□胡愛(ài)云

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)在理工科實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的作用不容小覷。物理、化學(xué)、生物等實(shí)驗(yàn)過(guò)程中各種自動(dòng)化儀器儀表的使用以及各種智能控制技術(shù)的發(fā)展，使得理工科實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的自動(dòng)化程度越來(lái)越高。

一、計(jì)算機(jī)在教學(xué)過(guò)程中的主要應(yīng)用

計(jì)算機(jī)普及之后，不管中小學(xué)還是大學(xué)均使用多媒體教學(xué)，特別在理工科的教學(xué)中，多媒體教學(xué)的引入尤為重要。在理工科平時(shí)的教學(xué)過(guò)程中，板書會(huì)占用太多時(shí)間，定義及公式的推導(dǎo)步驟較多且比較繁瑣，圖形的講解受到限制。使用多媒體技術(shù)代替板書，不僅在課堂上能夠給學(xué)生講解更熟的知識(shí)，而且可以通過(guò)動(dòng)畫形象表示出機(jī)理等深層次的研究?jī)?nèi)容吸引學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，可讓學(xué)生學(xué)習(xí)更多的知識(shí)，增加知識(shí)容量，課堂不再僅是教師講學(xué)生記的過(guò)程，可以互相探討，讓學(xué)生主動(dòng)去思考、去探索、去歸納總結(jié)，往往事半功倍。采用計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)可以學(xué)習(xí)到更多的知識(shí)，拓寬學(xué)習(xí)的知識(shí)面同時(shí)加大知識(shí)密度，使得學(xué)習(xí)的知識(shí)能連貫成體系。學(xué)生更容易理解和吸收，做題時(shí)能夠交叉運(yùn)用，所以多媒體教學(xué)是提高教學(xué)效率的最有效途徑。

二、計(jì)算機(jī)在理工科實(shí)驗(yàn)過(guò)程的主要應(yīng)用

在第一次計(jì)算機(jī)工業(yè)革命以后，計(jì)算機(jī)在工業(yè)中的應(yīng)用逐年增加，但由于當(dāng)時(shí)技術(shù)落后，硬件條件差，導(dǎo)致運(yùn)算速度慢，軟件功能不達(dá)標(biāo)，可靠性低，而且計(jì)算機(jī)造價(jià)高，設(shè)備體積較大等特點(diǎn)，不僅不能提高產(chǎn)量還會(huì)給生產(chǎn)帶來(lái)諸多不便，限制了其在生產(chǎn)上的應(yīng)用。20世紀(jì)90年代以來(lái)，工程師發(fā)現(xiàn)通過(guò)圖形用戶接口能夠訪問(wèn)計(jì)算機(jī)，所以在設(shè)計(jì)圖形用戶接口時(shí)不用知道內(nèi)部運(yùn)行代碼，只需要簡(jiǎn)潔明了地體現(xiàn)出相關(guān)功能，給使用的操作人員帶來(lái)極大的方便。另外，圖形用戶接口與早期的命令行界面不同，目前圖形用戶接口最大的特點(diǎn)就是圖標(biāo)設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)潔美觀，圖形組合布局合理，能夠讓用戶得到便捷的操作體驗(yàn)的同時(shí)視覺(jué)感受也比較舒適，這是當(dāng)今計(jì)算機(jī)技術(shù)快速發(fā)展的重大成果之一。圖形用戶界面不需要用戶學(xué)習(xí)枯燥的命令代碼，只需要點(diǎn)擊屏幕的操作按鈕，選擇相應(yīng)的命令菜單，在屏幕上能夠?qū)⒍喾N輸入數(shù)據(jù)顯示出來(lái)，極大程度上簡(jiǎn)化了非專業(yè)人員的程序操作過(guò)程[1]。21世紀(jì)是信息化的時(shí)代，計(jì)算機(jī)的運(yùn)算存儲(chǔ)功能越來(lái)越強(qiáng)大，已被運(yùn)用社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域，以提高生產(chǎn)力。對(duì)于實(shí)驗(yàn)室來(lái)時(shí)，計(jì)算機(jī)不僅僅應(yīng)用于管理，實(shí)現(xiàn)管理現(xiàn)代化這一層面，更多的是將計(jì)算機(jī)應(yīng)用到實(shí)際的實(shí)驗(yàn)中，實(shí)現(xiàn)智能化。同時(shí)，大量計(jì)算機(jī)硬件和計(jì)算機(jī)技術(shù)的介入使理工科實(shí)驗(yàn)室的自動(dòng)化程度越來(lái)越高，大大提高實(shí)驗(yàn)室工作效率和水平[2]。

