西安交通大学：《计算物理学》研究生课程教学资源（教案精选）绪论

计算物理徐忠锋栗建兴弯峰赵前1.思政元素科学精神、敬业、学科发展史一一中国超级计算机的崛起。2.结合章节第0章绪论一计算物理的起源与发展，3.教学方法采用案例教学，讨论式教学和启发式教学相结合的方式。4.教学设计第一步：案例十讨论。二战时期核武器研制中涉及的复杂问题，使得计算机介入物理学的研究在所难免，计算物理学就是采用计算科学的方法，应用大规模高速计算机作为工具，解决理论或实验物理范畴的极其复杂的问题。教师在讲授计算物理起源后，让学生探讨我国超级计算机发展历程及最新进展。1958年8月1日我国第一台数字电子计算机一103机诞生，1983年12月4日研制成功银河一号超级计算机，使我国成为继美国、日本之后第三个能独立设计和研制超级计算机的国家，是第一个以发展中国家的身份制造了超级计算机的国家。并继续成功研发了银河二号、银河三号、银河四号为系列的银河超级计算机，使我国成为世界上少数几个能发布5至7天中期数值天气预报的国家之一。1992年我国成功研制了曙光一号超级计算机。在2019年11月T0P500组织发布的最新一期世界超级计算机500强榜单中，我国占据了227个，神威·太湖之光超级计算机位居榜单第三位，天河二号超级计算机位居第四位。2021年我国共有186台超算上榜，虽然上榜数量比上一次的212台减少了26台，但仍蝉联世界第一，“神威太湖之光”排名第四。第二步：案例分析十启发。我国超级计算机的发展可谓是步履满跳，充满了艰辛。教师启迪学生，分析我国科学家们是如何打破美国等西方国家对我们的技术封锁，团结一心、一鼓作气创造这么多了不起的成绩，走出一条崛起之路。从备受屈辱，到连续多年稳坐世界榜首。分析其背后的故事，以及伴随超级计算机的发展，在中长期天气预报、三维地震数据处理、新武器的开发和航天事业等方面作出的重大贡献

计算物理 徐忠锋 栗建兴 弯峰 赵前 1.思政元素 科学精神、敬业、学科发展史——中国超级计算机的崛起。 2.结合章节 第 0 章 绪论—计算物理的起源与发展。 3.教学方法 采用案例教学,讨论式教学和启发式教学相结合的方式。 4.教学设计 第一步:案例＋讨论。二战时期核武器研制中涉及的复杂问题，使得计算机 介入物理学的研究在所难免，计算物理学就是采用计算科学的方法，应用大规模 高速计算机作为工具，解决理论或实验物理范畴的极其复杂的问题。教师在讲授 计算物理起源后，让学生探讨我国超级计算机发展历程及最新进展。 1958 年 8 月 1 日我国第一台数字电子计算机—103 机诞生，1983 年 12 月 4 日研制成功银河一号超级计算机，使我国成为继美国、日本之后第三个能独立设 计和研制超级计算机的国家，是第一个以发展中国家的身份制造了超级计算机的 国家。并继续成功研发了银河二号、银河三号、银河四号为系列的银河超级计算 机，使我国成为世界上少数几个能发布 5 至 7 天中期数值天气预报的国家之一。 1992 年我国成功研制了曙光一号超级计算机。在 2019 年 11 月 TOP500 组织发布 的最新一期世界超级计算机 500 强榜单中，我国占据了 227 个，神威·太湖之光 超级计算机位居榜单第三位，天河二号超级计算机位居第四位。2021 年我国共 有 186 台超算上榜，虽然上榜数量比上一次的 212 台减少了 26 台，但仍蝉联世 界第一，“神威太湖之光”排名第四。 第二步:案例分析＋启发。我国超级计算机的发展可谓是步履蹒跚，充满了 艰辛。教师启迪学生，分析我国科学家们是如何打破美国等西方国家对我们的技 术封锁，团结一心、一鼓作气创造这么多了不起的成绩，走出一条崛起之路。从 备受屈辱，到连续多年稳坐世界榜首。分析其背后的故事，以及伴随超级计算机 的发展，在中长期天气预报、三维地震数据处理、新武器的开发和航天事业等方 面作出的重大贡献

第三步：从案例分析，教师总结，引发学生讨论科学精神和科学家的敬业爱国精神。我国超级计算机的发展，突破技术封锁，从卡脖子到世界第一，既展现了我国科学家们深厚的学术造谐，又深刻的诠释了科学精神，凝聚了科学家们艰苦奋斗，团结拼搏，敢于挑战的精神。激励学生爱国敬业，要向老一辈科学家学习，把个人理想追求融入党和国家事业之中。5.预期教学效果通过案例讲解，教师的引导，以达到立德树人效果。让学生深刻地体会我国超级计算机发展历程中老一辈科学家的家国情怀，领悟科学精神和科学家精神。培养学生树立正确的科学观、价值观和家国情怀。《计算物理》大纲思政元素及小节学时主要内容授课教师讲授时间第0章绪论科学精神和第一章基本数学运算徐忠锋第一节4学时科学家精神，S1-1数值微分弯峰赵前第2学时1-2数值积分S1-3方程求根1-4算例1：双原子分子振动能级半量子化徐忠锋、栗及量子理论的数值计算4学时第二节建兴第二章常微分方程的初值问题弯峰赵前$2-1简单方法S2-2多步法和隐式法52-3Runge-Kutta方法徐忠锋、栗第三节$2-4稳定性问题4学时建兴弯峰赵前$2-5算例2：动力学中的有序和混沌第三章常微分方程的边值和本征值问题徐忠锋、栗93-1边值问题与本征值问题介绍第四节4学时建兴3-2边值问题的数值求解弯峰赵前63-3打靶法求本征值问题第五节2学时弯峰赵前算例1&2（上机训练）S3-4算例3：一维薛定调方程的定态解徐忠锋、栗第四章偏微分方程的数值求解第六节4学时建兴94-1差分法弯峰赵前S4-2椭圆型方程数值求解2学时第七节算例3（上机训练）弯峰赵前第八节4学时$4-3徐忠锋、栗抛物型方程数值求解

