計算物理基礎(chǔ)課程大綱

PAGEPAGE2《計算物理基礎(chǔ)》課程大綱一、課程信息課程名稱計算物理基礎(chǔ)適用專業(yè)物理學(xué)課程代碼05011305課程類別必修學(xué)分學(xué)時2學(xué)分/32學(xué)時開設(shè)學(xué)期5先修課程高等數(shù)學(xué)、力學(xué)、電磁學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、原子物理學(xué)后續(xù)課程無二、課程簡介《計算物理基礎(chǔ)》是利用數(shù)值方法求解典型物理問題的一門實用性課程。本課程重視實踐操作，結(jié)合典型物理問題，強調(diào)學(xué)習(xí)編程思路和訓(xùn)練編程技巧，以MATLAB軟件為基礎(chǔ)，通過編程語言學(xué)習(xí)、物理建模、計算方法應(yīng)用以及用物理思想分析計算結(jié)果等四位一體的訓(xùn)練，使學(xué)生掌握線性代數(shù)、微分方程和積分方程、非線性方程組，以及逼近與擬合、插值與外推等常見計算問題的數(shù)值解法和編程技巧，為學(xué)生采用數(shù)值方法解決物理問題，后續(xù)課程的學(xué)習(xí)、畢業(yè)論文的撰寫、以及從事有關(guān)的科學(xué)和技術(shù)研究打下基礎(chǔ)。三、課程目標(biāo)（一）課程目標(biāo)設(shè)置通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能達(dá)到以下目標(biāo)：目標(biāo)1：能熟練使用MATLAB軟件操作桌面的基本功能，能運用MATLAB語言數(shù)值數(shù)組指令及其向量化運算法則，采用恰當(dāng)?shù)某绦蚪Y(jié)構(gòu)和計算方法進(jìn)行基本的數(shù)值計算，以及采用相應(yīng)的繪圖指令實現(xiàn)數(shù)據(jù)和函數(shù)的可視化，并編寫具有一定功能的M腳本文件和函數(shù)文件。目標(biāo)2：能對力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)等物理學(xué)科中的典型問題進(jìn)行物理建模，并運用MATLAB編程思路和編程技巧，以恰當(dāng)?shù)挠嬎惴椒▽ξ锢砟Ｐ瓦M(jìn)行編程，以及采用物理思想分析編程計算結(jié)果。目標(biāo)3：能夠通過小組學(xué)習(xí)、專題討論、網(wǎng)絡(luò)共享等方式開展計算物理基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)活動，感受團(tuán)隊協(xié)作的重要性，具有群體合作學(xué)習(xí)體驗。（二）課程目標(biāo)對畢業(yè)要求分解指標(biāo)的支撐關(guān)系畢業(yè)要求分解指標(biāo)課程目標(biāo)3.學(xué)科素養(yǎng)3-3理解物理學(xué)與數(shù)學(xué)、電子信息、計算機等其他學(xué)科的緊密聯(lián)系，了解物理學(xué)與人類文明、社會實踐之間的關(guān)系，能夠綜合運用物理學(xué)及相關(guān)學(xué)科知識分析和解決實際問題。目標(biāo)1（H）目標(biāo)2（H）8.溝通合作8-2理解學(xué)習(xí)共同體重要作用，具有團(tuán)隊協(xié)作精神，能夠參加小組學(xué)習(xí)、專題研討、團(tuán)隊互動、網(wǎng)絡(luò)共享等協(xié)作學(xué)習(xí)活動，與同學(xué)合作交流，分享經(jīng)驗和資源。目標(biāo)3（M）（三）課程目標(biāo)對畢業(yè)要求的支撐矩陣圖課程目標(biāo)踐行師德學(xué)會教學(xué)學(xué)會育人學(xué)會發(fā)展師德規(guī)范教育情懷學(xué)科素養(yǎng)教學(xué)能力班級管理綜合育人學(xué)會反思溝通合作1-11-21-32-12-22-33-13-23-34-14-24-34-45-15-25-36-16-26-37-17-28-18-2課程目標(biāo)1H課程目標(biāo)2H課程目標(biāo)3M四、教學(xué)要求課程目標(biāo)教學(xué)內(nèi)容學(xué)時教學(xué)重點教學(xué)難點教學(xué)方式學(xué)習(xí)方式課程思政結(jié)合點目標(biāo)11.MATLAB命令窗口的操作21.