计算模拟软件辅助大学物理教学的研究与实践

大学物理课程是理工科专业的必修基础课程，涵盖经典力学和现代物理的多个知识领域，旨在培养学生的科学思维能力、创新能力和解决实际问题的能力。传统的教学模式主要依赖课堂讲授和实验室实践，虽然能够传授理论知识，但在帮助学生深刻理解和应用这些知识方面仍存在一定局限性。伴随信息技术的高速发展，计算模拟软件强大的计算和可视化能力为物理教学带来了新的机遇。本文将探讨计算模拟软件 Matlab、Gaussian 和 VASP (Vienna Ab initio SimulationPackage) 在大学物理教学中的应用，给出教学案例的设计建议。

1 计算模拟辅助大学物理教学的必要性

计算模拟既可弥补传统教学的不足，又能增强学生的动手能力和自主学习能力，同时促使学生跨学科的学习 [1]。传统物理教学中，复杂的物理现象难以通过实验演示或课堂讲授来直观展示，计算模拟软件可通过虚拟实验和动态可视化的方式，使学生更容易理解抽象概念。计算模拟不仅可以作为教学演示工具，还可以成为学生探索物理问题的实验平台，帮助学生培养独立思考和解决问题的能力。使用计算模拟软件不仅有助于物理知识的学习，还可增强学生在数学、计算机编程及交叉领域的能力。

2 计算模拟与大学物理知识点的结合

计算模拟软件能够将抽象的物理概念转化为可视化的模型和动态的模拟，帮助学生更直观地理解物理现象 [2]。传统的物理教学依赖于课本和实验室教学，而计算模拟提供了第三种方式—计算实验及可视化。与实际实验相比，计算模拟可精确地展示质点运动和刚体转动的动态过程，模拟振动系统和热系统的动态行为，展示电磁波和光学现象的细节，帮助学生理解物理本质。

2.1 基于 Matlab 的教学案例设计

Matlab 是一种强大的数值计算和可视化工具，广泛应用于科学计算、工程模拟和数据分析。其编程环境简洁、易于上手，特别适合在物理教学中进行数值模拟和实验数据分析[3]。其数值计算能力能够精确地模拟复杂运动，帮助学生更好地理解运动的空间和时间关系。其数值积分能力可准确解决振动方程，通过图形界面交互操作实时显示振动的动态过程，提高学生对振动现象的理解。

(1) 刚体转动的模拟

刚体转动涉及到转动惯量、角速度和角加速度等概念。由于转动运动较为复杂，学生往往难以直观理解。利用 Matlab 编写脚本模拟刚体的转动过程，包括单纯转动和在力矩作用下的非均匀转动。通过改变刚体的质量分布、施加不同的力矩，生成刚体转动的角度、角速度和角加速度随时间变化的图像。

(2) 简谐振动的模拟

简谐振动涵盖机械振动、电振动等现象。通过模拟振动系统，可以观察振动的周期性、衰减等特点。使用 Matlab 模拟单摆、弹簧振子的运动过程，设定不同的初始条件（如初始位移、速度、阻尼系数），生成系统的位移、速度、加速度与时间的关系图，并通过动画展示振动过程。

2.2 基于 Gaussian 软件的教学案例设计

Gaussian 软件是一款广泛应用于量子化学领域的计算软件，能够通过量子力学原理模拟分子的电子结构和光谱特性[4]。可帮助学生理解微观世界的物理规律，特别是在热运动和电磁学方面，精确计算分子系统的能量状态和热力学量，帮助学生理解热力学中的统计规律和量子效应；精确预测分子的电荷分布和电场强度，帮助学生从微观层面理解电磁现象。

(1) 热运动的量子模拟

热运动与温度、热力学定律密切相关。利用 Gaussian 模拟分子的热运动，可以让学生从量子力学的角度理解热现象，模拟理想气体中分子的运动，计算分子的能量分布和平均动能，展示不同温度下的分子运动特性。通过模拟不同条件下的分子运动，帮助学生理解微观粒子运动与宏观热力学性质之间的关系。

(2) 分子间电磁相互作用的模拟

电磁学包括电荷、电场、磁场等概念。利用 Gaussian 模拟分子间的静电相互作用，可以帮助学生理解分子尺度上的电磁现象。通过Gaussian 计算简单分子的电荷分布和极化现象，模拟分子间的静电相互作用，并展示不同分子间的电场分布图。

2.3 基于 VASP 的教学案例设计

VASP 是一款用于材料科学和凝聚态物理的第一性原理计算软件。它能够通过密度泛函理论模拟材料的电子结构和物理性质，因此在波动光学、电磁学和热运动等领域的教学中具有独特优势 [5]。VASP 能够精确计算材料的电子结构，模拟材料内部的电磁场分布，帮助学生理解从微观电子态到宏观电磁响应的关联，弥补了传统实验手段的不足。

(1) 晶体材料的光学性质模拟

波动光学和电磁学涉及到光与物质的相互作用，了解材料的光学性质对于理解光波传播、吸收和散射现象至关重要。利用 VASP 可以从材料的电子结构出发，计算其光学响应，模拟晶体材料的电子能带结构和光学吸收谱，分析材料的能带间跃迁和光学吸收特性。学生可通过改变材料的组成或结构，观察其对光学性质的影响，增强对光学现象的理解。

(2) 电磁波与材料相互作用的模拟

电磁波的传播与材料的相互作用是电磁学中的一个重要研究领域。利用 VASP 模拟电磁波在不同晶体材料中的传播过程，分析电磁波的反射、透射和吸收现象。通过模拟不同频率的电磁波（如可见光、X 射线）与材料的相互作用，学生可以理解材料在不同波段下的电磁响应。

结语

通过对 Matlab、 Gaussian 和 VASP 软件在大学物理教学中的应用分析，可以看出，计算模拟技术在物理教学中具有不可替代的作用。首先，计算模拟软件能够将抽象的物理概念和复杂的物理过程直观化、可视化，极大地提升了学生的理解能力。其次，计算模拟软件能够帮助学生开展虚拟实验，培养他们的动手能力和自主学习能力。此外，计算模拟软件的应用还为学生提供了跨学科的学习机会，促进了编程和数值计算技能的发展。未来的教学改革应更加注重信息技术与传统教学的深度融合，推动物理教育的改革与发展。

参考文献：

[1] 陈晓洁 . 虚拟仿真实验在大学物理教学中的融入 [J]. 广西物理 ,2024,45 (02) :70-3+84.

[2] 朱海飞 , 周战荣 , 沈晓芳 . 计算机仿真模拟在大学物理教学中的辅助理解作用 [J]. 科技风 , 023,15:118-20.

[3] 张影 . 基于 MATLAB 的大学物理教学 ; proceedings of the 广东省教师继续教育学会第一届教学与管理研讨会, 线上会议,F,2023[C].

[4] 任欣悦 , 李慧勤 , 尹利杰 . Gaussian 软件及在材料领域中研究进展 [J]. 玻璃 ,2022, 49(1):4.

[5] 杨超超 , 计算机技术 . 基于新一代神威超算的第一性原理软件VASP 优化研究 [D]. 齐鲁工业大学 .

基 金 项 目： 中 原 工 学 院 教 学 改 革 研 究 与 实 践 项 目（2022ZGJGLX082，2024ZGJGLX044）；课程思政示范课程建设项目（2023ZGSZKC026）；2025 年河南省研究生教育改革与质量提升工程项目（YJS2025GZZ14）。

通讯作者：郑利敏