计算物理基础课程大纲

PAGEPAGE2《计算物理基础》课程大纲一、课程信息课程名称计算物理基础适用专业物理学课程代码05011305课程类别必修学分学时2学分/32学时开设学期5先修课程高等数学、力学、电磁学、热学、光学、原子物理学后续课程无二、课程简介《计算物理基础》是利用数值方法求解典型物理问题的一门实用性课程。本课程重视实践操作，结合典型物理问题，强调学习编程思路和训练编程技巧，以MATLAB软件为基础，通过编程语言学习、物理建模、计算方法应用以及用物理思想分析计算结果等四位一体的训练，使学生掌握线性代数、微分方程和积分方程、非线性方程组，以及逼近与拟合、插值与外推等常见计算问题的数值解法和编程技巧，为学生采用数值方法解决物理问题，后续课程的学习、毕业论文的撰写、以及从事有关的科学和技术研究打下基础。三、课程目标（一）课程目标设置通过本课程的学习，学生能达到以下目标：目标1：能熟练使用MATLAB软件操作桌面的基本功能，能运用MATLAB语言数值数组指令及其向量化运算法则，采用恰当的程序结构和计算方法进行基本的数值计算，以及采用相应的绘图指令实现数据和函数的可视化，并编写具有一定功能的M脚本文件和函数文件。目标2：能对力学、热学、电磁学、光学等物理学科中的典型问题进行物理建模，并运用MATLAB编程思路和编程技巧，以恰当的计算方法对物理模型进行编程，以及采用物理思想分析编程计算结果。目标3：能够通过小组学习、专题讨论、网络共享等方式开展计算物理基础的学习活动，感受团队协作的重要性，具有群体合作学习体验。（二）课程目标对毕业要求分解指标的支撑关系毕业要求分解指标课程目标3.学科素养3-3理解物理学与数学、电子信息、计算机等其他学科的紧密联系，了解物理学与人类文明、社会实践之间的关系，能够综合运用物理学及相关学科知识分析和解决实际问题。目标1（H）目标2（H）8.沟通合作8-2理解学习共同体重要作用，具有团队协作精神，能够参加小组学习、专题研讨、团队互动、网络共享等协作学习活动，与同学合作交流，分享经验和资源。目标3（M）（三）课程目标对毕业要求的支撑矩阵图课程目标践行师德学会教学学会育人学会发展师德规范教育情怀学科素养教学能力班级管理综合育人学会反思沟通合作1-11-21-32-12-22-33-13-23-34-14-24-34-45-15-25-36-16-26-37-17-28-18-2课程目标1H课程目标2H课程目标3M四、教学要求课程目标教学内容学时教学重点教学难点教学方式学习方式课程思政结合点目标11.MATLAB命令窗口的操作21.操作桌面的基本功能2.数值和变量3.曲线的绘制4.矩阵的操作1.曲线的绘制2.矩阵的操作课堂讲授操作演示范例分析听课学习课堂练习课堂问答2.程序的结构21.程序的顺序结构2.程序的分支结构3.逻辑运算4.程序的循环结构5.函数文件1.程序的多分支结构2.逻辑运算3.程序的循环结构课堂讲授操作演示范例分析听课学习课堂练习课堂问答3.常用绘图方法21.曲线和曲线族的绘制2.曲面的绘制3.图形动画的制作1.曲线族的绘制2.图形动画的制作课堂讲授操作演示范例分析听课学习课堂练习课堂问答4.常用计算方法21.超越方程的求解2.导数的计算3.积分的计算4.微分方程的求解方法5.偏导数的计算1.导数的计算2.微分方程的求解方法3.偏导数的计算课堂讲授操作演示范例分析听课学习课堂练习课堂问答目标21.MATLAB在力学中的应用71.质点运动学2.牛顿运动定律3.运动守恒定律4.刚体的转动5.机械振动6.机械波1.刚体的转动2.机械振动3.机械波课堂讲授操作演示范例分析听课学习课堂练习课堂问答通过编程分析一些典型力学问题，寻找教科书中不准确的物理图像，培养严谨认真的科学态度。2.MATLAB在波动光学中应用51.光的干涉2.