操作桌面的基本功能2.數(shù)值和變量3.曲線的繪制4.矩陣的操作1.曲線的繪制2.矩陣的操作課堂講授操作演示范例分析聽課學(xué)習(xí)課堂練習(xí)課堂問答2.程序的結(jié)構(gòu)21.程序的順序結(jié)構(gòu)2.程序的分支結(jié)構(gòu)3.邏輯運算4.程序的循環(huán)結(jié)構(gòu)5.函數(shù)文件1.程序的多分支結(jié)構(gòu)2.邏輯運算3.程序的循環(huán)結(jié)構(gòu)課堂講授操作演示范例分析聽課學(xué)習(xí)課堂練習(xí)課堂問答3.常用繪圖方法21.曲線和曲線族的繪制2.曲面的繪制3.圖形動畫的制作1.曲線族的繪制2.圖形動畫的制作課堂講授操作演示范例分析聽課學(xué)習(xí)課堂練習(xí)課堂問答4.常用計算方法21.超越方程的求解2.導(dǎo)數(shù)的計算3.積分的計算4.微分方程的求解方法5.偏導(dǎo)數(shù)的計算1.導(dǎo)數(shù)的計算2.微分方程的求解方法3.偏導(dǎo)數(shù)的計算課堂講授操作演示范例分析聽課學(xué)習(xí)課堂練習(xí)課堂問答目標(biāo)21.MATLAB在力學(xué)中的應(yīng)用71.質(zhì)點運動學(xué)2.牛頓運動定律3.運動守恒定律4.剛體的轉(zhuǎn)動5.機械振動6.機械波1.剛體的轉(zhuǎn)動2.機械振動3.機械波課堂講授操作演示范例分析聽課學(xué)習(xí)課堂練習(xí)課堂問答通過編程分析一些典型力學(xué)問題，尋找教科書中不準(zhǔn)確的物理圖像，培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度。2.MATLAB在波動光學(xué)中應(yīng)用51.光的干涉2.光的衍射3.光的偏振1.光的衍射2.光的偏振課堂講授操作演示范例分析聽課學(xué)習(xí)課堂練習(xí)課堂問答3.MATLAB在熱學(xué)中的應(yīng)用41.氣體分子運動論2.熱力學(xué)基礎(chǔ)1.氣體壓強的產(chǎn)生2.循環(huán)過程課堂講授操作演示范例分析聽課學(xué)習(xí)課堂練習(xí)課堂問答4.MATLAB在電磁學(xué)中的應(yīng)用61.靜電場2.穩(wěn)恒磁場3.導(dǎo)體、電介質(zhì)和磁介質(zhì)4.變化的電磁場1.導(dǎo)體和介質(zhì)中的磁場2.電磁感應(yīng)課堂講授操作演示范例分析聽課學(xué)習(xí)課堂練習(xí)課堂問答通過編程分析一些典型電磁學(xué)問題，尋找教科書中不準(zhǔn)確的物理圖像，培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度。目標(biāo)31.專題討論與編程訓(xùn)練阻尼彈簧振子的受迫振動0.5要求：查閱資料，分析阻尼彈簧振子的受迫振動模型，小組協(xié)作編程分析該運動規(guī)律及特征。案例教學(xué)問題探究合作探究課堂展示課堂問答2.專題討論與編程訓(xùn)練夫瑯禾費圓孔衍射和瑞利判據(jù)0.5要求：查閱資料，利用光學(xué)知識分析夫瑯禾費圓孔衍射規(guī)律，小組協(xié)作編程展示衍射圖樣。案例教學(xué)問題探究合作探究課堂展示課堂問答3.專題討論與編程訓(xùn)練伽爾頓板的模擬0.5要求：查閱熱學(xué)中涉及伽爾頓板的知識，小組協(xié)作編程展示伽爾頓板實驗的模擬動畫。案例教學(xué)問題探究合作探究課堂展示課堂問答4.專題討論與編程訓(xùn)練帶電粒子在非均勻磁場中的運動規(guī)律0.5要求：查閱資料，分析帶電粒子在非均勻磁場中的運動規(guī)律，小組協(xié)作編程展示該運動的模擬動畫。案例教學(xué)問題探究合作探究課堂展示課堂問答五、考核與評價（一）課程考核內(nèi)容、考核方式與課程目標(biāo)對應(yīng)情況課程目標(biāo)考核內(nèi)容考核方式形成性評價終結(jié)性評價目標(biāo)1MATLAB軟件的基本功能、MATLAB常用指令、編程思路和編程技巧。1.平時作業(yè)2.課堂反饋期末技能考試目標(biāo)2典型力學(xué)問題的物理建模與MATLAB編程分析1.平時作業(yè)2.