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【摘 要】本文总结与探讨了多媒体仿真趣味物理作为通识选修课的实践过程，主题为利用Matlab、Mathematica等数值模拟软件仿真解决物理学中的一些趣味问题，包括开设准备、开设过程及内容、开设效果、后续展望等。Matlab软件上手快， 通过一个个实际物理问题的仿真实现，学生表现出对物理和matlab很大的兴趣，培养了其探索精神、科学思维和利用计算机解决实际问题的能力。
【关键词】Matlab；仿真物理教学；数值模拟
1. 开设初衷和想法
当今社会，已经是移动互联网时代，计算机已经渗透到每个人的学习、工作和生活中。然而，在大学物理的教学方面，很大程度上，传统的教学模式和教学内容还占据着主导地位，尤其是物理方面利用计算机工具来生动的展示和学习物理的通识选修课还不太多。传统的教学模式和教学内容已经很大程度限制了学生学习物理学和探索科学问题的兴趣和积极性。因此，作者萌发了开设利用计算机多媒体仿真解决物理问题的通识选修课的想法，并进行了两个学期的实践尝试，取得了良好的效果。
2 .开设思路和各种准备
本通识课教学实践具体学期是我校2013-2014学年的第二学期和2014-2015学年的第一学期， 2学分，32课时。所用的教材为周群益教授等主编的《MATLAB可视化大学物理学》[1]。其他参考书见参考文献[2-6]。包括纸质的教材和电子版教材和程序。适用专业：理工科、文科类各专业。不要求任何先修课程。因此本课程的定位为以兴趣为导向，不区分文理、背景和年级，原则上面向全校任何感兴趣的同学都可以选修。实际只有12级和13级的同学才能选上，两学期分别有约30人和80人选修。上课地点为学校机房，这比教室有很大的好处。最大的好处是每位学生一台电脑，可以自主进行编程和运行，让每位学生动起手来，参与进来，比老师展示他们看，效果要好多了。把学习的主动权交还给学生，很大地增加了他们的积极主动性。
传统闭卷考试的课程将本来丰富多彩的物理世界扭曲为了“逼着学生不得不死记硬背、应付考试和分数”的这些功利性很有压力的事情。很多学生原本对物理很感兴趣、对大自然很好奇，但因为惧怕考试而变得讨厌物理，甚至讨厌学习。为了恢复学生的学习主动性和兴趣，缓解学生的压力，让学生在轻松愉快的氛围中“玩中学”，边玩边学到东西，边玩边提升能力，本课程废除了考试，总成绩由平时表现和期末考核各占50%，后者为期末提交一个独立研究某个自选小问题的程序（大作业），最后一两周简单展示一下各自的大作业进行所谓的“答辩”或讨论。
3. 开设过程、内容及效果
本课程这两个学期的开设内容基本上以教材[1]的内容为蓝本，大体框架包含如下内容：
（一）MATLAB应用基础 上1 MATLAB简介2 数值的运算3 常用绘图指令；（二）MATLAB应用基础 下1 程序编制2 常用计算方法及指令函数（三）质点运动学1 平抛小球在地面上跳跃的轨迹2 游泳运动员横渡河流轨迹；（四）质点动力学 刚体转动1 足球比赛中“香蕉球”的轨迹2 我国第一颗人造卫星的椭圆轨道和周期3 斯诺克比赛中台球的碰撞4 轻质杆的斜抛运动；（五） 机械振动机械波1 单摆运动研究2 弹簧摆的运动轨迹 傅科摆 复摆的混沌现象3 同一直线上及相互垂直的两个简谐振动的合成4 波的叠加模拟 驻波的形成5 火车运动的多普勒效应；（六）气体分子运动论和热力学基础1 气体压强的产生2 伽尔顿板的模拟；（七）电磁学1 多个点电荷的静电场分布2 连续带电体的静电场分布3 载流导线的磁场分布4 带电粒子在匀强磁场中的运动5 匀强磁场中旋转导体棒的电动势6 平面电磁波的传播；（八）波动光学（3学时）1 杨氏双缝干涉条纹2 牛顿环3 三个偏振片系统的光强变化；（九）近代物理基础 相对论1 电子的德布罗意波长 电子双缝干涉图样模拟2 氢原子电子云模拟3 势垒隧穿效应模拟4 相对论方面
全学期基本上都是基于Matlab软件进行仿真和实现的。此外，在倒数第3个学期左右，还尝试给学生介绍一种新的工具软件的内容：Mathematica仿真物理简介。内容大体包括Mathematica简介、Mathematica仿真静电场磁场分布及Mathematica仿真与Matlab对比
