《計(jì)算物理》課程教學(xué)大綱

《計(jì)算物理》課程教學(xué)大綱課程名稱：計(jì)算物理課程編號(hào)：F047092992英文名稱：ComputationalPhysics學(xué)時(shí)：32學(xué)時(shí) 學(xué)分：2學(xué)分開課學(xué)期：第5學(xué)期適用專業(yè)：數(shù)理科學(xué)與工程學(xué)院應(yīng)用物理學(xué)課程類別：理論課課程性質(zhì)：選修課程先修課程：高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、大學(xué)計(jì)算機(jī)、信息光學(xué)一、課程的性質(zhì)及任務(wù)《計(jì)算物理》課程是應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)本科生的一門專業(yè)方向與拓展選修課。著重培養(yǎng)學(xué)生掌握利用計(jì)算機(jī)編程求解物理學(xué)中偏微分方程的各種數(shù)值解法，鞏固已學(xué)過的物理和數(shù)學(xué)物理方程等課程，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行工程和科學(xué)計(jì)算的能力，為后續(xù)深入學(xué)習(xí)有關(guān)理論物理和近代物理打下基礎(chǔ)。通過本課程的整個(gè)教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用計(jì)算技術(shù)和物理專業(yè)知識(shí)分析解決有關(guān)復(fù)雜物理問題的能力，提高學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)。依據(jù)河北工程大學(xué)應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃，本課程需要培養(yǎng)學(xué)生的能力是：具有科學(xué)的世界觀，較系統(tǒng)和完整地掌握物理學(xué)的基本理論、基本知識(shí)和基本技能以及所需的數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)、電工電子學(xué)等方面的基礎(chǔ)知識(shí)。對物理學(xué)相關(guān)專業(yè)方向前沿、發(fā)展動(dòng)態(tài)、應(yīng)用前景有所了解。（畢業(yè)要求指標(biāo)1.1）具有綜合應(yīng)用知識(shí)、解決問題的基本能力、實(shí)驗(yàn)和工程實(shí)踐能力、計(jì)算機(jī)及信息技術(shù)應(yīng)用能力。（畢業(yè)要求指標(biāo)2.3）具有科學(xué)思維方法、科學(xué)精神、創(chuàng)新意識(shí)，具有一定的技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用意識(shí)及工程技術(shù)素養(yǎng)。（畢業(yè)要求指標(biāo)3.1）二、課程目標(biāo)與要求2.1課程目標(biāo)通過計(jì)算物理學(xué)課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握利用計(jì)算機(jī)這一重要工具，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)值計(jì)算和數(shù)字仿真來研究物理現(xiàn)象和物理規(guī)律，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用計(jì)算機(jī)研究物理問題的基本能力和技巧，為研究物理學(xué)提供另外一條途徑。通過本課程的整個(gè)教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用計(jì)算技術(shù)和物理專業(yè)知識(shí)分析解決有關(guān)復(fù)雜物理問題的能力，提高學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)。本課程教學(xué)環(huán)節(jié)主要包括課堂講授、作業(yè)。課堂講授：自制課件、動(dòng)畫，采用多媒體教學(xué)。作業(yè)：每部分都有適當(dāng)數(shù)量的習(xí)題，目的是使學(xué)生能熟練掌握基本概念和基本計(jì)算、培養(yǎng)學(xué)生分析和解決實(shí)際問題的能力。