物理教育專業(yè)電磁學(xué)課程教學(xué)研究論文
摘要：通過在物理教育專業(yè)進行教學(xué)實踐，探索電磁學(xué)難學(xué)的主要原因，并根據(jù)物理教育專業(yè)特點結(jié)合教學(xué)實踐探討解決應(yīng)對的辦法，摸索提高電磁學(xué)教學(xué)質(zhì)量的途徑。
關(guān)鍵詞：電磁學(xué)教學(xué)；靜電場；穩(wěn)恒磁場
電磁學(xué)作為物理教育專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課程，為光學(xué)、電動力學(xué)、電工學(xué)、原子與分子物理等后續(xù)課程奠定基礎(chǔ)。電磁學(xué)承接了力學(xué)中關(guān)于物體的受力、做功、運動規(guī)律等內(nèi)容的分析，同時也增加了對“場”這一抽象概念的處理，需要有較扎實的高等數(shù)學(xué)知識并能靈活運用高等數(shù)學(xué)處理問題的方法，同時它又具有較強基礎(chǔ)性和應(yīng)用性，學(xué)生普遍反映電磁學(xué)難懂難學(xué)。分析其中原因并設(shè)法解決，才能提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，改善學(xué)習(xí)效果，從而達到提高教學(xué)質(zhì)量的目的。通過不斷摸索，發(fā)現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)電磁學(xué)過程中存在困難，主要集中在以下幾個原因，現(xiàn)對其進行逐個分析并探討解決的辦法。
1對課程重要性認識不足
“興趣是最好的老師”，若理論學(xué)習(xí)脫離了實際，一味進行枯燥乏味的理論推算，對學(xué)習(xí)該門課程的重要性不明確，不了解該學(xué)科的歷史背景、現(xiàn)實應(yīng)用，難以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。物理學(xué)是一門實用性很強的自然科學(xué)，電磁學(xué)作為其中的重要分支學(xué)科，在工業(yè)生產(chǎn)、生活、醫(yī)療、科研及國防建設(shè)諸方面均有廣泛應(yīng)用，對當(dāng)代社會發(fā)展起到至關(guān)重要的作用。[1]在介紹教學(xué)內(nèi)容的過程中，可適當(dāng)融入物理學(xué)史的內(nèi)容：通過庫侖、奧斯特、安培、法拉第、麥克斯韋等對電磁學(xué)作出了重大貢獻的偉大科學(xué)家的事跡，了解他們的科學(xué)研究歷程，學(xué)習(xí)他們崇尚理性、勇于探索、鍥而不舍的科學(xué)精神。麥克斯韋預(yù)言電磁波的存在，赫茲實驗發(fā)現(xiàn)電磁波，馬可尼發(fā)明電報，推動著人類通訊發(fā)展進入嶄新的階段。從直流發(fā)電機的發(fā)明到交流發(fā)電機的廣泛應(yīng)用，為人類提供了將其他能源轉(zhuǎn)換為便于儲存運輸?shù)碾娔艿耐緩�，電力的廣泛應(yīng)用推動人類社會進入電氣時代。[2]在涉及具體知識點的教學(xué)活動中，也可適時聯(lián)系在生活、生產(chǎn)等方面的應(yīng)用實例，如介紹靜電屏蔽這一知識點時，引入電工工作服的使用原理，并讓學(xué)生查找其他類似應(yīng)用實例；又如學(xué)習(xí)電介質(zhì)的.極化時，插入微波爐的工作原理、使用過程中的禁忌及其原因等，增加生活常識。如此將理論聯(lián)系實際，特別是日常生活熟悉的例子，學(xué)以致用，有助于提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。此外，結(jié)合物理教育專業(yè)的就業(yè)方向，聯(lián)系《新課標(biāo)》對電磁學(xué)內(nèi)容的要求，分析近年高考理綜卷中電磁學(xué)所占的比例，介紹近年高考電磁學(xué)的熱門考點、考試題型，比如帶電粒子在電場、磁場或復(fù)合場中的運動類題型是近年高考理綜物理卷中的�？�，對電路的分析或常見儀表的結(jié)構(gòu)、使用也是常見考題。這樣既可強化其專業(yè)意識，也可提高學(xué)生對電磁學(xué)的重視程度，增加學(xué)習(xí)動力。
2高等數(shù)學(xué)知識準備不足