另外，根据第一个学期实践的经验教训，第二个学期在本课程的开设过程中进行了很多大胆的改进和尝试，主要包括以下方面：
①大胆整合各种不同的教材和教学参考书中的案例，根据教学实际做一些大胆的整合和嫁接，起到取长补短，优势互补的效果，力争做到，把最好的、最精华的内容展现给学生。
②在物理案例内容开始之前适当加大Matlab基础知识和应用方面的训练的比重。磨刀不误砍柴工，虽然Matlab简单易学，容易上手，但毕竟后面不少案例需要用到不少新的或者稍微高级点的Matlab函数，这些对于大部分初次接触Matlab的同学来说毕竟还是比较陌生，这一方面需要引导学生学会自主学习，通过Matlab自带的Help工具或者网络搜索来查找这些新的函数或新的用法，另一方面，在物理案例内容开始之前也适当加大了Matlab基础知识和应用方面的训练的比重。这从教学效果上看来还是值得肯定的，从一定程度上减轻了学生对Matlab的陌生感。
③适当增进各种难度梯度的问题，因材施教。和上一点类似，我们在每一节内容引入时，都尽量设计一些不同的难度梯度的问题，这一方面可以让不同程度的同学都能够“吃得了”和“吃得饱”，另一方面，对于即使能力较强、对Matlab编程等相对比较熟悉的同学，从易到难逐步增加难度的解决问题的步骤也非常符合方法论和认知规律，从简单的上手容易提高效率，更重要的是，学生很容易有成就感和心情愉悦，这些都非常有利于学习的进一步深入下去。
④鼓励学生自主提出改进创意，并自主实现。学生永远是学习的主题，教师只起个引导作用。每个人对原程序进行改进升级，这个过程对他们的创新意识、独立思考和解决问题的能力有非常好的训练。比如遇到问题后的独立思考的机会很多，独立思考没有思路或没有有效解决的话还可以和旁边的同学自由讨论或者和老师讨论。一旦将程序按自己的想法升级成功后，学生的那种成就感和兴奋程度是无以言表的。例如，在学习《机械振动》一章的编程案例《李萨如图形的仿真》时，原程序1是在xy方向振动频率相同时，分别画出了各个子图来表达不同初相差的振动叠加后的图形的动画，而有同学从《声速的测量》实验中得到启发，想让初相差从0到2pi连续变化时，能否将对应的李萨如图形动态显示出来？他将他的想法告诉了老师，老师鼓励他想法有创意要大胆尝试，这位同学经过多方尝试，终于通过改进原程序，配合pause命令等方法最终实现了这个动画效果。成功实现后，学生的那种成就感和兴奋感是难以言表的，学习的主动性提高了，物理学枯燥的公式和文字重新变为一幅幅生动的图形和动画展现在学生的面前。
总之本课程下来，从教学效果上看，大部分同学对丰富多彩的物理世界的兴趣又重新增强了，对matlab的亲切度也增加了，而自己利用matlab解决一些小的实际问题的能力得到了初步锻炼和提升，消除了对高等数学的恐惧，“玩”中学，化被动接受为主动探究式学习。
4. 总结展望
通过本课程的教学实践，宏观上讲，初步探索了移动互联网时代摸索现代化的教学摸索和方法的可行性，可为后期大学物理理论教学、实验教学、计算机数值模拟 有机结合的一体化的有益尝试铺平道路。微观上讲，不仅确实激发了学生学习物理世界奥秘的兴趣，同时体验到编程的乐趣，更重要的是从思维层面，增强了学生的创新意识，训练了科学思维，逐渐恢复了他们原本对科学奥秘的好奇心和对物理和学习的喜爱度，而这些都是比单纯的知识层面的收获还要有积极重要意义的。
参考文献：
[1] 周群益《MATLAB可视化大学物理学》清华大学出版社（2011年出版）
[2] 马涛《数字化大学物理 》浙江大学出版社（2008年出版）
[3] 钟季康 鲍鸿吉等《大学物理习题计算机解法-MATLAB编程应用》机械工业出版社（2008年出版）
[4] 李仲，董松，炊万年，沈武鹏： MATLAB 在大学物理课程及实验教学中的应用 青海民族大学学报（ 教育科学版）2011
[5] 熊万杰. MATLAB 用于物理教学[J]. 物理通报，2004，（2） 16 - 19.
