“电动力学”课程教学改革的实践探究*

万 勇 李山东 云茂金 刘眉洁

（青岛大学 物理科学学院，山东青岛，266071）

“电动力学”课程教学改革的实践探究*

万 勇 李山东 云茂金 刘眉洁

（青岛大学 物理科学学院，山东青岛，266071）

“电动力学”是四大理论物理课之一。在问卷调查的基础上，文章从分析学生的认知过程出发，就“电动力学”课程对教学内容、教学方式和网络多媒体教学等进行了多方面的改革，以适应新形势下人才培养的需要，并为课程改革提供借鉴。实践证明，该课程教学改革取得了一定的成效，但也存在一些有待进一步解决的问题。

电动力学；理论物理；认知过程；教学改革

引言

“电动力学”是四大理论物理课之一，主要内容包括电磁场的基本属性和运动规律、电磁场和带电物质的相互作用以及狭义相对论等[1]。该课程对学生掌握电磁场的基本规律，加深对电磁场和时空观的理解，获得分析基本电磁场问题的能力，提高学生的科研能力等方面都具有重要意义[2][3]。因此，“电动力学”是理论物理、凝聚态物理、材料科学、电子科学等专业的一门必修课。

“电动力学”课程知识体系非常系统，而且谐振腔、波导、天线等知识与实际应用有紧密的联系。但是，有不少学生觉得该课程偏难[4]。在该课程的学习过程中，一些学生的学习兴趣不高，听课的注意力不集中，课后不能认真预习和及时复习，甚至还有个别学生照抄别人的作业，最终其学习效果大打折扣。所以，需要从学生学习“电动力学”课程的认知过程出发，对课程教学进行改革探索[5][6]。

一 问题分析

自2011年起，本研究连续四年对青岛大学物理科学学院应用物理、光信息、微电子、新材料、新能源五个专业的学生进行了相关“电动力学”课程的跟踪问卷调查:第一次问卷的侧重点是学生学习“电动力学”的方法和习惯；第二次问卷的侧重点是多媒体和网络在“电动力学”教学中的应用；第三次问卷的侧重点是“电动力学”与其它物理课程的联系。问卷调查所得结果主要包括如下几个方面:

1 大部分学生觉得“电动力学”课程比较难学。

让学生感到“电动力学”学习困难的主要因素有:矢量计算不适应，数学推导较难，一些物理概念抽象，了解原理、但不会解题，记不住公式等。

2 学生对先行课的掌握水平差异较大。

“电动力学”课程的先行课有“高等数学”、“电磁学”和“数学物理方法”三门。有些学生对这三门课的学习基础不牢，特别是“数学物理方法”课，很多学生觉得该课程抽象，不清楚数学方程对应的物理问题、不知道多种数学问题解法的目的等，这对“电动力学”课程的学习影响较大。

3 多数学生希望传统教学和多媒体教学相结合。

问卷调查结果显示，单纯喜欢“黑板+粉笔”教学方式或喜欢完全采用多媒体教学方式的学生都不超过1/3。另外，学生们很希望通过网络平台学习、了解“电动力学”课程及其相关的内容，并通过网络及时发布信息、进行相互交流。

4 学生的学习方式影响知识结构的形成。

根据问卷调查结果，可知:超过 50%的学生没有养成预习和及时复习的习惯；听课时认真记笔记的学生也只占总数的1/3；只有近1/5的学生能够全部独立完成老师布置的作业，大部分学生只是基本上能够独立完成作业，有近1/5的学生不能独立完成作业。学生的这种学习方式，严重地影响了他们知识结构的形成。

为了更好地解决这些问题，需要追根溯源，从学生学习物理的认知过程出发，找到“电动力学”课程学习过程的一般性和特殊性，并针对学生和学科的特点，在该课程的教学内容、教学方法、网络和多媒体教学等环节进行教学尝试和改进。

二 由物理认知模式分析“电动力学”的学习过程

学生的物理认知是指与物理知识学习密切相关的宏观心理过程，包括学生原有物理知识的准备，对新物理知识内容的感知、理解和应用，新、旧物理知识在头脑中的组织，以及感知、理解和应用物理知识习惯等。物理认知结构是学生自己头脑中形成的物理知识结构，是学生对物理知识体系内容的理解和组织。学生相关物理认知的学习模式如图1所示。

图1 学生的物理认知学习模式

由图 1可以看出，学生的物理认知学习模式是比较复杂的。物理认知学习开始于物理环境对学生的刺激。但需要注意的是，物理认知学习效果的影响因素不仅取决于物理概念和规律本身，还取决于学生的学习动机和学习兴趣的激发。思维加工是认知过程的中心，它始终与学生的物理认知结构有关，所以对于改善学生的认知结构也非常重要。

