是在给美国政府的一份报告中，提出“科学计算是关系到国家安全、经济发展和科技进步的关键性环节，是事关国家命脉的大事。”这个词的出现标志着计算已经从物理的领域扩展到了所有科学的领域。

3. 国外高校本科计算物理教育的调查

国外名校普遍开设“计算物理”课程。如斯坦福大学给研究生开的课是omputational Physics,采用MATLAB教学。哈佛大学在研究生与本科生开的课是Computational Physics Methods and Applications,而俄勒冈州立大学对一二年级本科生是开设Introductory Scientific Computing,对研究生开设Computational Physics, 教材为Landau & Paez, Computational Physics, Problem Solving with Computeters,Wiley(1997)。

在美国最大的购书网上对书名Computational Physics进行搜索，得到的条目达379条之多，其中有不少颇有名气的专著和教科书已经在国内流传，如高等教育出版社1992年出版的秦克诚翻译的S.T.Koonin的计算物理学。

国外对物理数字化教学也十分重视。早在95-96年间Wiley出版社出版了9本有关物理多媒体教学的丛书,是由大学高等物理软件联盟 (the Consortium for Upper-Level Physics Software (CUPS))所编写的教学软件,CUPS是由美国,澳大利亚,加拿大和英国的27位资深的物理学家与教授所组成。这项工作得到了美国国家科学基金,IBM公司,苹果公司以及美国乔治·梅森大学的资助。丛书包括1.Astrophysics 2. Classical Mechanics

3.Electricity & Magnetism

4. Modern Physics

5. Nuclear and Particle Physics

6.Quantum Mechanics

7. Solid State

8.Thermal and Statistical

9. Waves and Optics。由于编写时间较早，这些软件是在DOS环境下用PASICAL编写的。

此外，在美国的各大学网站上，也有不少教学演示的内容，如

关于量子力学演示的网页：

关于物理教学资源的网站：

MIT的 John Belcher的教学网页及电磁学教学演示：

. His E&M animations are at

4. 国内高校本科计算物理教育的调查

在国内，全国计算物理学会在推广计算物理的应用与计算物理教育方面作了大量的工作。1984年计算物理学会组织的长沙会议交流了国内各学校讲义，课程设置等情况，此后组织出版了一批国内编写的计算物理教材，大约有十多种,这成为国内计算物理教育的主流,与国外畅销的计算物理学的书相比,目前国内的计算物理书的内容还有相当的差距。科学出版社曾经影印出版K.H.Hoffmann编辑的Computational Physics作为中国科学院研究生的教学用书,由于这是一本论文集,并不适宜于作入门的基础教材。2004年计算物理学会在复旦大学召开计算物理教育研讨会,会议代表一致建议,在本科阶段开设计算物理基础课。

就目前国内本科的计算物理教育而言,还存在以下问题:

1）对学生实际运用数值计算来分析研究物理问题的能力培养不够,不少学生直到毕业也不能完成科研论文中常用的数值计算也不会画插图。

2）数学软件如MATLAB,MATHMATICA,MAPLE是一种高效快捷的计算工具,已经在物理学研究的各个领域广泛应用,但在国内在教学中重视不够,许多学生甚至教师不仅不会用数学软件,甚至不知道有那些数学软件可用。

3）在理论教学中一直保持纯理论的公式推导,而不是国外普遍采用的理论分析与数值计算相结合的教学模式。学生只能通过抽象的逻辑分析去思考复杂的理论物理内容,而缺乏更形象具体的手段去研究问题,不少学生因此丧失了学习物理的兴趣.也严重制约了我国理论物理教学水平的进一步的提高。

4） 在计算机语言的教学中,主要以C语言和FORTRAN为主,难度较大，大多数本科生在学习以后还不能真正应用,只能是纸上谈兵。计算机语言的课程安排在四年级，学生学的计算机语言在本科生阶段的物理学习中基本用不上。

二.创建计算物理基础课的历程

我们的工作是从教学需求出发，在教学实践中积累经验与资料，逐渐探索教学规律，经过“理论力学计算机模拟——理论物理计算机模拟——计算物理基础”几个阶段，慢慢走向成功。

1．1998年起，开设研究生的“计算物理”课。以美国Koonin,S.J的Computational Physics为兰本,用MATLAB重新编程，受到学生欢迎。

这期间参与翻译出版《用MAPLE和MATLAB解决科学计算问题》，该书已经被MATLAB 公司收录到它的网站的中文MATLAB书目中。我们的教学工作获北京市教学成果二等奖。

2．为支持理论力学的教改,开设理论力学计算机模拟课,让学生学习用MATLAB解常微分方程,使理论力学中非线性力学的教学顺利完成。