指向计算思维培养的物理竞赛教学探讨——以矩阵光学解决复杂成像问题为例EXPLORATION OF PHYSICS COMPETITION TEACHING ORIENTED TOWARD COMPUTATIONAL THINKING CULTIVATION:TAKING MATRIX OPTICS SOLVING COMPLEX IMAGING PROBLEMS AS AN EXAMPLE
姜晓斌,尹承平
摘要(Abstract)：
在新工科背景下，物理竞赛教学不仅承载着选拔功能，更应关注学生建模能力与计算思维的培养。面对竞赛中日益复杂的非傍轴与多元件光学系统，传统的光追踪法常因计算繁琐而掩盖了物理图像。本文引入矩阵光学算法，将其作为连接物理模型与数学算法的桥梁。通过对比分析传统几何法与矩阵法的逻辑路径，并以第40届全国中学生物理竞赛复赛第1题为例，展示了矩阵法在处理“黑箱”光学系统时的独特优势。此外，本文进一步探讨了如何利用Python语言辅助矩阵运算，实现从“手算推导”到“计算机模拟”的教学进阶，为物理竞赛教学提供了新的视角与实践路径。
关键词(KeyWords)： 矩阵光学;计算思维;物理竞赛;Python模拟;复杂光路系统
基金项目(Foundation):
作者(Author): 姜晓斌,尹承平
DOI: 10.27024/j.wlygc.2025.08.31.02
参考文献(References)：
- [1] 钟锡华.现代光学基础[M].北京：北京大学出版社，2003.ZHONG X H.Fundamentals of modern optics[M].Beijing:Peking University Press,2003.(in Chinese)
- [2] 全国中学生物理竞赛委员会.第40届全国中学生物理竞赛复赛试题及参考解答[Z].2023.National High School Physics Competition Committee.The 40th National Middle School Physics Competition semi-final questions and reference answers[Z].2023.(in Chinese)
- [3] 陈敏，赵福利，董建文.光学[M].北京：高等教育出版社，2018.CHEN M,ZHAO F L,DONG J W.Optics[M].Beijing:Higher Education Press,2018.(in Chinese)
- [4] 尤金·赫克特.光学[M].秦克诚，林福成，译.北京：电子工业出版社，2019.HECHT E.Optics[M].Translated by QIN K C,LIN F C.Beijing:Publishing House of Electronics Industry,2019.(in Chinese)
- [5] 张倩，叶晴莹，蔡思仪，等.矩阵法在理想光学系统问题中的应用[J].物理通报，2025.ZHANG Q,YE Q Y,CAI S Y,et al.Application of matrix method in ideal optical system problems[J].Physics Bulletin,2025.(in Chinese)