《计算物理》课程教学大纲

《计算物理》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：光电信息科学与工程专业、应用物理学专业课程类别：理论课课程性质：专业方向与拓展先修课程：高等数学；电磁学；力学；Fortran或Python语言一、课程的性质及任务《计算物理》是光电信息科学与工程专业和应用物理学专业的一门主要专业选修课，是一门理论性和实践性都很强的综合性课程通过本课程的学习，使学生能够了解计算物理的发展简史，基本思想及其对现代物理学发展的支撑作用；系统掌握常见数据处理、解（常、偏）微分方程的基本思想，能够熟练使用软件解决上述问题。通过本课程，培养学生严谨的科学态度和分析问题的逻辑性与条理性、精益求精的工匠精神以及奋发图强的科技报国精神；培养学生从实际出发，在理论指导下灵活处理问题的能力，为学习后续课程打下基础。依据河北工程大学光电信息科学与工程专业以及应用物理学专业培养计划，本课程需要培养学生的能力是：提高数据处理和解决实际物理问题的能力，培养科研创新素养，为今后科研和工作起到铺垫作用。具备解决物理建模等工程问题所需要的工程基础共性知识。掌握基本的数值计算方法以及物理学中常用的数值计算方法。具备科学创新精神，勇于在物理学前沿及交叉领域探索与攀登。二、课程目标与要求2.1课程目标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；掌握软件的基本使用方法；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，能够利用软件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，能够利用软件编程。2.2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12345●●●●1.3掌握光电信息科学与工程专业所需的计算机基础、软件开发及应用等必要的知识，具备从事信息系统技术工作的能力。1.能够运用相关软件解决工程中遇到的物理问题。●●●●2.15掌握计算机、网络技术、通信技术、信息检索等与光电信息科学与工程相关的信息技术工具和有效资源，具备综合运用上述工具及资源进行系统研究、设计与开发的能力。2.能够运用相关软件知识，并通过查阅文献、规范、标准对复杂工程问题进行识别、分析、优化，并获得有效结论。●3.1具有爱国主义情操，尊重生命，关爱他人，主张正义，具有人文知识、思辨能力、处世能力和科学精神3.能够在解决问题的过程中体现创新意识，考虑国家、社会、健康、安全、法律、文化以及环境等因素。●3.2了解国情，理解社会主义核心价值观，维护国家利益，具有推动民族复兴和社会进步的责任感。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能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HL2掌握掌握软件的基本使用方法HL3能进行数值微分、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，HL4能够利用软件相关指令进行数值运算HL5能够利用软件求解常微分方程、偏微分方程HL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。测控电路课程教学大纲数理科学与工程学院本科课程教学大纲.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。主要通过学生课上对该部分内容问题的理解、编程中考虑到的程序细节进行评价。课程2、3、4、5主要通过理论教学环节进行培养，在课后作业中有所涉及。主要通过课堂测试、课后作业和期末考试中物理问题的建模、编程进行考核。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、对方法的总结以及理论体系的完整建立；理论教学强调将编程与各种工程实现的实际情况紧密联系，面向知识的实际应用；理论教学注重本课程与《电路分析基础》，以RLC电路为典型需求作为本课程知识的应用背景，结合电路相关理论解释本课程的有关概念和原理。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部分简单物理实验的模拟[教学目的与要求]：了解数值计算软件，并能熟练运用该软件进行简谐振动、振动合成、驻波以及光的多缝衍射的模拟。[主要内容]：1、简谐振动实验的模拟2、振动合成原理的模拟3、驻波的模拟4、光的多缝衍射的模拟[本部分重点]：简谐振动实验的模拟。光的多缝衍射的模拟。[本部分难点]：简谐振动、光的多缝衍射的程序编写。第2部分实验数据的统计处理[教学目的与要求]：了解统计直方图并能利用数值计算软件绘制统计直方图；掌握平均值、方差、标准偏差的计算；掌握错误值得剔除方法并能编程。[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 [本部分重点]：错误值的剔除绘制统计直方图[本部分难点]：错误值的剔除程序编写第3部分实验数据的插值 [教学目的与要求]：掌握线性插值、二次插值并能进行编程运算；了解逐次线性插值和n次插值。[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[本部分重点]：牛顿插值、抛物线插值、龙格朗日插值[本部分难点]：龙格朗日插值的编程第4部分实验数据的拟合[教学目的与要求]：掌握最小二乘法基本原理；掌握一元线性拟合并能编程；掌握多元线性拟合并编程；了解非线性曲线拟合。[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[本部分重点]：最小二乘法、一元线性拟合多元线性拟合[本部分难点]：多元线性拟合编程第5部分线性代数方程组的解法[教学目的与要求]：掌握线性代数方程组的直接解法与迭代解法；能够熟练进行线性代数方程组的编程求解；了解线性代数方程组几个编程中需要注意的问题。[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[本部分重点]：高斯消元法、雅克比迭代法[本部分难点]：高斯消元法、雅克比迭代法编程第6部分静电场与积分计算[教学目的与要求]：掌握矩形、梯形和抛物线形积分近似计算；掌握变步长辛卜生近似计算。[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[本部分重点]：变步长辛卜生龙格库塔法近似计算微积分[本部分难点]：变步长辛卜生计算微积分编程第7部分RLC电路与常微分方程的解法[教学目的与要求]：掌握常微分方程的欧拉解法；掌握常微分方程的改进欧拉近似方法。[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[本部分重点]：欧拉方法求解微分方程龙格库塔近似计算微分[本部分难点]：改进欧拉方法求解微分的编程第8部分随机过程与蒙特卡罗方法[教学目的与要求]：了解蒙特卡洛方法基本思想；了解赝随机数的产生；能够利用蒙特卡洛方法计算定积分。[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[本部分重点]：M—C方法基本原理用M—C方法计算定积分[本部分难点]：用M—C方法计算定积分程序五、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第一部分简单物理实验的模拟理论课42第二部分实验数据的统计处理理论课43第三部分实验数据的插值理论课4４第四部分实验数据的拟合理论课45第五部分线性代数方程组的解法理论课46第六部分静电场与积分计算理论课47第七部分RLC电路与常微分方程的解法理论课48第八部分随机过程与蒙特卡罗方法理论课4七、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40%，分别由课堂表现、课后作业、实验情况进行评定；期末考试成绩占总成绩的60%。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15%30%作业15%期末成绩期末测试70%70%总计100%100%7.2考核内容及要求本课程为考试课。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%计算物理软件的简单操作20～35目标1、2100分数值微分、数值积分、数据插值、曲线拟合40～65目标3求解常微分方程25～15目标4蒙特卡洛思想求解积分10～15目标5过程考核30%课堂表现课堂测试、出勤情况15目标1-515分课后作业作业完成情况15目标2-515分7.3成绩评定1.课堂表现课堂表现总分15分，由课堂测试与课堂出勤情况评定。其中，课堂测试满分10分，以客观题（填空、选择、判断）为主，每学期随堂测试15~20次，每次测试1~2道题目，每答错一道题目扣0.5分（直到扣满10分为止）；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15分，由作业完成情况评定。每学期布置作业5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4.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70%，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、应用物理学专业课程达成评价方法进行计算，评价结果用于持续改进。光电系、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总结报告，实施课程评价持续改进。8.2持续改进1）日常教学：根据学生学习情况，教师采取座谈会、与学生单独交流，及时调整教学方法、进度，做出教学改进。2）课堂质疑或短时间交流讨论：对课堂质疑或讨论的效果进行分析，提出课程持续改进意