電磁學(xué)難學(xué)還在于這門課程對高等數(shù)學(xué)的要求高，需要掌握微積分、矢量運算、線性代數(shù)、坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換等多項內(nèi)容，其中高等數(shù)學(xué)微積分是處理大學(xué)物理各門專業(yè)課程最基本的數(shù)學(xué)工具，如果學(xué)生沒有較好地掌握這部分內(nèi)容，將增加專業(yè)學(xué)習(xí)的難度。因此有必要在教學(xué)過程中讓學(xué)生明確高等數(shù)學(xué)的重要性，引導(dǎo)學(xué)生打下扎實的高等數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。在學(xué)習(xí)電磁學(xué)的同時，部分高等數(shù)學(xué)內(nèi)容的學(xué)習(xí)卻未能及時跟進。比如在電磁學(xué)第一章就要求運用多重積分計算電場強度和電場強度通量，但二重積分、三重積分的學(xué)習(xí)都要等到下半學(xué)期才能進行，學(xué)生在處理相關(guān)問題時倍感吃力。在電磁學(xué)中涉及各種對稱性問題的處理，不同對稱特點的問題需要用適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)系，使處理問題更加簡便。如當(dāng)帶電體具有球狀或半球狀外形時，若用疊加原理計算電場強度，選用球坐標(biāo)會使問題的處理更為便捷。在處理這類問題時同樣面臨相關(guān)高等數(shù)學(xué)知識尚未學(xué)習(xí)的難題，解決辦法通常有以下幾種。方法一：調(diào)整培養(yǎng)方案，將電磁學(xué)課程開設(shè)時間往后延。但若采用這種方法，僅能解決電磁學(xué)一門課程的問題，卻會影響光學(xué)、電動力學(xué)等后續(xù)課程的學(xué)習(xí)，因此這種方法難以被采納。方法二：在教學(xué)過程中補充尚未學(xué)習(xí)但需要用到的高等數(shù)學(xué)知識。但這樣會占用一些理論教學(xué)課時，增加教學(xué)難度，需要教師能處理好教學(xué)課時安排，較好地掌控教學(xué)進度。方法三：通過物理思想簡化數(shù)學(xué)計算。如運用疊加原理處理電場問題時，若已知線電荷電場的分布，把面電荷看成線電荷的集合，同理也可把體電荷分解為面電荷的疊加，便于將多重積分替換為一重積分，降低計算難度。方法四：用幾何的方法，盡量把積分變量變成角變量，進行三角函數(shù)積分，將數(shù)學(xué)計算化繁為簡。[3]方法五：場的分布具有一定的對稱性時，盡量用高斯定理或安培環(huán)路定理解決問題。如常見的求解具有軸對稱、面對稱、球?qū)ΨQ等對稱性的靜電場電場強度時，采用靜電場的高斯定理可以避免多重積分和坐標(biāo)系的選取問題。即使學(xué)生已經(jīng)進行了相關(guān)高等數(shù)學(xué)知識的學(xué)習(xí)，但如何靈活運用高等數(shù)學(xué)工具解決各種電磁學(xué)問題仍是個難題。如微積分的運用，學(xué)生先要熟悉電磁學(xué)的定理、定律，根據(jù)給定條件建立微分式或積分式乃至微分方程或積分方程，還要根據(jù)物理過程的給定條件確定初始條件和積分上下限，物理專業(yè)知識與高等數(shù)學(xué)工具雙管齊下方能求解出結(jié)果。因此，在教學(xué)過程中教師有必要多做示范、練習(xí)數(shù)學(xué)知識在物理學(xué)上的應(yīng)用，讓學(xué)生經(jīng)過反復(fù)練習(xí)找出規(guī)律，直至達到熟能生巧的程度。[4]
3對課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)認識不足
電磁學(xué)內(nèi)容抽象繁多，題型靈活多變，若對課程整體內(nèi)容沒有深入了解，容易望而生畏�？v觀電磁學(xué)的主要教學(xué)內(nèi)容，分為“場”和“路”這兩大塊內(nèi)容，而“路”即電路部分將在后續(xù)的電工學(xué)等課程里作進一步的學(xué)習(xí)，因此應(yīng)將教學(xué)重點放在“場”即電磁場這部分。按照慣例，通常遵循靜電場——>穩(wěn)衡磁場——>變化的電磁場這樣的教學(xué)次序，靜電場與穩(wěn)衡磁場不管是在概念、定理定律等內(nèi)容結(jié)構(gòu)方面，還是處理問題的思想方法都有驚人的相似之處。在教學(xué)過程中采用對稱性分析，在學(xué)習(xí)靜電場的基礎(chǔ)上，對比學(xué)習(xí)穩(wěn)恒磁場，分析兩種場的異同，可提高學(xué)習(xí)效率，達到事半功倍的效果。