三、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)在理工科實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的應(yīng)用

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展對(duì)普通人產(chǎn)生的影響，其中最明顯的就是信息資源的共享。計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大存儲(chǔ)和檢索功能能夠?qū)⑦@一復(fù)雜的工作進(jìn)行歸納總結(jié)，復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)單化。另外，理工科實(shí)驗(yàn)不僅工作量大，對(duì)于算法要求比較高，數(shù)據(jù)處理的任務(wù)量大，為了獲得新的成果，這就要求有智能的分析。量子物理以及量子計(jì)算是近幾年比較熱門的學(xué)科，從微觀層面更形象的解釋一些現(xiàn)象。比如量子力學(xué)就是通過(guò)薛定諤波動(dòng)方程來(lái)求解問(wèn)題，但是薛定諤波動(dòng)方程尤為復(fù)雜，想要人工計(jì)算極其困難，可以通過(guò)計(jì)算機(jī)編寫相應(yīng)的算法進(jìn)行計(jì)算就非常簡(jiǎn)單。計(jì)算機(jī)化學(xué)也是現(xiàn)在化學(xué)研究者們應(yīng)用極多的輔助工具，通過(guò)計(jì)算機(jī)理論模擬某些化學(xué)反應(yīng)中物質(zhì)的變化、能量或電子的傳遞過(guò)程等，通過(guò)模擬手段能夠更好地進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，更深入地認(rèn)識(shí)物質(zhì)、改造物質(zhì)、優(yōu)化反應(yīng)、控制反應(yīng)等。計(jì)算化學(xué)的興起與發(fā)展是計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物。此外，通過(guò)某些計(jì)算軟件，能夠描述原子、分子、晶體的空間結(jié)構(gòu)，推測(cè)出在化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中內(nèi)部機(jī)理的變化。計(jì)算機(jī)與理工科實(shí)驗(yàn)相結(jié)合能夠化靜為動(dòng)，變抽象為具體，將在真實(shí)世界中難以感覺(jué)到的虛幻世界、微觀世界真實(shí)地模擬出來(lái)，使人們對(duì)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程有更深入的了解和學(xué)習(xí)，使得微觀世界進(jìn)入了一個(gè)可視化的世界。但由于理工科實(shí)驗(yàn)過(guò)程比較復(fù)雜，不確定因素較多，要想使得整個(gè)反應(yīng)過(guò)程真正的模型化還比較困難，隨著智能工程、思維科學(xué)以及人工智能技術(shù)的增強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程越來(lái)越接近人類專家的思維、推理和決策過(guò)程，使得仿真實(shí)驗(yàn)更真實(shí)化。