第三步: 从案例分析，教师总结，引发学生讨论科学精神和科学家的敬业、 爱国精神。我国超级计算机的发展，突破技术封锁，从卡脖子到世界第一，既展 现了我国科学家们深厚的学术造诣，又深刻的诠释了科学精神，凝聚了科学家们 艰苦奋斗，团结拼搏，敢于挑战的精神。激励学生爱国敬业，要向老一辈科学家 学习, 把个人理想追求融入党和国家事业之中。 5.预期教学效果 通过案例讲解﹐教师的引导，以达到立德树人效果。让学生深刻地体会我国 超级计算机发展历程中老一辈科学家的家国情怀，领悟科学精神和科学家精神。 培养学生树立正确的科学观、价值观和家国情怀。 《计算物理》大纲 小节 主要内容 学时 授课教师 思政元素及 讲授时间 第一节 第 0 章 绪论 第一章 基本数学运算 §1-1 数值微分 §1-2 数值积分 4 学时 徐忠锋 弯峰 赵前 科 学 精 神 和 科学家精神， 第 2 学时 第二节 §1-3 方程求根 §1-4 算例 1：双原子分子振动能级半量子化 及量子理论的数值计算 第二章 常微分方程的初值问题 §2-1 简单方法 §2-2 多步法和隐式法 4 学时 徐忠锋、栗 建兴 弯峰 赵前 第三节 §2-3 Runge-Kutta 方法 §2-4 稳定性问题 §2-5 算例 2：动力学中的有序和混沌 4 学时 徐忠锋、栗 建兴 弯峰 赵前 第四节 第三章 常微分方程的边值和本征值问题 §3-1 边值问题与本征值问题介绍 §3-2 边值问题的数值求解 §3-3 打靶法求本征值问题 4 学时 徐忠锋、栗 建兴 弯峰 赵前 第五节 算例 1&2（上机训练） 2 学时 弯峰 赵前 第六节 §3-4 算例 3：一维薛定谔方程的定态解 第四章 偏微分方程的数值求解 §4-1 差分法 §4-2 椭圆型方程数值求解 4 学时 徐忠锋、栗 建兴 弯峰 赵前 第七节 算例 3（上机训练） 2 学时 弯峰 赵前 第八节 §4-3 抛物型方程数值求解 4 学时 徐忠锋、栗

s4-4双曲型方程数值求解建兴弯峰赵前s4-5算例4：一维含时schrodinger方程的数值求解第五章Monte Carlo方法s5-1MonteCarlo方法的基本思想第九节2学时算例4（上机训练）弯峰赵前S5-2具有特定分布的随机变量的产生徐忠锋、栗科学精神，第s5-3Metropolis等人的算法第十节4学时建兴3学时s5-4MonteCarlo方法的应用弯峰赵前s5-5算例5:二维Ising模型第十2学时弯峰赵前算例5（上机训练）节第六章分子动力学方法96-1分子动力学运动方程数值求解徐忠锋、栗第十二S6-2原胞与边界条件4学时建兴节6-3势函数弯峰赵前6-4分子动力学模拟的基本步骤96-5平衡态分子动力学模拟■其他围绕考勤口课堂表现作业完成情况过程性评价占比：50考核方算例的拓展训练、讨论课式■大作业开卷考试闭卷考试口其他终结性评价占比：50

§4-4 双曲型方程数值求解 §4-5 算例 4：一维含时 Schrodinger 方程 的数值求解第五章 Monte Carlo 方法 §5-1 Monte Carlo 方法的基本思想 建兴 弯峰 赵前 第九节 算例 4（上机训练） 2 学时 弯峰 赵前 第十节 §5-2 具有特定分布的随机变量的产生 §5-3 Metropolis 等人的算法 §5-4 Monte Carlo 方法的应用 §5-5 算例 5：二维 Ising 模型 4 学时 徐忠锋、栗 建兴 弯峰 赵前 科学精神，第 3 学时 第十一 节 算例 5（上机训练） 2 学时 弯峰 赵前 第十二 节 第六章 分子动力学方法 §6-1 分子动力学运动方程数值求解 §6-2 原胞与边界条件 §6-3 势函数 §6-4 分子动力学模拟的基本步骤 §6-5 平衡态分子动力学模拟 4 学时 徐忠锋、栗 建兴 弯峰 赵前 考核方 式 过程性评价 □考勤 □ 课堂表现 ■作业完成情况 ■其他 围绕 算例的拓展训练、讨论课 占比：50 终结性评价 □开卷考试 □闭卷考试 ■大作业 □其他 _ 占比：50