4電磁學(xué)處理問題的基本方法和思路不明確
同其他學(xué)科一樣，電磁學(xué)有具有其自身特點的處理問題的基本方法和思路，掌握這些基本方法和思路對學(xué)好電磁學(xué)極為重要。電磁學(xué)處理問題的基本方法比較固定，以靜電場和穩(wěn)衡磁場為例，靜電場的常用計算方法有三種：利用庫侖定律、電場強度定義和電場疊加原理計算，原則上可以計算任意靜電場，但計算通常較繁瑣；利用高斯定理計算，需電場具有某些對稱性才方便計算；利用場強與電勢的微分關(guān)系計算。靜電場分真空中、有導(dǎo)體時和有電介質(zhì)時三種情況，計算真空中的情況最為簡單，有導(dǎo)體時需考慮靜電感應(yīng)效應(yīng)，有電介質(zhì)時則需考慮極化效應(yīng)。穩(wěn)衡磁場分真空中、有磁介質(zhì)時的情況，計算穩(wěn)恒磁場的常用方法有：利用畢-薩定律和磁場疊加原理計算，原則上可以計算任意恒定電流分布產(chǎn)生的磁場；利用安培環(huán)路定律計算，需磁場分布具有一定的對稱性才便于計算。采用不同的處理方法時對應(yīng)不同的解決問題的思路，如用上述第一種方法計算穩(wěn)恒磁場時的基本思路通常是這樣。第一步：將各種電流分布分割為電流元；第二步：利用畢-薩定律和磁場疊加原理建立積分式，并根據(jù)已知條件設(shè)定積分上下限；第三步：計算積分結(jié)果。為簡化計算，第一步也可作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，如將旋轉(zhuǎn)的帶電圓盤分割為帶電圓環(huán)，無限長通電圓柱面可分割成無限長通電直導(dǎo)線，大大降低積分難度。如用安培環(huán)路定理解決問題的基本思路則為：第一步，對稱性分析；第二步，選取合適的積分環(huán)路；第三步，根據(jù)安培環(huán)路定理建立積分方程；第四步，求解方程。其中前兩步最為關(guān)鍵。[5]掌握了解決問題的基本方法和思路，才能自如應(yīng)對千變?nèi)f化的問題。教學(xué)過程中不妨先教會學(xué)生部分基本方法和思路并通過練習(xí)不斷熟悉，再引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會自己摸索和總結(jié)，讓學(xué)生掌握知識點的同時更重視掌握基本方法和思路，培養(yǎng)良好的學(xué)習(xí)方式。學(xué)生才是學(xué)習(xí)的主體，高校強調(diào)學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性，造成電磁學(xué)難教難學(xué)問題還有其他多方面的原因，但解決問題的根本在于培養(yǎng)和激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性，讓學(xué)生樂學(xué)并有信心學(xué)好電磁學(xué)。通過教學(xué)實踐，解決上述幾個問題可有效改善學(xué)習(xí)效果，同時也在不增加學(xué)習(xí)難度的基礎(chǔ)上擴大知識面，有助于物理教育專業(yè)學(xué)生更好地適應(yīng)今后的學(xué)習(xí)和工作。
參考文獻：
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[2]宋德生，李國棟。電磁學(xué)發(fā)展史[M]。廣西人民出版社，1987，4。
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[4]王玉琢。《物理學(xué)》教學(xué)中應(yīng)注意的幾個問題[J]。遼寧師專學(xué)報，2007，9（2）：12~13，88。
[5]梁燦彬，秦光戎，梁竹健。電磁學(xué)[M]。高等教育出版社，2011，5。
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