課堂反饋期末技能考試典型熱學(xué)問題的物理建模與MATLAB編程分析典型光學(xué)問題的物理建模與MATLAB編程分析典型電磁學(xué)問題的物理建模與MATLAB編程分析目標(biāo)3團(tuán)隊協(xié)作1.小組互評（二）考核評價方案考核類型考核內(nèi)容（題型）考核評價方式考核評價標(biāo)準(zhǔn)分值課程目標(biāo)平時形成性評價（60%）MATLAB基礎(chǔ)1.平時作業(yè)2.課堂反饋1.平時作業(yè)依據(jù)合理的題型和題量合理設(shè)置，滿分100分。依據(jù)程序編制是否合理、運行結(jié)果是否正確、圖像是否規(guī)范美觀進(jìn)行評分。2.課堂反饋依據(jù)課堂練習(xí)、課堂提問及回答問題情況進(jìn)行評分。20目標(biāo)1MATLAB在力學(xué)中的應(yīng)用1.平時作業(yè)2.課堂反饋15目標(biāo)2MATLAB在熱學(xué)中的應(yīng)用1.平時作業(yè)2.課堂反饋15目標(biāo)2MATLAB在光學(xué)中的應(yīng)用1.平時作業(yè)2.課堂反饋15目標(biāo)2MATLAB在電磁學(xué)中的應(yīng)用1.平時作業(yè)2.課堂反饋15目標(biāo)2專題討論與編程訓(xùn)練1.課堂展示2.小組互評每期至少進(jìn)行一次專題合作探究，滿分100分。專題訓(xùn)練的編程內(nèi)容和運行結(jié)果進(jìn)行展示，依據(jù)參與合作學(xué)習(xí)情況、程序編制與運行結(jié)果情況進(jìn)行教師評價、小組互評和組間評價，其中教師評價40%，小組互評40%，組間評價20%。20目標(biāo)3期末終結(jié)性評價（40%）MATLAB在力、熱、電、光中的綜合編程應(yīng)用技能考試嚴(yán)格按照期末技能考核方案及評分細(xì)則進(jìn)行評分。100目標(biāo)1目標(biāo)2六、其他（一）自主學(xué)習(xí)要求《計算物理基礎(chǔ)》是一門實踐性很強的專業(yè)課程，難度較大，除了常規(guī)的課堂學(xué)習(xí)以外，學(xué)生需要在課下進(jìn)行自主學(xué)習(xí)。主要內(nèi)容有：1.提前預(yù)習(xí)，做到上課前心中有數(shù)，及時復(fù)習(xí)，溫故而知新。2.閱讀和此課程相關(guān)的書籍和材料，擴大視野，啟發(fā)思考。自主學(xué)習(xí)的成效通過課堂問答形式納入到平時成績的形成性考核評價方案中。（二）課程資源1.建議教材《MATLAB可視化大學(xué)物理學(xué)》，周群益，清華大學(xué)出版社，2015年第二版。2.主要參考書《計算物理基礎(chǔ)》，彭芳麟，高等教育出版社，2010年第一版。《MATLAB教程（R2018a）》，張志涌，北京航空航天大學(xué)出版社，2019年第一版?！队嬎阄锢淼腗ATLAB解法與可視化》，唐煉，中國石化出版社，2016年第一版?！禡ATLAB版大學(xué)物理》，馬濤，浙江工商大學(xué)出版社，2011年第一版?！禡ATLAB及其在大學(xué)物理課程中的應(yīng)用》，鈔曦旭，陜西師范大學(xué)出版社，2006年第一版?！禡ATLAB在大學(xué)物理實驗中的應(yīng)用》，楊俊義，蘇州大學(xué)出版社，2015年第一版。3.課外學(xué)習(xí)資源超星學(xué)習(xí)通、中國大學(xué)MOOC、高等教育出版社等網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺上的與《計算物理基礎(chǔ)》相關(guān)的在線開放課程和數(shù)字課程。制訂時間：2020年9月修訂時間：2021年7月附件1《計算物理基礎(chǔ)》課程大綱審核評價表審核評價內(nèi)容執(zhí)筆教師自查教研室審核專業(yè)負(fù)責(zé)人評價課程目標(biāo)1.課程目標(biāo)按照知識、能力、情感或價值觀等多維度確定；2.課程目標(biāo)能體現(xiàn)“產(chǎn)出導(dǎo)向”和“學(xué)生中心”，體現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)成效；3.課程目標(biāo)明確支撐畢業(yè)要求指標(biāo)點；4.課程目標(biāo)能引導(dǎo)課程的教學(xué)與考核，具有可學(xué)可教可測性。教學(xué)要求1.