用自由的工具學習計算物理
鄒忠毅a
a中國文化大學物理系，台北市陽明山11192
一，計算物理教學的一些問題
隨著電腦技術的快速發展，利用高速運算技術協助物理研究，已經成為物理眾多領域中一個重要的項目了。因為如此，國內各大學的物理相關科系，也多設有計算物理的相關課程。在課程中，老師除了教導學生基本的計算物理理論，也必須訓練同學熟悉一些計算物理實務上所需要的一些工具。一般來說，這些工具包含程式語言軟體、科學視算（Scientific Visualization）軟體及一些後處裡軟體。
但是，有一個難題存在我們現有的教學環境中，就是以上軟體大都是不自由的。它們或許價格昂貴，結果是學校必須花費大量經費購置，學生們也幾乎無法合法地取得及回家練習。或許操作或軟體間銜接困難，結果造成學生們的學習上的困難，使他們不易培養整體的觀念與架構。或許只能在某種作業環境（例如Windows）下使用，結果當學生未來使用其他作業平台時，又要重新學習。
二，自由的工具
就是因為這些原因，我們想要尋找一些合法、免費、簡單操作及跨平台使用的計算物理學習工具。希望當我們在教導學生時，能理直氣壯地叫學生在他家中的電腦也合法地安裝一套，與課堂上相容的軟體。也希望我們在課堂中，不必花太多的時間在這些軟體的操作與銜接上，而使我們可以較專心在計算物理理論的教學上。最後，希望我們的學生，在未來做更深入的研究時，這套工具仍能在不同的作業平台上使用。
在經過我們實地測試之後，我們選擇了三種軟體的組合。第一是名為 G95 的 Fortran 90/95程式語言軟體，第二是名為 DISLIN 的繪圖函式庫，第三是有名的 gnuplot 繪圖軟體。
這三個軟體都符合我們以上的要求。透過這個組合，學生可以合法與免費地在課堂上與家裡練習 Fortran 程式語言，並且即時地畫出運算結果，或者是簡單地製作出計算結果的展示圖。這些軟體雖然都可以免費取得，但是它們的自由度還是有些差別。其中G95與gnuplot 較符合一般自由軟體的定義，DISLIN 卻是要收錢的軟體。可是有趣的是，它的發展者決定，對非商業用途的使用不收費。我們覺得，如果其他公司都這樣做的話，那有多好呀！
這三個軟體還有兩個好處，一是使用簡便，同學較快掌握到學習關鍵。二是都可以跨平台使用，不管是 Windows 或 linux 系統經測試皆可運作。
接下來要解釋一下，為什麼我們還要用 Fortran 程式語言？主要原因有三點，首先Fortran 是一種特別適合科學計算使用的程式語言。它從發展初期開始，就特別考慮到科學計算所需的一些功能，尤其是到 Fortran 90/95 出現後，它更具有強大的複數及矩陣運算能力。而且，雖然它也許不像 C++ 語言能較方便地寫出系統程式，可是卻也促使學習者把焦點關注在科學問題本身上。第二個原因是，Fortran 是一個歷史悠久的程式語言。它具有廣泛及完整的程式庫。這可使我們節省大量的重新寫作時間。最後，Fortran 是一個一直在演進的程式語言。每一代新的程式標準出現後， Fortran 就更符合當時科學計算所需的功能。例如，Fortran 90/95 中就加入了更簡易的記憶體控制，與方便的矩陣運算及新的物件導向概念。使得它不但有好的計算效率，也使它較易運用在平行運算電腦上。
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