《计算物理》课程教学大纲

《计算物理》课程教学大纲课程名称：计算物理课程编号：F047092992英文名称：ComputationalPhysics学时：32学时 学分：2学分开课学期：第5学期适用专业：数理科学与工程学院应用物理学课程类别：理论课课程性质：选修课程先修课程：高等数学、大学物理、大学计算机、信息光学一、课程的性质及任务《计算物理》课程是应用物理学专业本科生的一门专业方向与拓展选修课。着重培养学生掌握利用计算机编程求解物理学中偏微分方程的各种数值解法，巩固已学过的物理和数学物理方程等课程，进一步培养学生利用计算机进行工程和科学计算的能力，为后续深入学习有关理论物理和近代物理打下基础。通过本课程的整个教学，培养学生综合运用计算技术和物理专业知识分析解决有关复杂物理问题的能力，提高学生的科学素质。依据河北工程大学应用物理学专业培养计划，本课程需要培养学生的能力是：具有科学的世界观，较系统和完整地掌握物理学的基本理论、基本知识和基本技能以及所需的数学、计算机、电工电子学等方面的基础知识。对物理学相关专业方向前沿、发展动态、应用前景有所了解。（毕业要求指标1.1）具有综合应用知识、解决问题的基本能力、实验和工程实践能力、计算机及信息技术应用能力。（毕业要求指标2.3）具有科学思维方法、科学精神、创新意识，具有一定的技术创新和应用意识及工程技术素养。（毕业要求指标3.1）二、课程目标与要求2.1课程目标通过计算物理学课程的学习，使学生掌握利用计算机这一重要工具，进行数据采集、数值计算和数字仿真来研究物理现象和物理规律，培养学生应用计算机研究物理问题的基本能力和技巧，为研究物理学提供另外一条途径。通过本课程的整个教学，培养学生综合运用计算技术和物理专业知识分析解决有关复杂物理问题的能力，提高学生的科学素质。本课程教学环节主要包括课堂讲授、作业。课堂讲授：自制课件、动画，采用多媒体教学。作业：每部分都有适当数量的习题，目的是使学生能熟练掌握基本概念和基本计算、培养学生分析和解决实际问题的能力。了解计算物理的发展简史，计算物理与实验物理、理论物理的区别和联系，了解计算物理研究的前沿进展和应用前景；使学生认识到计算物理在现代科学研究领域的重要性，掌握辩证唯物主义基本原理，建立科学的世界观和方法论。掌握MATLAB的基本使用方法；了解浮点运算与数值计算的误差来源；掌握数据的统计处理、插值运算方法，能够利用MATLAB相关指令进行数据处理；掌握数值微分、数值积分、数据插值、曲线拟合、求方程（组）的根，傅里叶变换等基本算法，能够利用MATLAB相关指令进行数值运算；培养和提高学生误差分析和数据处理的能力。掌握解常微分方程、偏微分方程的基本思想，能够利用MATLAB编程。培养和提高学术利用计算物理解决实际问题的能力。了解随机过程，能够对蒙特卡罗方法进行实际应用。

计算物理课程教学大纲数理科学与工程学院本科课程教学大纲PAGE14PAGE2542.2课程目标与毕业要求对应关系课程目标毕业要求二级指标毕业要求1234●●●1.1具有科学的世界观，较系统和完整地掌握物理学的基本理论、基本知识和基本技能以及所需的数学、计算机、电工电子学等方面的基础知识。对物理学相关专业方向前沿、发展动态、应用前景有所了解。1.掌握物理学的基本理论、基本知识和基本技能以及所需的数学基础知识。●●●2.3具有综合应用知识、解决问题的基本能力、实验和工程实践能力、计算机及信息技术应用能力2.具备一定的无损检测、光电检测、光电传感等领域的专门知识，接受科学思维和物理学研究方法的训练。●●3.1具有科学思维方法、科学精神、创新意识，具有一定的技术创新和应用意识及工程技术素养3.具备一定的独立获取知识的能力、动手能力、实践能力和技术开发能力，养成科学精神、科学素养、科学作风，并具有创新意识。2.3课程目标与培养环节对应矩阵序号课程目标理论教学课内实验课后作业1了解计算物理的发展简史，计算物理与实验物理、理论物理的区别和联系，了解计算物理研究的前沿进展和应用前景；使学生认识到计算物理在现代科学研究领域的重要性，掌握辩证唯物主义基本原理，建立科学的世界观和方法论。