电磁学教学新模式的探索与实践

李智华 熊曹水 项林川 陆培祥

(华中科技大学物理学院 湖北 武汉 430074)

1 前言

电磁学是物理学非常重要的一门基础课，是物理与很多学科如光电、机械、信息等领域交叉的重要基础课，电磁学课程教学除了让学生掌握电磁学理论基本知识，还担负着培养学生科学思维方法，激发学生主动探索精神的任务．电磁学基础打得是否扎实直接影响学生今后其他课程学习，甚至影响他们今后的科研或工作能力与成绩．电磁学也是一门与实验密切关联的课程，电磁学课程教学要结合相关的实验教学是必然的，也是必须的[1，2]．如何将电磁学课程的理论教学和实验教学结合起来，有效激发学生的学习兴趣和主动探索精神，培养学生科学的思维方法和创新思维，提高教学质量和效果，显得尤为重要．

鉴于此，在电磁学教学过程中，我们对电磁学教学创新模型进行了尝试、探索和实践，笔者将在此和大家分享探讨，其中重点介绍电磁学实验教学如何与理论教学的有效配合，以及不同层次电磁学实验的重要作用，以求抛砖引玉．

2 大学阶段电磁学“教”与“学”与中学阶段的衔接

作为物理学的一门专业基础课，电磁学大学课程教学与高中相关内容的教与学的方式及目的存在很大差异，这大家都比较清楚.但毕竟学生在高中阶段已经接触到了电与磁的相关知识，因此大学教师在上电磁学课时，为了在课堂上抓住学生的注意力，不让学生觉得有“炒现饭”的嫌疑，保证有好的教学效果，让学生在原有相关知识的基础上学到新知识、新方法，教师是非常有必要重视在教学的过程中，充分注意教学方式以及知识点的衔接[3，4]．在学生已有的知识背景下，找到相关知识的衔接点，再扩展延伸出新知识的内容，这也是符合有效地、牢固地消化吸收知识的方法论的．比如在电磁学的静电学部分，我们会介绍库仑平方反比实验定律，显然学生在中学阶段已经初步接触该定律，并用它去解决一些电荷间静电力的问题．在大学电磁学课堂上讲授这部分内容的时候，如果还是直接把这个结果灌输给学生就欠妥了．若是采取反问和质疑的方式让学生思考效果会如何呢？比如提出“平方反比关系一定成立吗？如果不成立会怎样？”“如果是两个尺寸不能忽略的带电球间，相互间的静电力又如何？”学生就会想“高中时不一直这样用的吗？难道书本上的知识还有错要质疑？”还可以结合实验演示，用实验事实来回答相关问题．这样的教学方式，让学生带着问题去学习，既有助于激发学生的学习兴趣，也有助于培养学生主动思考和敢于质疑的精神，当然有助于提高课堂的教学效果了．电磁学教学过程中还有很多类似需要注意与中学阶段衔接的问题和内容，此处就不一一枚举了．

3 电磁学理论与实验教学模式的探索与实践

由电磁学的发展历史来看，从电磁学的基本实验现象到基本电磁规律，电磁学的理论知识无不与实验现象的发现紧密相连．在电磁学的教学过程中，必然要遵从人们对电磁自然现象认识的基本规律，纯粹进行电磁学理论教学而脱离实验，显然是不科学的．如何将电磁学课程的理论教学和实验教学结合起来，有效激发学生的学习兴趣和主动探索精神，培养学生科学的思维方法和创新思维，提高教学质量和效果，培养具有扎实电磁学基础知识的理工科人才当然非常重要了．因此在电磁学的教学过程中，我们对教学模式做了如下探索.