1 学生学习动机和兴趣的激发，是学习“电动力学”必要的心理准备

学生要正确把握物理现象和规律，首先需通过观察、听讲、阅读等方式感知物理情景。但当一些同学对“电动力学”越学越有兴趣时，却也有不少同学对该课程渐渐失去了学习的兴趣。究其原因，主要就在于后者缺乏主动学习的动机，认为“电动力学”的数学推导太多、物理意义难于理解、对现实生活和科技没有实际意义等。之所以如此，在于他们对该课程的知识体系、知识背景缺乏真正的了解，因此需要教师创设相应的情境来激发他们的学习动机和兴趣。

2 具体感知与抽象思维是实现第一次认知飞跃的基础

图1显示，思维加工过程分为感知物理现象、形成概念和掌握规律、解决物理问题三个阶段。其中，感知物理现象就是让学生对物理事实、物理现象和物理过程形成清晰而明确的认识，为其进一步的思维活动提供线索和依据。然后，思维加工进入形成概念和掌握规律的阶段，学生的认识由感性上升为理性、由具体变为抽象，由此实现了认知的第一次飞跃。

在实现第一次认知飞跃的这一过程中，首先要建立物理表象，它是具体感知与抽象思维的必要过渡。建立具体的物理表象容易，建立一般的物理表象如电磁场、光速不变性、时空相对性等则比较困难，其过程是首先必须利用一些特殊的物理现象作铺垫，待建立特殊表象后再推广到一般情况。在原有认知结构的支持下，表象通过分类、概括、抽象等思维加工过程，就可以形成物理概念和规律。也就是说，不仅要清楚概念的内涵、外延和本质属性，还要明确概念建立的依据，明确它与其它概念之间的区别与联系，以重新组合自己的“电动力学”认知结构。

3 知识结构的形成和变通是实现第二次认知飞跃的基础

只实现了第一次认知飞跃，并没有完成物理的学习过程。因为只有解决了物理问题，才能巩固、深化、活化物理概念和规律，才能对新的物理环境做出正确的反应，这个过程就是思维从抽象到具体、知识由理解变为会应用的过程，也就是认知的第二次飞跃。对于熟悉类型的简单应用，需要学生从已有的认知结构中提取相关的物理知识和方法并将其运用到新的物理环境中。但对于较难的“电动力学”题目，则需要学生将学过的物理概念、原理和方法加以重新组合，形成新的模式，生成新的知识组块，有时还需要进行复杂的逻辑推理和判断。因此，学生不仅要正确掌握相关的物理概念和规律，还要掌握物理知识之间的联系，避免先入为主、粗心大意和思维的片面性，要善于改变方式思考问题。

由图 1可知，思维加工的每一阶段都同物理认知结构密切相连。学生要建立自己的物理认知结构，首先要在头脑里建立起物理概念和规律之间的联系，即弄清各个物理概念和规律在同一个物理体系中的地位，以及它们是如何结合起来实现物理知识的整体功能的。只有这样，学过的物理知识才不会杂乱无章地堆积在大脑中，而会以一定的结构方式和逻辑关系存在着，使知识呈现出一种有序的状态。“电动力学”知识的有序性要变成学生自己知识结构的有序性，是学生下一步认知活动的必要准备，也是学生提升能力的重要基础。

4 “电动力学”认知过程中的两个突出特点

（1）“电动力学”认知结构的建立过程是复杂的。它不仅需要本身的物理概念、规律和方法组成相互关系，还需要下位数学知识、普通物理知识作支撑。也就是说，“电动力学”的学习，需要“高等数学”、“电磁学”、“数学物理方法”等学科知识组成的认知结构为基础；如果数学、普通物理等的知识基础不牢，就会对“电动力学”的学习产生负面影响。

（2）“电动力学”认知结构的建立还反映在物理观念的变革上。如经典力学中关于机械论的物质观念和时空观念、电磁场理论中关于场的观念、相对论中关于时空的相对性等，都是形成“电动力学”认知结构的前提。

三 “电动力学”教学改革实践

综上所述，“电动力学”认知过程确实有其独特之处。在教学实践和改革的过程中，教师首先必须改变观念，既要分析教材内容，又要分析学生的认知过程，以选择合适的教学方法，同时还要注意以下问题:

1 了解学生的学前准备情况

学前准备包括认知准备和动机准备两个方面。在认知准备方面，教师要了解学生的原有知识水平，注意学习内容与原有认知水平之间的差异，不论是数学知识的不足还是“电动力学”概念的不清，都应该了解清楚、查缺补漏。而在动机准备方面，教师可以在讲课的时候，对电磁场概念予以生动形象的描述，重在说明其物理意义，而不是只是简单地进行公式运算；教师可以增加与“电动力学”密切相关的各种知识如生活中的电磁现象、电磁理论在高新技术中的应用等的讲解；另外，老师不要一味地只顾讲解，还可以采用讨论课或运用动画模拟等形式开展教学，并增加网络教育等课外环节来激发学生的学习动机和学习兴趣。

2 “电动力学”学习也要注意建立物理表象

随着“电动力学”推导的增多，许多学生只注意数学结果，而不注意其物理意义。如麦克斯韦方程组包含极其丰富的电磁场理论知识，学生学习时不应只记住公式本身，还应该理解它在稳恒场、迅变场和相对论条件下的不同形式。再如相对论，学生学习时也不应只记住其公式，更应该知道其时空观与经典理论的本质区别。