[6]. 《Mathematica与大学物理计算》董键，北京：清华大学出版社，2010，第一版
【关键词】Matlab；仿真物理教学；数值模拟
1. 开设初衷和想法
当今社会，已经是移动互联网时代，计算机已经渗透到每个人的学习、工作和生活中。然而，在大学物理的教学方面，很大程度上，传统的教学模式和教学内容还占据着主导地位，尤其是物理方面利用计算机工具来生动的展示和学习物理的通识选修课还不太多。传统的教学模式和教学内容已经很大程度限制了学生学习物理学和探索科学问题的兴趣和积极性。因此，作者萌发了开设利用计算机多媒体仿真解决物理问题的通识选修课的想法，并进行了两个学期的实践尝试，取得了良好的效果。
2 .开设思路和各种准备
本通识课教学实践具体学期是我校2013-2014学年的第二学期和2014-2015学年的第一学期， 2学分，32课时。所用的教材为周群益教授等主编的《MATLAB可视化大学物理学》[1]。其他参考书见参考文献[2-6]。包括纸质的教材和电子版教材和程序。适用专业：理工科、文科类各专业。不要求任何先修课程。因此本课程的定位为以兴趣为导向，不区分文理、背景和年级，原则上面向全校任何感兴趣的同学都可以选修。实际只有12级和13级的同学才能选上，两学期分别有约30人和80人选修。上课地点为学校机房，这比教室有很大的好处。最大的好处是每位学生一台电脑，可以自主进行编程和运行，让每位学生动起手来，参与进来，比老师展示他们看，效果要好多了。把学习的主动权交还给学生，很大地增加了他们的积极主动性。
传统闭卷考试的课程将本来丰富多彩的物理世界扭曲为了“逼着学生不得不死记硬背、应付考试和分数”的这些功利性很有压力的事情。很多学生原本对物理很感兴趣、对大自然很好奇，但因为惧怕考试而变得讨厌物理，甚至讨厌学习。为了恢复学生的学习主动性和兴趣，缓解学生的压力，让学生在轻松愉快的氛围中“玩中学”，边玩边学到东西，边玩边提升能力，本课程废除了考试，总成绩由平时表现和期末考核各占50%，后者为期末提交一个独立研究某个自选小问题的程序（大作业），最后一两周简单展示一下各自的大作业进行所谓的“答辩”或讨论。
3. 开设过程、内容及效果
本课程这两个学期的开设内容基本上以教材[1]的内容为蓝本，大体框架包含如下内容：
（一）MATLAB应用基础 上1 MATLAB简介2 数值的运算3 常用绘图指令；（二）MATLAB应用基础 下1 程序编制2 常用计算方法及指令函数（三）质点运动学1 平抛小球在地面上跳跃的轨迹2 游泳运动员横渡河流轨迹；（四）质点动力学 刚体转动1 足球比赛中“香蕉球”的轨迹2 我国第一颗人造卫星的椭圆轨道和周期3 斯诺克比赛中台球的碰撞4 轻质杆的斜抛运动；（五） 机械振动机械波1 单摆运动研究2 弹簧摆的运动轨迹 傅科摆 复摆的混沌现象3 同一直线上及相互垂直的两个简谐振动的合成4 波的叠加模拟 驻波的形成5 火车运动的多普勒效应；（六）气体分子运动论和热力学基础1 气体压强的产生2 伽尔顿板的模拟；（七）电磁学1 多个点电荷的静电场分布2 连续带电体的静电场分布3 载流导线的磁场分布4 带电粒子在匀强磁场中的运动5 匀强磁场中旋转导体棒的电动势6 平面电磁波的传播；（八）波动光学（3学时）1 杨氏双缝干涉条纹2 牛顿环3 三个偏振片系统的光强变化；（九）近代物理基础 相对论1 电子的德布罗意波长 电子双缝干涉图样模拟2 氢原子电子云模拟3 势垒隧穿效应模拟4 相对论方面
全学期基本上都是基于Matlab软件进行仿真和实现的。此外，在倒数第3个学期左右，还尝试给学生介绍一种新的工具软件的内容：Mathematica仿真物理简介。内容大体包括Mathematica简介、Mathematica仿真静电场磁场分布及Mathematica仿真与Matlab对比
另外，根据第一个学期实践的经验教训，第二个学期在本课程的开设过程中进行了很多大胆的改进和尝试，主要包括以下方面：