首先，采取“理论教学+实验+讨论+小论文”灵活多样的多元化教学模式．理论教学辅以实验，实验密切为理论教学服务；采用启发式、问题式的教学方法让学生积极思考并参与讨论，既活跃课堂气氛又激发学生的学习兴趣，也有助于提高教学效果；此外，学生还可以根据自己的兴趣自由自主选题，灵活应用所学的电磁学理论知识开展电磁学相关问题的研究，鼓励创新并形成小论文．运用问卷调查方法了解学生对教学的意见和建议，不断在教学实践中完善多元化教学模式．

其次，电磁学课堂演示实验为电磁学理论教学服务．演示实验部分是电磁学实验教学的第一层次[5]．密切结合理论课程的教学进度，认真选择、精心设计、适时安排演示实验来配合理论教学．这些演示实验分为静电学和静磁学两个部分，静电学部分用于课堂演示的实验包括：摩擦起电和感应起电演示、范氏起电机和韦氏起电机演示、尖端放电现象演示与避雷针、静电平衡导体电荷分布演示、电介质的极化演示、静电植绒和静电除尘演示、电容器的储能演示、温差电池、化学电池和光电池演示、静电屏蔽演示；静磁学部分用于课堂演示的实验包括：奥斯特实验、通电导线安培力演示实验、磁感线分布演示实验、洛伦兹力演示、直流交流发电机演示、铁磁体的居里温度演示、巴克豪森效应演示、法拉第电磁感应现象演示、电磁阻尼与电磁驱动演示、涡流热效应演示、趋肤效应演示、暂态电路弛豫时间演示、RLC共振电路演示、电磁波特性及其发射与接收等演示．这些演示实验的引入，有效地激发了学生的学习积极性、热情与主动性，启发学生如何从实验现象的感知到现象背后本质物理规律认识，培养学生科学的思维方法和主动的探索精神，有助于帮助学生深刻理解和牢固掌握电磁学基本理论知识．

第三，开设学生可进实验室自己动手的验证性实验，这是电磁学第二层次实验，也分为静电学和静磁学两个部分．以小班为单位组织学生进实验室自己动手实验，静电学和静磁学两部分各安排2学时．此外，电磁学实验室还对学生定期开放，有兴趣的学生还可以在开放时间段内自主到实验室做实验．这部分的实验涵盖了部分的演示实验、实验仪器较重不适合用于演示的实验以及同一实验现象衍生出的多种实验等．比如“怒发冲冠”演示静电屏蔽的实验仪器比较庞大，将其搬到课堂上演示的难度大，在课堂教学的过程中可以仅仅呈现往届某某学生进入实验室验证此实验时拍摄的照片．学生们看了往届学生实验时的照片，兴趣很快被激发出来，三五成群约好到我们的电磁学实验室来做实验．这就是较典型的示范作用了，而且实验效果很震撼．相信他们这一辈子都忘不了这个实验，能牢牢掌握现象背后静电屏蔽的本质规律．这样的教学方式和效果自然也能得到学生的认可和好评．

第四，学生自主设计电磁学实验是电磁学实验的最高层次．在电磁学理论教学过程中，有意识地准备和抛出一些问题[6]，引导学生思考相应的物理图像，鼓励学生自主设计实验去直观反映物理现象或图像．学生在设计实验及仪器的过程中，既要非常了解实验现象背后的原理，还要考虑实验参数设置是否合理、做出来的实验现象是否明显等多方面的因素，这不仅有助于培养学生提出问题和解决问题的能力，当然也培养了学生的动手能力，而且学生做出来都是实验的原型装置，不是黑匣子式的、商品化的实验仪器．

如图1是2011级学生设计制作高速电动机模型和测速装置演示时的场景，虽然转速目前仅达到120 r/s，但设计装置的过程中，他们既用到了电磁学理论课上获得的安培力相关的知识，也利用了他们在单片机课堂上学到的知识，而且仔细分析影响转速的因素，接下来如何提高转速的思路也就有了．

图1 高转速电动机模型设计与测速

图2是2011级应用物理班学生制作的非均匀磁场中磁介质磁化受力和运动演示仪．设计前学生必须相当了解非均匀磁场中磁介质的磁化和受力及运动规律．再者，为让实验现象明显，工作电流的选取、铜线粗细的选择必须结合考虑，电流太大铜线太细时，铜线易发热烧断甚至短路，电流太小磁介质受力太小，会导致运动规律不明显等等．只有思考并解决了这些问题，实验现象的效果才会明显．