教學(xué)內(nèi)容能夠支撐課程目標(biāo)的實現(xiàn)；2.學(xué)時分配合理、教學(xué)重難點把握準(zhǔn)確、突出；3.教學(xué)方式適切課程目標(biāo)的達(dá)成，學(xué)習(xí)方式能夠有效指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)；4.課程思政結(jié)合點準(zhǔn)確、有效。.課程考核1.考核內(nèi)容全覆蓋且完全支撐課程目標(biāo)；2.形成性評價方式多樣化，評價（評分）標(biāo)準(zhǔn)恰當(dāng)、具體、細(xì)致，體現(xiàn)能力培養(yǎng)；3.終結(jié)性評價題型多樣，覆蓋課程目標(biāo)落實且分值分配合理，參考答案（技能要點）及評分細(xì)則詳細(xì)。附件及格式要求1.格式完整，要素齊備；2.《課程目標(biāo)達(dá)成度評價辦法》科學(xué)合理，操作性強，有助于課程教學(xué)持續(xù)改進(jìn)。審核評價小組意見：組長簽名：年月日整改結(jié)果反饋：執(zhí)筆人簽名：年月日教學(xué)院審核意見：同意實施。院長簽名：年月日附件2《計算物理基礎(chǔ)》課程目標(biāo)達(dá)成度評價辦法一、評價依據(jù)《計算物理基礎(chǔ)》課程目標(biāo)達(dá)成度評價依據(jù)《數(shù)理學(xué)院物理學(xué)專業(yè)課程目標(biāo)達(dá)成度評價實施細(xì)則》進(jìn)行評價。二、評價方法本課程目標(biāo)達(dá)成度評價分為直接評價和間接評價。直接評價采用考核數(shù)據(jù)定量評價。間接評價采用問卷調(diào)查，問卷內(nèi)容根據(jù)課程考試方案進(jìn)行設(shè)計。（一）直接評價1.確定課程目標(biāo)權(quán)重。依據(jù)課程目標(biāo)對畢業(yè)要求支撐力度的情況確定各課程目標(biāo)權(quán)重。課程目標(biāo)對畢業(yè)要求的支撐矩陣圖課程目標(biāo)踐行師德學(xué)會教學(xué)學(xué)會育人學(xué)會發(fā)展師德規(guī)范教育情懷學(xué)科素養(yǎng)教學(xué)能力班級管理綜合育人學(xué)會反思溝通合作1-11-21-32-12-22-33-13-23-34-14-24-34-45-15-25-36-16-26-37-17-28-18-2課程目標(biāo)1H課程目標(biāo)2H課程目標(biāo)3M依據(jù)上表，本門課程有3個課程目標(biāo)，每個課程目標(biāo)對2個畢業(yè)要求的支撐力度有高（H）、中（M）、低（L）之分，為了便于操作，賦值H=3、M=2、L=1。課程目標(biāo)1對畢業(yè)要求分解指標(biāo)點有a1個H，b1個M，c1個L；課程目標(biāo)2對畢業(yè)要求分解指標(biāo)點有a2個H，b2個M，c2個L；課程目標(biāo)3對畢業(yè)要求分解指標(biāo)點有a3個H，b3個M，c3個L；……。按照《數(shù)理學(xué)院物理學(xué)專業(yè)課程目標(biāo)達(dá)成度評價實施細(xì)則》中課程目標(biāo)的權(quán)重計算公式，.計算出各個課程目標(biāo)權(quán)重。依據(jù)上述公式，本課程目標(biāo)權(quán)重分布如下課程目標(biāo)權(quán)重分布表課程目標(biāo)目標(biāo)1目標(biāo)2目標(biāo)3權(quán)重值0.3750.3750.252.課程達(dá)成度計算本門課程目標(biāo)達(dá)成度評價由期末考試成績和形成性考試成績加權(quán)組合計算而成。隨機抽取1-2個教學(xué)班級為樣本，課程考核材料包括期末考試、平時測驗、作業(yè)、專題報告等。每個課程目標(biāo)都有支撐該課程目標(biāo)的教學(xué)內(nèi)容，假設(shè)本門課程中支撐第i個課程目標(biāo)的教學(xué)內(nèi)容期末試卷考核理論總分值為Ti，抽取的樣本學(xué)生該部分的試卷考核平均得分總值為Si，Ri是該課程支撐第i個課程目標(biāo)的形成性考核的平均得分總值，支撐第i個課程目標(biāo)的形成性考核理論總分值為Qi，λ是期末試卷考核占總考核的比例，則第i個課程目標(biāo)的達(dá)成度計算公式為若出現(xiàn)某個Ti或Qi為0，即可能存在