了解計(jì)算物理的發(fā)展簡史，計(jì)算物理與實(shí)驗(yàn)物理、理論物理的區(qū)別和聯(lián)系，了解計(jì)算物理研究的前沿進(jìn)展和應(yīng)用前景；使學(xué)生認(rèn)識(shí)到計(jì)算物理在現(xiàn)代科學(xué)研究領(lǐng)域的重要性，掌握辯證唯物主義基本原理，建立科學(xué)的世界觀和方法論。掌握MATLAB的基本使用方法；了解浮點(diǎn)運(yùn)算與數(shù)值計(jì)算的誤差來源；掌握數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)處理、插值運(yùn)算方法，能夠利用MATLAB相關(guān)指令進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；掌握數(shù)值微分、數(shù)值積分、數(shù)據(jù)插值、曲線擬合、求方程（組）的根，傅里葉變換等基本算法，能夠利用MATLAB相關(guān)指令進(jìn)行數(shù)值運(yùn)算；培養(yǎng)和提高學(xué)生誤差分析和數(shù)據(jù)處理的能力。掌握解常微分方程、偏微分方程的基本思想，能夠利用MATLAB編程。培養(yǎng)和提高學(xué)術(shù)利用計(jì)算物理解決實(shí)際問題的能力。了解隨機(jī)過程，能夠?qū)γ商乜_方法進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。

計(jì)算物理課程教學(xué)大綱數(shù)理科學(xué)與工程學(xué)院本科課程教學(xué)大綱PAGE14PAGE2542.2課程目標(biāo)與畢業(yè)要求對應(yīng)關(guān)系課程目標(biāo)畢業(yè)要求二級(jí)指標(biāo)畢業(yè)要求1234●●●1.1具有科學(xué)的世界觀，較系統(tǒng)和完整地掌握物理學(xué)的基本理論、基本知識(shí)和基本技能以及所需的數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)、電工電子學(xué)等方面的基礎(chǔ)知識(shí)。對物理學(xué)相關(guān)專業(yè)方向前沿、發(fā)展動(dòng)態(tài)、應(yīng)用前景有所了解。1.掌握物理學(xué)的基本理論、基本知識(shí)和基本技能以及所需的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)?！瘛瘛?.3具有綜合應(yīng)用知識(shí)、解決問題的基本能力、實(shí)驗(yàn)和工程實(shí)踐能力、計(jì)算機(jī)及信息技術(shù)應(yīng)用能力2.具備一定的無損檢測、光電檢測、光電傳感等領(lǐng)域的專門知識(shí)，接受科學(xué)思維和物理學(xué)研究方法的訓(xùn)練。●●3.1具有科學(xué)思維方法、科學(xué)精神、創(chuàng)新意識(shí)，具有一定的技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用意識(shí)及工程技術(shù)素養(yǎng)3.具備一定的獨(dú)立獲取知識(shí)的能力、動(dòng)手能力、實(shí)踐能力和技術(shù)開發(fā)能力，養(yǎng)成科學(xué)精神、科學(xué)素養(yǎng)、科學(xué)作風(fēng)，并具有創(chuàng)新意識(shí)。2.3課程目標(biāo)與培養(yǎng)環(huán)節(jié)對應(yīng)矩陣序號(hào)課程目標(biāo)理論教學(xué)課內(nèi)實(shí)驗(yàn)課后作業(yè)1了解計(jì)算物理的發(fā)展簡史，計(jì)算物理與實(shí)驗(yàn)物理、理論物理的區(qū)別和聯(lián)系，了解計(jì)算物理研究的前沿進(jìn)展和應(yīng)用前景；使學(xué)生認(rèn)識(shí)到計(jì)算物理在現(xiàn)代科學(xué)研究領(lǐng)域的重要性，掌握辯證唯物主義基本原理，建立科學(xué)的世界觀和方法論。