图2 非均匀磁场中磁介质的受力和运动演示

从上面两例子可以看出，提倡学生自主思考设计实验方案、搭建实验仪器，提供学生更多的自主发挥空间，既有助于学生掌握电磁学理论基本知识，又培养学生科学思维方法，激发学生主动探索精神,这种教学方式后的效果要优于直接买来发电机模型向学生演示是不言而喻的了．此外，如果把往届同学制作的实验装置展现在下届同学的面前时，对下届的同学着实能起到很好的触动和范式作用，笔者在课堂教学过程中有亲身体会，不管是往届学生还是当届的学生，看到他们亲手制作的实验装置展现在眼前，并能演示出很好的效果，在自己的内心深处产生一种强烈的成就感，也是做为教师最快乐的时刻.鼓励自己有激情和信心继续在第三层次的电磁学实验上开展一些有意义的教学工作．

4 电磁学实验教学问卷调查与分析

为更好地加强和改进电磁学课程教学，我们对采取的新举措的效果和支持度在2010级物理学院普通班和启明班中做了问卷调查，统计结果如下(相应括号中的比例为调查启明班的结果).

(1)认为电磁学实验对理解电磁学的相关理论和知识很有帮助的占25%(33%)，认为有帮助的占64%(57%)，认为可有可无的占3%(10%)．见图3所示.

图3 您认为在电磁学实验对您理解电磁学相关理论和知识有帮助吗？

(2)认为电磁学实验能加深对电磁学概念的认识和规律理论的理解，对物理规律的实际应用有较深的体会，能有助于培养自己分析问题和解决问题的能力，有助于培养自己的创新意识和能力的占100%(100%)，没有同学认为电磁学实验没必要，学好电磁学理论知识就能去理解电磁学的现象了.

(3)在学完电磁学后，如果给学生机会进实验室去了解相关静电学和静磁学实验，认为很有必要、很乐意去的同学占了55%(67%)，认为有必要会参与的同学占42%(33%)，认为可有可无的同学占4%(0%)．统计见图4.

图4 学完相关电磁学理论知识后，如果给您机进实验室去了解相关静电学和静磁学实验，您觉得有必要吗？您会参加吗？

图5 对于电磁学演示实验的量的建议

(4)对于电磁学课堂上添加的演示实验，认为少了，可以再加入一些典型电磁现象的演示实验的同学占到了66%(71%)；认为现有的演示实验数量基本够了的占25%(29%)；认为多了，可以少用一些演示实验，节约出一些时间详细讲解电磁学理论知识占9%(0%)．统计图见图5.

通过这次问卷调查，同学们对电磁学实验表现出了很高的热情和积极性，对比启明班与普通班的反应差异，很明显对电磁学教学采取的新举措，启明班的同学表现出更高的积极性和赞同度．

5 结束语

电磁学是一门与实验密切关联的课程，电磁学理论课程教学应该密切结合实验教学．在电磁学教学过程中，我们对电磁学教学创新模型进行了尝试、探索和实践，深入思考电磁学实验教学的三个不同层次，以及不同层次的电磁学实验教学的重要作用，形成电磁学理论教学与三层次实验教学相结合的新教学模式，并在本校物理学院多届学生中实践．新的教学模式提供学生更多的自主发挥空间，有助于激发学生的学习兴趣和学习主动性，有助于培养学生提出问题、解决问题的能力，有助于培养学生科学的思维方法、主动的探索精神和动手能力，有助于帮助学生深刻理解和牢固掌握电磁学理论知识，对下届的同学着实也能起到很好的触动和范式作用．同学们对采用的教学模式展现了很高的热情和赞同．

参 考 文 献

1 胡成华，史玲娜.大学物理实验教学创新模式的探索与实践.物理与工程，2012，22(1)：44～46

2 陈惠敏，武永慎.电磁学教学必须重视演示实验.物理与工程，2008，18(4)：26～28

3 宋国利，梁红，苏春艳.大学物理课程与中学物理课程有效衔接方式的研究.物理与工程，2012，22(1)：56～58

4 孙九林.有效设计 提高实验效果.物理教师，2012，33(7)：40～41

5 张晚云，陆彦文，曾交龙.浅谈如何在大学物理课堂教学中发挥好演示实验的作用.高等教育研究学报，2011，34(增刊)：49～51

6 其木格，林海河，郭继成.物理演示实验设计：以问题为导向.内蒙古师范大学学报(教育科学版)，2007，20(12)：93～95