HL2掌握MATLAB的基本使用方法；了解浮点运算与数值计算的误差来源；掌握数据的统计处理、插值运算方法，能够利用MATLAB相关指令进行数据处理；掌握数值微分、数值积分、数据插值、曲线拟合、求方程（组）的根，傅里叶变换等基本算法，能够利用MATLAB相关指令进行数值运算；培养和提高学生误差分析和数据处理的能力。HM3掌握解常微分方程、偏微分方程的基本思想，能够利用MATLAB编程。培养和提高学术利用计算物理解决实际问题的能力。HM4了解随机过程，能够对蒙特卡罗方法进行实际应用HM注：H表示该能力的在此环节重点培养；M表示该能力在此环节有应用要求；L表示该能力在此环节有所涉及。模拟电子技术基础课程教学大纲数理科学与工程学院本科教学大纲PAGE2PAGE2612.4目标达成度的评价课程目标1主要通过理论教学环节进行培养，在课后作业中有所涉及。主要通过课上对计算物理的发展简史，计算物理与实验物理、理论物理的区别和联系，计算物理研究的前沿进展和应用前景等讨论进行平时考核。目标达成综合以上内容进行评价。课程目标2、4主要通过理论教学环节，课上通过编程对所学内容进行巩固，课后作业进行培养。主要通过平时及期末考试中对数据处理、数值微分、数值积分、数据插值、曲线拟合、求方程（组）的根等基本算法、以及利用MATLAB相关指令进行相关的数值进行考核。目标达成综合以上内容进行评价。课程目标3主要通过理论教学环节，并通过编程对所学内容进行应用，课后作业进行培养。主要通过平时作业对解常微分方程、偏微分方程的基本思想，利用MATLAB编程等内容进行考核。目标达成综合以上内容进行评价。三、教学方法及手段理论教学以课堂讲授为主，面向基础知识的准确、扎实掌握，突出对原理的分析、对算法的总结以及理论体系的完整建立；理论教学与物理实验紧密联系，面向知识的实际应用；理论教学注重本课程与高等数学、大学物理、信息光学等课程的联系，以大学物理及信息光学作为本课程知识的应用背景，结合高等数学有关概念和原理，基于MATALB软件对力、热、光、电等理论知识进行模拟仿真求解。理论教学与课内编程实验相结合，进行MATALB的应用与训练。课程强调学生的自主学习，强调通过自学的方式消化、吸收课程的庞大知识量，并在此基础上举一反三。四、课程的基本内容与教学要求第1章简单物理实验的模拟[教学目的与要求]：了解计算物理的发展简史，计算物理与实验物理、理论物理的区别和联系，了解计算物理研究的前沿进展和应用前景。掌握Matlab软件；能够对简单物理实验进行模拟。[本章主要内容]：绪论Matlab软件简介简单物理实验的模拟[本章重点]：Matlab编程、简谐振动实验的模拟、光的多缝衍射的模拟[本章难点]：Matlab编程第2章实验数据的统计处理[教学目的与要求]：能够利用matlab画统计直方图；掌握误差以及错误值的剔除方法。[本章主要内容]：1、统计直方图2、平均值方差标准偏差3、错误值的剔除 [本章重点]：错误值的剔除、绘制统计直方图[本章难点]：错误值的剔除第3章实验数据的插值 [教学目的与要求]：1、熟悉M函数文件的编写2、掌握插值的方法[本章主要内容]：1、线性插值2、二次插值3、逐次线性插值法4、n次插值[本章重点]：牛顿插值、抛物线插值、龙格朗日插值[本章难点]：龙格朗日插值第4章实验数据的拟合[教学目的与要求]：1、掌握最小二乘法原理；2、熟悉M函数文件的编写；3、掌握数据拟合的方法[本章主要内容]：1、最小二乘法与一元线性拟合2、多元线性拟合3、非线性曲线拟合 [本章重点]：最小二乘法、一元线性拟合、非线性曲线拟合[本章难点]：非线性曲线拟合第5章线性代数方程组的解法[教学目的与要求]：1、掌握线性代数方程组的数值解法2、掌握matlab内部指令直接求解线性代数方程组；[本章主要内容]：1、线性代数方程组的直接解法2、线性代数方程组的迭代解法3、几个要注意的问题 [本章重点]：高斯消元法、雅克比迭代法[本章难点]：雅克比迭代法第6章静电场与积分计算[教学目的与要求]：1、掌握积分的基本原理；2、掌握变步长辛卜生近似计算3、能够利用MATLAB计算数值积分。