HL2掌握MATLAB的基本使用方法；了解浮點(diǎn)運(yùn)算與數(shù)值計(jì)算的誤差來源；掌握數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)處理、插值運(yùn)算方法，能夠利用MATLAB相關(guān)指令進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；掌握數(shù)值微分、數(shù)值積分、數(shù)據(jù)插值、曲線擬合、求方程（組）的根，傅里葉變換等基本算法，能夠利用MATLAB相關(guān)指令進(jìn)行數(shù)值運(yùn)算；培養(yǎng)和提高學(xué)生誤差分析和數(shù)據(jù)處理的能力。HM3掌握解常微分方程、偏微分方程的基本思想，能夠利用MATLAB編程。培養(yǎng)和提高學(xué)術(shù)利用計(jì)算物理解決實(shí)際問題的能力。HM4了解隨機(jī)過程，能夠?qū)γ商乜_方法進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用HM注：H表示該能力的在此環(huán)節(jié)重點(diǎn)培養(yǎng)；M表示該能力在此環(huán)節(jié)有應(yīng)用要求；L表示該能力在此環(huán)節(jié)有所涉及。模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程教學(xué)大綱數(shù)理科學(xué)與工程學(xué)院本科教學(xué)大綱PAGE2PAGE2612.4目標(biāo)達(dá)成度的評價(jià)課程目標(biāo)1主要通過理論教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行培養(yǎng)，在課后作業(yè)中有所涉及。主要通過課上對計(jì)算物理的發(fā)展簡史，計(jì)算物理與實(shí)驗(yàn)物理、理論物理的區(qū)別和聯(lián)系，計(jì)算物理研究的前沿進(jìn)展和應(yīng)用前景等討論進(jìn)行平時(shí)考核。目標(biāo)達(dá)成綜合以上內(nèi)容進(jìn)行評價(jià)。課程目標(biāo)2、4主要通過理論教學(xué)環(huán)節(jié)，課上通過編程對所學(xué)內(nèi)容進(jìn)行鞏固，課后作業(yè)進(jìn)行培養(yǎng)。主要通過平時(shí)及期末考試中對數(shù)據(jù)處理、數(shù)值微分、數(shù)值積分、數(shù)據(jù)插值、曲線擬合、求方程（組）的根等基本算法、以及利用MATLAB相關(guān)指令進(jìn)行相關(guān)的數(shù)值進(jìn)行考核。目標(biāo)達(dá)成綜合以上內(nèi)容進(jìn)行評價(jià)。課程目標(biāo)3主要通過理論教學(xué)環(huán)節(jié)，并通過編程對所學(xué)內(nèi)容進(jìn)行應(yīng)用，課后作業(yè)進(jìn)行培養(yǎng)。主要通過平時(shí)作業(yè)對解常微分方程、偏微分方程的基本思想，利用MATLAB編程等內(nèi)容進(jìn)行考核。目標(biāo)達(dá)成綜合以上內(nèi)容進(jìn)行評價(jià)。三、教學(xué)方法及手段理論教學(xué)以課堂講授為主，面向基礎(chǔ)知識(shí)的準(zhǔn)確、扎實(shí)掌握，突出對原理的分析、對算法的總結(jié)以及理論體系的完整建立；理論教學(xué)與物理實(shí)驗(yàn)緊密聯(lián)系，面向知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用；理論教學(xué)注重本課程與高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、信息光學(xué)等課程的聯(lián)系，以大學(xué)物理及信息光學(xué)作為本課程知識(shí)的應(yīng)用背景，結(jié)合高等數(shù)學(xué)有關(guān)概念和原理，基于MATALB軟件對力、熱、光、電等理論知識(shí)進(jìn)行模擬仿真求解。理論教學(xué)與課內(nèi)編程實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，進(jìn)行MATALB的應(yīng)用與訓(xùn)練。課程強(qiáng)調(diào)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)，強(qiáng)調(diào)通過自學(xué)的方式消化、吸收課程的龐大知識(shí)量，并在此基礎(chǔ)上舉一反三。