光的衍射3.光的偏振1.光的衍射2.光的偏振课堂讲授操作演示范例分析听课学习课堂练习课堂问答3.MATLAB在热学中的应用41.气体分子运动论2.热力学基础1.气体压强的产生2.循环过程课堂讲授操作演示范例分析听课学习课堂练习课堂问答4.MATLAB在电磁学中的应用61.静电场2.稳恒磁场3.导体、电介质和磁介质4.变化的电磁场1.导体和介质中的磁场2.电磁感应课堂讲授操作演示范例分析听课学习课堂练习课堂问答通过编程分析一些典型电磁学问题，寻找教科书中不准确的物理图像，培养严谨认真的科学态度。目标31.专题讨论与编程训练阻尼弹簧振子的受迫振动0.5要求：查阅资料，分析阻尼弹簧振子的受迫振动模型，小组协作编程分析该运动规律及特征。案例教学问题探究合作探究课堂展示课堂问答2.专题讨论与编程训练夫琅禾费圆孔衍射和瑞利判据0.5要求：查阅资料，利用光学知识分析夫琅禾费圆孔衍射规律，小组协作编程展示衍射图样。案例教学问题探究合作探究课堂展示课堂问答3.专题讨论与编程训练伽尔顿板的模拟0.5要求：查阅热学中涉及伽尔顿板的知识，小组协作编程展示伽尔顿板实验的模拟动画。案例教学问题探究合作探究课堂展示课堂问答4.专题讨论与编程训练带电粒子在非均匀磁场中的运动规律0.5要求：查阅资料，分析带电粒子在非均匀磁场中的运动规律，小组协作编程展示该运动的模拟动画。案例教学问题探究合作探究课堂展示课堂问答五、考核与评价（一）课程考核内容、考核方式与课程目标对应情况课程目标考核内容考核方式形成性评价终结性评价目标1MATLAB软件的基本功能、MATLAB常用指令、编程思路和编程技巧。1.平时作业2.课堂反馈期末技能考试目标2典型力学问题的物理建模与MATLAB编程分析1.平时作业2.课堂反馈期末技能考试典型热学问题的物理建模与MATLAB编程分析典型光学问题的物理建模与MATLAB编程分析典型电磁学问题的物理建模与MATLAB编程分析目标3团队协作1.小组互评（二）考核评价方案考核类型考核内容（题型）考核评价方式考核评价标准分值课程目标平时形成性评价（60%）MATLAB基础1.平时作业2.课堂反馈1.平时作业依据合理的题型和题量合理设置，满分100分。依据程序编制是否合理、运行结果是否正确、图像是否规范美观进行评分。2.课堂反馈依据课堂练习、课堂提问及回答问题情况进行评分。20目标1MATLAB在力学中的应用1.平时作业2.课堂反馈15目标2MATLAB在热学中的应用1.平时作业2.课堂反馈15目标2MATLAB在光学中的应用1.平时作业2.课堂反馈15目标2MATLAB在电磁学中的应用1.平时作业2.课堂反馈15目标2专题讨论与编程训练1.课堂展示2.小组互评每期至少进行一次专题合作探究，满分100分。专题训练的编程内容和运行结果进行展示，依据参与合作学习情况、程序编制与运行结果情况进行教师评价、小组互评和组间评价，其中教师评价40%，小组互评40%，组间评价20%。20目标3期末终结性评价（40%）MATLAB在力、热、电、光中的综合编程应用技能考试严格按照期末技能考核方案及评分细则进行评分。100目标1目标2六、其他（一）自主学习要求《计算物理基础》是一门实践性很强的专业课程，难度较大，除了常规的课堂学习以外，学生需要在课下进行自主学习。主要内容有：1.提前预习，做到上课前心中有数，及时复习，温故而知新。2.阅读和此课程相关的书籍和材料，扩大视野，启发思考。自主学习的成效通过课堂问答形式纳入到平时成绩的形成性考核评价方案中。（二）课程资源1.建议教材《MATLAB可视化大学物理学》，周群益，清华大学出版社，2015年第二版。2.主要参考书《计算物理基础》，彭芳麟，高等教育出版社，2010年第一版。《MATLAB教程（R2018a）》，张志涌，北京航空航天大学出版社，2019年第一版。