3 应注意纠正学生解决问题时所用的一些错误方法

“电动力学”的相对计算要求较高，但学生应注意:对该课程中所涉基本概念和规律的理解是基础，不应只追求结果，而忽视物理过程、空间关系和数量关系的分析；应及时复习和预习，不要机械地套用公式和例题，而应该根据题意，有效利用学过的知识，灵活调整解题的步骤；要善于寻找隐蔽的条件、限制条件等，为解决问题打开突破口。

4 将多媒体教学与传统教学相结合

教师在讲授“电动力学”课程时，既要注意板书的应用，也要充分利用多媒体和网络的优势。如教师可以将课程中相关一般电磁波传播、天线和波导电磁场分布等许多抽象的物理图像通过动画或模拟图像的形式展现出来，以帮助学生更好更快地理解相关概念；可以将多媒体课件按照学习目标、预备知识、知识展开、巩固练习和总结等教学过程展开，并通过网络将课件发给学生以随时随地进行预习和复习；可以利用网络平台跟学生交流各种问题，形成良好互动。

5 在教学改革中，发挥教师教学的个性特点和主动性

教师不仅可以利用物理学史、实验、计算机模拟等多种途径讲授“电动力学”内容，还可以根据教学设计的原则和自己的教学特点进行相关内容设计。如每章学习结束后，让学生自己进行章节小结；把习题课变为老师和学生的共同讨论课；积极倡导学生开展课程论文写作；引导学生更多地了解“电动力学”知识在当代科技中的具体应用等。

四 反思和总结

青岛大学近几年的“电动力学”课程改革始终从学生的认知过程出发，以学生的全面发展和个性化成才为目标。同时，为适应素质教育和创新的新形势，该课程还在具体教学内容方面做了很多改革，如融合多种教学方式，以弥补集中教学的不足；设计并应用多种“电动力学”教学课件，充分发挥多媒体和网络技术在教学中的作用等。该课程的教学改革，激发了学生学习“电动力学”课程的兴趣，形成了比较完善的“电动力学”知识结构，并能在实践中顺利地应用“电动力学”相关的基本知识。2012年，该课程被评为了山东省精品课程。

但是，该课程的教学改革也还存在着一些有待进一步解决的问题。如学生的基础参差不齐，对“电动力学”学习的负面影响不能完全消除；虽然通过预先讲解矢量计算、每节课提前做好课前准备、课后认真预习并及时复习等方法，可能会使这一负面影响有所缓解，但由于学习“电动力学”需要多门课的知识储备，因此还有个别同学不能达到“电动力学”课程的学习要求；在我国的教育评价系统中，学生仍然必须记住公式和规律，学校考试也仍然注重卷面考试，而学生的平日表现、作业和课程论文等内容在总成绩中所占比重过少……这些问题的解决，将成为“电动力学”课程教学改革今后的努力方向，并推动着整个教学改革的进一步发展。

[1]杨薇.信息技术与电动力学课程整合的理论和实践[D].武汉:华中师范大学,2007:7-26.

[2]郑伟,吕嫣.电动力学网络教学平台建设的研究[J].沈阳师范大学学报(自然科学版),2013,(4):531-534.

[3]冯云光.物理专业电动力学教学改革的探索[J].才智,2014,(19):90.

[4]刘佳.“电磁学”与“电动力学”课程体系创新研究[J].科技信息,2013,(11):44.

[5]万勇,王美.普通物理教学改革的几个热点[J].中国大学教学,2007,(9):37-38.

[6]叶爱敏,郑晓丽.基于混合式学习的“电视节目编导与制作”实践教学改革[J].现代教育技术,2012,(2):111-116.

编辑:小米

Research on Teaching Methods for Electrodynamics Curriculum

Wan Yong Li Shan-dong Yun Mao-jin Liu Mei-jie
(Department of Physics, Qingdao University, Qingdao, Shandong, China 266071)

Electrodynamics curriculum is the obligatory course for science and engineering students. Based on years’teaching practice and questionnaire survey, the paper, starting from the analysis of cognitive process of students,conducted the teaching reform of electrodynamics curriculum in the aspects of content, teaching methods, internet and multimedia courseware to adopt to the new situations and requirements of cultivating talents. Although there are some problems to be solved further, the anticipated effect has obtained in the teaching practice which will provide helpful suggestion on the electrodynamics curriculum teaching reform.

electrodynamics; theoretical physics; congnitive process;teaching reform

G40-057

A 【论文编号】1009—8097（2015）09—0122—05

10.3969/j.issn.1009-8097.2015.09.019

本文为山东省高等学校省级精品课程“凝聚态物理基础课程‘电动力学’”（课程批准号：2012-111）的阶段性研究成果。

万勇，副主任，教授，博士，研究方向为光子晶体缺陷中的电磁波传输规律，邮箱为wanyongqd@hotmail.com。

2015年2月28日