四、課程的基本內(nèi)容與教學(xué)要求第1章簡單物理實(shí)驗(yàn)的模擬[教學(xué)目的與要求]：了解計(jì)算物理的發(fā)展簡史，計(jì)算物理與實(shí)驗(yàn)物理、理論物理的區(qū)別和聯(lián)系，了解計(jì)算物理研究的前沿進(jìn)展和應(yīng)用前景。掌握Matlab軟件；能夠?qū)唵挝锢韺?shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬。[本章主要內(nèi)容]：緒論Matlab軟件簡介簡單物理實(shí)驗(yàn)的模擬[本章重點(diǎn)]：Matlab編程、簡諧振動(dòng)實(shí)驗(yàn)的模擬、光的多縫衍射的模擬[本章難點(diǎn)]：Matlab編程第2章實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)處理[教學(xué)目的與要求]：能夠利用matlab畫統(tǒng)計(jì)直方圖；掌握誤差以及錯(cuò)誤值的剔除方法。[本章主要內(nèi)容]：1、統(tǒng)計(jì)直方圖2、平均值方差標(biāo)準(zhǔn)偏差3、錯(cuò)誤值的剔除 [本章重點(diǎn)]：錯(cuò)誤值的剔除、繪制統(tǒng)計(jì)直方圖[本章難點(diǎn)]：錯(cuò)誤值的剔除第3章實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的插值 [教學(xué)目的與要求]：1、熟悉M函數(shù)文件的編寫2、掌握插值的方法[本章主要內(nèi)容]：1、線性插值2、二次插值3、逐次線性插值法4、n次插值[本章重點(diǎn)]：牛頓插值、拋物線插值、龍格朗日插值[本章難點(diǎn)]：龍格朗日插值第4章實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合[教學(xué)目的與要求]：1、掌握最小二乘法原理；2、熟悉M函數(shù)文件的編寫；3、掌握數(shù)據(jù)擬合的方法[本章主要內(nèi)容]：1、最小二乘法與一元線性擬合2、多元線性擬合3、非線性曲線擬合 [本章重點(diǎn)]：最小二乘法、一元線性擬合、非線性曲線擬合[本章難點(diǎn)]：非線性曲線擬合第5章線性代數(shù)方程組的解法[教學(xué)目的與要求]：1、掌握線性代數(shù)方程組的數(shù)值解法2、掌握matlab內(nèi)部指令直接求解線性代數(shù)方程組；[本章主要內(nèi)容]：1、線性代數(shù)方程組的直接解法2、線性代數(shù)方程組的迭代解法3、幾個(gè)要注意的問題 [本章重點(diǎn)]：高斯消元法、雅克比迭代法[本章難點(diǎn)]：雅克比迭代法第6章靜電場與積分計(jì)算[教學(xué)目的與要求]：1、掌握積分的基本原理；2、掌握變步長辛卜生近似計(jì)算3、能夠利用MATLAB計(jì)算數(shù)值積分。[本章主要內(nèi)容]：1、矩形、梯形和拋物線形積分近似計(jì)算2、變步長辛卜生近似計(jì)算 [本章重點(diǎn)]：變步長辛卜生、龍格庫塔法近似計(jì)算微積分；[本章難點(diǎn)]：變步長辛卜生、龍格庫塔法近似計(jì)算微積分第7章RLC電路與常微分方程的解法[教學(xué)目的與要求]：1、掌握微分的基本原理；2、掌握龍格庫塔法；3、能夠利用MATLAB計(jì)算數(shù)值微分。[本章主要內(nèi)容]：1、RC電路與常微分方程的歐拉解法 2、RLC電路和改進(jìn)的歐拉近似方法3、龍格—庫塔(R—K)方法 [本章重點(diǎn)]：歐拉方法求解微分方程、龍格庫塔近似計(jì)算微分[本章難點(diǎn)]：歐拉方法求解微分方程、龍格庫塔近似計(jì)算微分第8章隨機(jī)過程與蒙特卡羅方法[教學(xué)目的與要求]：1、掌握蒙特卡洛方法基本思想；2、了解偽隨機(jī)數(shù)的產(chǎn)生方法；3、能夠利用M-C方法計(jì)算定積分。