《计算物理的MATLAB解法与可视化》，唐炼，中国石化出版社，2016年第一版。《MATLAB版大学物理》，马涛，浙江工商大学出版社，2011年第一版。《MATLAB及其在大学物理课程中的应用》，钞曦旭，陕西师范大学出版社，2006年第一版。《MATLAB在大学物理实验中的应用》，杨俊义，苏州大学出版社，2015年第一版。3.课外学习资源超星学习通、中国大学MOOC、高等教育出版社等网络学习平台上的与《计算物理基础》相关的在线开放课程和数字课程。制订时间：2020年9月修订时间：2021年7月附件1《计算物理基础》课程大纲审核评价表审核评价内容执笔教师自查教研室审核专业负责人评价课程目标1.课程目标按照知识、能力、情感或价值观等多维度确定；2.课程目标能体现“产出导向”和“学生中心”，体现学生学习成效；3.课程目标明确支撑毕业要求指标点；4.课程目标能引导课程的教学与考核，具有可学可教可测性。教学要求1.教学内容能够支撑课程目标的实现；2.学时分配合理、教学重难点把握准确、突出；3.教学方式适切课程目标的达成，学习方式能够有效指导学生学习；4.课程思政结合点准确、有效。.课程考核1.考核内容全覆盖且完全支撑课程目标；2.形成性评价方式多样化，评价（评分）标准恰当、具体、细致，体现能力培养；3.终结性评价题型多样，覆盖课程目标落实且分值分配合理，参考答案（技能要点）及评分细则详细。附件及格式要求1.格式完整，要素齐备；2.《课程目标达成度评价办法》科学合理，操作性强，有助于课程教学持续改进。审核评价小组意见：组长签名：年月日整改结果反馈：执笔人签名：年月日教学院审核意见：同意实施。院长签名：年月日附件2《计算物理基础》课程目标达成度评价办法一、评价依据《计算物理基础》课程目标达成度评价依据《数理学院物理学专业课程目标达成度评价实施细则》进行评价。二、评价方法本课程目标达成度评价分为直接评价和间接评价。直接评价采用考核数据定量评价。间接评价采用问卷调查，问卷内容根据课程考试方案进行设计。（一）直接评价1.确定课程目标权重。依据课程目标对毕业要求支撑力度的情况确定各课程目标权重。课程目标对毕业要求的支撑矩阵图课程目标践行师德学会教学学会育人学会发展师德规范教育情怀学科素养教学能力班级管理综合育人学会反思沟通合作1-11-21-32-12-22-33-13-23-34-14-24-34-45-15-25-36-16-26-37-17-28-18-2课程目标1H课程目标2H课程目标3M依据上表，本门课程有3个课程目标，每个课程目标对2个毕业要求的支撑力度有高（H）、中（M）、低（L）之分，为了便于操作，赋值H=3、M=2、L=1。课程目标1对毕业要求分解指标点有a1个H，b1个M，c1个L；课程目标2对毕业要求分解指标点有a2个H，b2个M，c2个L；课程目标3对毕业要求分解指标点有a3个H，b3个M，c3个L；……。按照《数理学院物理学专业课程目标达成度评价实施细则》中课程目标的权重计算公式，.计算出各个课程目标权重。依据上述公式，本课程目标权重分布如下课程目标权重分布表课程目标目标1目标2目标3权重值0.3750.3750.252.课程达成度计算本门课程目标达成度评价由期末考试成绩和形成性考试成绩加权组合计算而成。随机抽取1-2个教学班级为样本，课程考核材料包括期末考试、平时测验、作业、专题报告等。每个课程目标都有支撑该课程目标的教学内容，假设本门课程中支撑第i个课程目标的教学内容期末试卷考核理论总分值为Ti，抽取的样本学生该部分的试卷考核平均得分总值为Si，Ri是该课程支撑第i个课程目标的形成性考核的平均得分总值，支撑第i个课程目标的形成性考核理论总分值为Qi，λ是期末试卷考核占总考核的比例，则第i个课程目标的达成度计算公式为若出现某个Ti或Qi为0，即可能存在