①大胆整合各种不同的教材和教学参考书中的案例，根据教学实际做一些大胆的整合和嫁接，起到取长补短，优势互补的效果，力争做到，把最好的、最精华的内容展现给学生。
②在物理案例内容开始之前适当加大Matlab基础知识和应用方面的训练的比重。磨刀不误砍柴工，虽然Matlab简单易学，容易上手，但毕竟后面不少案例需要用到不少新的或者稍微高级点的Matlab函数，这些对于大部分初次接触Matlab的同学来说毕竟还是比较陌生，这一方面需要引导学生学会自主学习，通过Matlab自带的Help工具或者网络搜索来查找这些新的函数或新的用法，另一方面，在物理案例内容开始之前也适当加大了Matlab基础知识和应用方面的训练的比重。这从教学效果上看来还是值得肯定的，从一定程度上减轻了学生对Matlab的陌生感。
③适当增进各种难度梯度的问题，因材施教。和上一点类似，我们在每一节内容引入时，都尽量设计一些不同的难度梯度的问题，这一方面可以让不同程度的同学都能够“吃得了”和“吃得饱”，另一方面，对于即使能力较强、对Matlab编程等相对比较熟悉的同学，从易到难逐步增加难度的解决问题的步骤也非常符合方法论和认知规律，从简单的上手容易提高效率，更重要的是，学生很容易有成就感和心情愉悦，这些都非常有利于学习的进一步深入下去。
④鼓励学生自主提出改进创意，并自主实现。学生永远是学习的主题，教师只起个引导作用。每个人对原程序进行改进升级，这个过程对他们的创新意识、独立思考和解决问题的能力有非常好的训练。比如遇到问题后的独立思考的机会很多，独立思考没有思路或没有有效解决的话还可以和旁边的同学自由讨论或者和老师讨论。一旦将程序按自己的想法升级成功后，学生的那种成就感和兴奋程度是无以言表的。例如，在学习《机械振动》一章的编程案例《李萨如图形的仿真》时，原程序1是在xy方向振动频率相同时，分别画出了各个子图来表达不同初相差的振动叠加后的图形的动画，而有同学从《声速的测量》实验中得到启发，想让初相差从0到2pi连续变化时，能否将对应的李萨如图形动态显示出来？他将他的想法告诉了老师，老师鼓励他想法有创意要大胆尝试，这位同学经过多方尝试，终于通过改进原程序，配合pause命令等方法最终实现了这个动画效果。成功实现后，学生的那种成就感和兴奋感是难以言表的，学习的主动性提高了，物理学枯燥的公式和文字重新变为一幅幅生动的图形和动画展现在学生的面前。
总之本课程下来，从教学效果上看，大部分同学对丰富多彩的物理世界的兴趣又重新增强了，对matlab的亲切度也增加了，而自己利用matlab解决一些小的实际问题的能力得到了初步锻炼和提升，消除了对高等数学的恐惧，“玩”中学，化被动接受为主动探究式学习。
4. 总结展望
通过本课程的教学实践，宏观上讲，初步探索了移动互联网时代摸索现代化的教学摸索和方法的可行性，可为后期大学物理理论教学、实验教学、计算机数值模拟 有机结合的一体化的有益尝试铺平道路。微观上讲，不仅确实激发了学生学习物理世界奥秘的兴趣，同时体验到编程的乐趣，更重要的是从思维层面，增强了学生的创新意识，训练了科学思维，逐渐恢复了他们原本对科学奥秘的好奇心和对物理和学习的喜爱度，而这些都是比单纯的知识层面的收获还要有积极重要意义的。
参考文献：
[1] 周群益《MATLAB可视化大学物理学》清华大学出版社（2011年出版）
[2] 马涛《数字化大学物理 》浙江大学出版社（2008年出版）
[3] 钟季康 鲍鸿吉等《大学物理习题计算机解法-MATLAB编程应用》机械工业出版社（2008年出版）
[4] 李仲，董松，炊万年，沈武鹏： MATLAB 在大学物理课程及实验教学中的应用 青海民族大学学报（ 教育科学版）2011
[5] 熊万杰. MATLAB 用于物理教学[J]. 物理通报，2004，（2） 16 - 19.
[6]. 《Mathematica与大学物理计算》董键，北京：清华大学出版社，2010，第一版