[本章主要内容]：1、矩形、梯形和抛物线形积分近似计算2、变步长辛卜生近似计算 [本章重点]：变步长辛卜生、龙格库塔法近似计算微积分；[本章难点]：变步长辛卜生、龙格库塔法近似计算微积分第7章RLC电路与常微分方程的解法[教学目的与要求]：1、掌握微分的基本原理；2、掌握龙格库塔法；3、能够利用MATLAB计算数值微分。[本章主要内容]：1、RC电路与常微分方程的欧拉解法 2、RLC电路和改进的欧拉近似方法3、龙格—库塔(R—K)方法 [本章重点]：欧拉方法求解微分方程、龙格库塔近似计算微分[本章难点]：欧拉方法求解微分方程、龙格库塔近似计算微分第8章随机过程与蒙特卡罗方法[教学目的与要求]：1、掌握蒙特卡洛方法基本思想；2、了解伪随机数的产生方法；3、能够利用M-C方法计算定积分。[本章主要内容]：1、蒙特卡罗方法(M-C方法)应用概述2、赝随机数的产生3、用M—C方法计算定积分[本章重点]：赝随机数的产生；用M—C方法计算定积分[本章难点]：用M—C方法计算定积分五、课内实验无六、课程学时分配教学课次教学内容教学环节与计划时数教学环节计划时数1简单物理实验的模拟理论课62实验数据的统计处理理论课33实验数据的插值理论课4４实验数据的拟合理论课45线性代数方程组的解法理论课46静电场与积分计算理论课47RLC电路与常微分方程的解法理论课48随机过程与蒙特卡罗方法理论课3七、课程考核与成绩评定7.1考核方式考核环节包括课程学习过程考核和期末考试，其中课程过程考核占总成绩的50%，分别由课堂表现、课后作业、编程情况进行评定；期末考试成绩占总成绩的50%。各环节的比重如下。考核环节比重合计过程考核（平时成绩）课堂表现20%50%作业30%期末成绩期末测试50%50%总计100%100%7.2考核内容及要求本课程为考查课。考核内容及分值分配如下。考核方式考核内容分值课程目标总分值期末考试70%简单物理实验的模拟1～4目标150分实验数据的统计处理2～5目标2、3实验数据的插值3～10目标2、3实验数据的拟合3～15目标2、3线性代数方程组的解法10～15目标2、3静电场与积分计算6～20目标2、3RLC电路与常微分方程的解法3～15目标2、3随机过程与蒙特卡罗方法3～10目标4过程考核30%课堂表现课堂测试、出勤情况20目标1、2、3、420分课后作业作业完成情况30目标1、2、3、430分7.3成绩评定1.课堂表现课堂表现总分20分，由课堂测试与课堂出勤情况评定。其中，课堂测试满分15分，以客观题（填空、选择、判断）为主，每学期随堂测试5~10次，每次测试1~2道题目，每答错一道题目扣0.5分；课堂出勤满分5分，缺勤一次扣1分，迟到或请假扣0.5分。2.课后作业课后作业总分30分，由作业完成情况评定。每学期布置作业8~12次，每次作业占3分，评分标准如下；评分标准分值标准描述课后作业3能够按时认真完成作业、作业态度认真、书写清楚、分析计算正确。2能够按时完成作业、作业态度较好、书写较清楚、分析计算基本正确1能够按时完成作业、作业态度一般、书写不清楚、分析计算错误较多0不交作业或作业态度不认真、抄袭他人作业3.期末考试采用闭卷考试形式进行，期末成绩为百分制，计入总成绩时乘以50%，由教务处安排考试流程，考试内容须覆盖支撑全部毕业要求指标的授课内容，考试完成后在综合教务系统中按照设定的占比系数录入成绩。八、课程评价与持续改进8.1课程评价课程评价周期定为每1年评价一次。设置达成情况目标值，采用成绩分析法进行评价。课程达成评价根据光电信息科学与工程专业课程达成评价方法进行计算，评价结果用于持续改进。应用物理系负责人组织教师实施课程评价，制定持续改进措施，监督持续改进过程。课程负责人负责撰写课程考核