[本章主要內(nèi)容]：1、蒙特卡羅方法(M-C方法)應(yīng)用概述2、贗隨機(jī)數(shù)的產(chǎn)生3、用M—C方法計(jì)算定積分[本章重點(diǎn)]：贗隨機(jī)數(shù)的產(chǎn)生；用M—C方法計(jì)算定積分[本章難點(diǎn)]：用M—C方法計(jì)算定積分五、課內(nèi)實(shí)驗(yàn)無六、課程學(xué)時(shí)分配教學(xué)課次教學(xué)內(nèi)容教學(xué)環(huán)節(jié)與計(jì)劃時(shí)數(shù)教學(xué)環(huán)節(jié)計(jì)劃時(shí)數(shù)1簡單物理實(shí)驗(yàn)的模擬理論課62實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)處理理論課33實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的插值理論課4４實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合理論課45線性代數(shù)方程組的解法理論課46靜電場與積分計(jì)算理論課47RLC電路與常微分方程的解法理論課48隨機(jī)過程與蒙特卡羅方法理論課3七、課程考核與成績評定7.1考核方式考核環(huán)節(jié)包括課程學(xué)習(xí)過程考核和期末考試，其中課程過程考核占總成績的50%，分別由課堂表現(xiàn)、課后作業(yè)、編程情況進(jìn)行評定；期末考試成績占總成績的50%。各環(huán)節(jié)的比重如下?？己谁h(huán)節(jié)比重合計(jì)過程考核（平時(shí)成績）課堂表現(xiàn)20%50%作業(yè)30%期末成績期末測試50%50%總計(jì)100%100%7.2考核內(nèi)容及要求本課程為考查課?？己藘?nèi)容及分值分配如下。考核方式考核內(nèi)容分值課程目標(biāo)總分值期末考試70%簡單物理實(shí)驗(yàn)的模擬1～4目標(biāo)150分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)處理2～5目標(biāo)2、3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的插值3～10目標(biāo)2、3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合3～15目標(biāo)2、3線性代數(shù)方程組的解法10～15目標(biāo)2、3靜電場與積分計(jì)算6～20目標(biāo)2、3RLC電路與常微分方程的解法3～15目標(biāo)2、3隨機(jī)過程與蒙特卡羅方法3～10目標(biāo)4過程考核30%課堂表現(xiàn)課堂測試、出勤情況20目標(biāo)1、2、3、420分課后作業(yè)作業(yè)完成情況30目標(biāo)1、2、3、430分7.3成績評定1.課堂表現(xiàn)課堂表現(xiàn)總分20分，由課堂測試與課堂出勤情況評定。其中，課堂測試滿分15分，以客觀題（填空、選擇、判斷）為主，每學(xué)期隨堂測試5~10次，每次測試1~2道題目，每答錯(cuò)一道題目扣0.5分；課堂出勤滿分5分，缺勤一次扣1分，遲到或請假扣0.5分。2.課后作業(yè)課后作業(yè)總分30分，由作業(yè)完成情況評定。每學(xué)期布置作業(yè)8~12次，每次作業(yè)占3分，評分標(biāo)準(zhǔn)如下；評分標(biāo)準(zhǔn)分值標(biāo)準(zhǔn)描述課后作業(yè)3能夠按時(shí)認(rèn)真完成作業(yè)、作業(yè)態(tài)度認(rèn)真、書寫清楚、分析計(jì)算正確。2能夠按時(shí)完成作業(yè)、作業(yè)態(tài)度較好、書寫較清楚、分析計(jì)算基本正確1能夠按時(shí)完成作業(yè)、作業(yè)態(tài)度一般、書寫不清楚、分析計(jì)算錯(cuò)誤較多0不交作業(yè)或作業(yè)態(tài)度不認(rèn)真、抄襲他人作業(yè)3.期末考試采用閉卷考試形式進(jìn)行，期末成績?yōu)榘俜种?，?jì)入總成績時(shí)乘以50%，由教務(wù)處安排考試流程，考試內(nèi)容須覆蓋支撐全部畢業(yè)要求指標(biāo)的授課內(nèi)容，考試完成后在綜合教務(wù)系統(tǒng)中按照設(shè)定的占比系數(shù)錄入成績。八、課程評價(jià)與持續(xù)改進(jìn)8.1課程評價(jià)課程評價(jià)周期定為每1年評價(jià)一次。設(shè)置達(dá)成情況目標(biāo)值，采用成績分析法進(jìn)行評價(jià)。課程達(dá)成評價(jià)根據(jù)光電信息科學(xué)與工程專業(yè)課程達(dá)成評價(jià)方法進(jìn)行計(jì)算，評價(jià)結(jié)果用于持續(xù)改進(jìn)。應(yīng)用物理系負(fù)責(zé)人組織教師實(shí)施課程評價(jià)，制定持續(xù)改進(jìn)措施，監(jiān)督持續(xù)改進(jìn)過程。課程負(fù)責(zé)人負(fù)責(zé)撰寫課程考核