四、計(jì)算機(jī)在理工科數(shù)據(jù)分析上的應(yīng)用

過(guò)去對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析僅僅應(yīng)用于常量分析，對(duì)于精度高的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析還不能達(dá)到要求。近幾年，隨著計(jì)算機(jī)與測(cè)試儀器的連用，對(duì)物質(zhì)的定性、定量分析都取了很大的進(jìn)展(如電阻、電導(dǎo)、電位、電容、電流等)，通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，能夠進(jìn)行微量組分、痕量組分的測(cè)定。而且檢測(cè)限度低、速度快、反應(yīng)靈敏、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)[3]。近年來(lái)核磁共振譜分析應(yīng)用較廣，當(dāng)材料物質(zhì)進(jìn)入磁場(chǎng)后，通過(guò)計(jì)算機(jī)描繪出磁場(chǎng)強(qiáng)度變化后核磁共振譜圖，通過(guò)對(duì)譜圖的分析得到材料物質(zhì)的結(jié)構(gòu)信息。現(xiàn)在各種測(cè)試手段都會(huì)使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析、繪圖甚至直接通過(guò)軟件對(duì)譜圖進(jìn)行處理，為測(cè)試人員提供便利。運(yùn)用自動(dòng)化甚至人工智能手段進(jìn)行有關(guān)物質(zhì)的定性、定量分析的發(fā)展越來(lái)越快，解決了以前靠人力難以解決的問(wèn)題[3]。但在我國(guó)人工智能還處于發(fā)展階段，對(duì)很多實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析還具有很大的發(fā)展空間。

五、理工科實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)管理

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生了數(shù)量相當(dāng)龐大的數(shù)據(jù)，為了能夠反過(guò)來(lái)指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)，需要選擇合適的數(shù)據(jù)庫(kù)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展以及人們對(duì)數(shù)據(jù)組織、管理和利用的要求越來(lái)越高，數(shù)據(jù)管理技術(shù)也隨之發(fā)生了顯著的發(fā)展變化。目前計(jì)算機(jī)對(duì)于數(shù)據(jù)的管理不僅僅起到存放數(shù)據(jù)的作用，在存放數(shù)據(jù)的同時(shí)還起到管理作用，形成關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)管理技術(shù)，這也是計(jì)算機(jī)發(fā)展史上里程碑的進(jìn)步。關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)管理技術(shù)的原理是集中于將存儲(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化管理并方便于后期查詢，進(jìn)一步方便用后的后期查詢[4]。目前研究熱點(diǎn)之一——大數(shù)據(jù)就是基于數(shù)據(jù)庫(kù)管理技術(shù)發(fā)展起來(lái)的，將繁瑣的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，聯(lián)機(jī)分析處理并應(yīng)用；大數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)是伴隨著現(xiàn)代意義上大數(shù)據(jù)概念的提出而展開研究的，主要集中于分布式可擴(kuò)展、異地多備份、多數(shù)據(jù)層次、支持多用戶等方面的發(fā)展應(yīng)用[5]。

六、計(jì)算機(jī)在實(shí)驗(yàn)?zāi)M上的應(yīng)用

計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虺浞掷矛F(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)，結(jié)合計(jì)算機(jī)自身的發(fā)展技術(shù)，為理工科實(shí)驗(yàn)提供豐富的信息資源。通過(guò)多媒體技術(shù)的方式為學(xué)生提供生動(dòng)、形象的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，使得學(xué)生對(duì)一些對(duì)環(huán)境、時(shí)空、設(shè)備要求較高的實(shí)驗(yàn)有生動(dòng)形象的認(rèn)識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的想象力以及實(shí)踐能力。例如：物理和化學(xué)上的原子核式結(jié)構(gòu)模型、原子核的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)以及化學(xué)反應(yīng)中的所有反應(yīng)。機(jī)械加工過(guò)程以及大型設(shè)備的制造過(guò)程，在學(xué)生的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)中不可能進(jìn)行實(shí)物開展，但若只是口頭講解沒(méi)有宏觀認(rèn)識(shí)，學(xué)生很難對(duì)遠(yuǎn)離生活的大型設(shè)備生產(chǎn)有真正理解和認(rèn)識(shí)。所以現(xiàn)在機(jī)械專業(yè)的很多研究者在對(duì)學(xué)生講解的時(shí)候會(huì)通過(guò)無(wú)實(shí)物進(jìn)行仿真模擬，正常肉眼是不能觀察到這些實(shí)驗(yàn)的內(nèi)部反應(yīng)機(jī)理的，但是這些實(shí)驗(yàn)又是理論教學(xué)的基礎(chǔ)，缺少對(duì)這些知識(shí)的實(shí)驗(yàn)觀察理解，要想深層次地了解反應(yīng)過(guò)程，只能依靠計(jì)算機(jī)模擬，讓同學(xué)建立真正的知識(shí)體系，使學(xué)生更好地掌握這些內(nèi)容。另外，計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)可以讓學(xué)生不受時(shí)間和器材的限制，學(xué)生隨時(shí)隨地想開展實(shí)驗(yàn)都可以，真正做到“因材施教”。計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虼蚱乒潭ǖ牡攸c(diǎn)，打開固定工作的固定枷鎖，結(jié)合現(xiàn)代思想政治教育的優(yōu)秀理念，有效縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間，在一定的時(shí)間內(nèi)學(xué)習(xí)到更多的相關(guān)知識(shí)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中遇到問(wèn)題隨時(shí)可以通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)查閱到相關(guān)知識(shí)，進(jìn)而提高實(shí)驗(yàn)效率，并且能夠通過(guò)實(shí)驗(yàn)將相關(guān)知識(shí)在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行更好的結(jié)合，真正做到理論與實(shí)際相結(jié)合[6]。

七、計(jì)算機(jī)在智能操作軟件的應(yīng)用

隨著現(xiàn)代化技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)的全面化，計(jì)算機(jī)技術(shù)在理工科實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。計(jì)算機(jī)繪圖(CAD)是目前工程設(shè)計(jì)中最常用的工具。CAD繪圖軟件在理工科的各個(gè)專業(yè)都有所應(yīng)用，特別是機(jī)械專業(yè)，能夠?qū)?fù)雜的電子原件在平面圖形上顯示出來(lái)，方便設(shè)備原件中的細(xì)節(jié)處理。另外，不管是物理實(shí)驗(yàn)還是化學(xué)實(shí)驗(yàn)其實(shí)是一個(gè)系統(tǒng)工程，除了工藝需要計(jì)算機(jī)，其他相關(guān)條件的評(píng)估也需要計(jì)算機(jī)的參與。目前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中很多研究者都是對(duì)算法進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，使其能夠更真實(shí)，更智能化。

八、結(jié)語(yǔ)

社會(huì)進(jìn)步離不開理工科實(shí)驗(yàn)技術(shù)的提升，理工科技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)相輔相成。隨著理工科實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)在其中所起作用也會(huì)越來(lái)越突出。不僅解決了過(guò)去學(xué)習(xí)理工科中假大空的問(wèn)題，還能夠提高教學(xué)質(zhì)量、提高學(xué)習(xí)效率，進(jìn)一步拓寬學(xué)生的知識(shí)面，在現(xiàn)有理論知識(shí)的基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新，為社會(huì)創(chuàng)造出更多的價(jià)值。所以要求教師在教《計(jì)算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)》這門課的時(shí)候要根據(jù)該課的特點(diǎn)，將枯燥的理論知識(shí)與有趣的實(shí)際操作相結(jié)合，調(diào)動(dòng)學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)的學(xué)習(xí)熱情，通過(guò)主題引導(dǎo)、任務(wù)驅(qū)動(dòng)的方法，讓學(xué)生利用計(jì)算機(jī)主動(dòng)去解決實(shí)際問(wèn)題，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。一味的“填鴨式”只會(huì)讓學(xué)生更反感，“興趣是最好的老師”，沒(méi)有興趣根本學(xué)不好計(jì)算機(jī)這門課，更別說(shuō)掌握計(jì)算機(jī)這門技術(shù)了。所以教師在教學(xué)過(guò)程中也需要?jiǎng)?chuàng)新，調(diào)動(dòng)課堂氣氛推動(dòng)課堂學(xué)習(xí)效果，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐和創(chuàng)新精神，提高學(xué)生的素養(yǎng)，真正做到學(xué)以致用[7]。