大学先修——电磁学课程建设的思考与实践

张 健

(北京师范大学第二附属中学　北京　100088；北京师范大学物理系　北京　100875)

王 华



大学先修——电磁学课程建设的思考与实践

张 健

(北京师范大学第二附属中学北京100088；北京师范大学物理系北京100875)

王 华

指导教师：李春密(1966-)，男，博士生导师．研究方向为物理课程与教学论．

(北京师范大学第二附属中学北京100088)

李春密

(北京师范大学物理系北京100875)

摘 要：中国大学先修课程在国内刚刚试行，广大一线教师积极探索最优化的教学模式．本文以电磁学课程为例，探讨电磁学课程建设中教学目标的确定、教学内容的选择、教学方法的使用、教学形式的选择等问题，以期为先修课程进一步推广提供参考．

关键词：大学先修课程CAP电磁学课程建设

1中国大学先修课程(CAP)

《中国中长期教育改革与发展规划纲要》中明确指出对于人才的培养要“树立系统培养观念，推进大中小学有机衔接，教学、科研、实践紧密结合”、“形成体系开放、机制灵活、渠道互通、选择多样的人才培养体制”．具体于高中阶段教育则强调“创造条件开设丰富多彩的选修课，提高课程的选择性，促进学生全面而有个性的发展”、“推进培养模式多样化，满足不同潜质学生的发展需要，探索发现和培养创新人才的途径．”中国大学先修课程就是在这种时代背景下孕育产生的．

本文所谈的中国大学先修课程(ChineseAdvancedPlacement，简称CAP)是由北京大学考试院支持建设于2013年在全国110多所中学开始试行的选修性课程．它是在借鉴美国AP课程成功经验的基础上，结合中国教育现状、中国现有课程体系与评价机制，为中国高中生“量身定做”的，旨在让学有余力的高中生提前了解大学课程内容，体会大学阶段分析与处理问题的思维与方法，发挥学生的学习潜质，探索合适于自我的发展方向．

中国大学先修课程是中国教育改革、高校招生多元化发展的产物．开设大学先修课程的意义在于：

第一，深入挖掘学生个性潜能，满足学生渴望深入理解问题的欲望，开阔学生视野，尤其为那些在基础学科具有天赋的优秀学生提供了发展的平台；

第二，有效地实现了基础教育与高等教育衔接，打造系统化的人才培养模式；

第三，有利于改变高中应试教育导向、学生发展单一的局面，为中学提供了丰富的选修课程资源；

第四，它对于创新拔尖人才的培养与选拨具有不可替代的作用．

2大学先修——电磁学课程定位

电磁学是一门重要的基础课程，是经典物理学的基本组成部分之一，与近代自然科学、技术科学都有着密切的联系．从电磁现象的发现、电磁定律的确定、电磁场理论的建立到电子的发现及物质微观电磁结构的揭示、电磁技术的广泛应用等，电磁学发展过程中蕴藉了丰富的物理思想与物理方法．尤其是物理学的研究对象由“看得见、摸得着”的、有静止质量的实物变成了“虚无缥缈”的、无静止质量的电磁场，这引起了一系列的深刻变化，例如要用源与旋、通量与环流、高斯(Gauss)定理与环路定理描述矢量场的分布特征等，这正是开设电磁学先修课程的原因．

第一，电磁学是科学家创新意识的结晶．在研究电荷间相互作用力时，普里斯特利(Priestley)类比万有引力规律提出电荷间的力f∝r-2；在电流的磁效应现象发现后，安培大胆思考“电流与电流之间存在相互作用”，进而提出安培定律；以及麦克斯韦(Maxwell)电磁场理论的建立，这些都是物理创新思想的典范．

第二，电磁学是科学家执着科学、不畏艰辛的见证．1820年奥斯特发现“电能生磁”，电磁学集大成者法拉第笃信物理学的“对称美”，在1820～1831年间寻找“磁生电”，但因为当时磁学研究停留在“静止”与“恒定”条件上，而电磁感应是在变化中产生，是暂态效应，因而困难重重，稍纵即逝，法拉第凭借着对科学的执着、对真理的追求终于1831年提出了电磁感应定律，奠定了电气时代到来的基础．

第三，电磁学是一门方法论科学．电磁学发展过程最能展现物理学分析问题的思维与方法，譬如麦克斯韦采用类比的方法研究法拉第力线，通过对比不可压缩流体的流速场，提出用通量、环流等概念刻画矢量场；建立电偶极子模型，进而说明电介质极化的微观机制，探讨电介质极化的规律；注重对称性分析，结合高斯定理、环路定理求解场强；利用虚功原理通过静电能的变化求解力等．

第四，电磁学是理论与实验的完美结合．静电场基本定律——库仑定律说明电力满足平方反比律，库仑(Coulomb)通过扭秤、电单摆实验研究；为了精确验证电力平方反比律，卡文迪什(Cavendish)和麦克斯韦设计了示零实验．拉法第通过电磁旋转实验制造了人类历史的第一台电动机；他通过多次实验提出了电解定律；又于1843年做了著名的冰桶实验，它被认为是电荷守恒定律第一个令人满意的实验证明[1]．在麦克斯韦预言电磁波之后，是赫兹通过电火花实验证明之，确立了光波与电磁波的同一性，实现了光学和电磁学的统一．可以说电磁理论的发展伴随着实验技术的发展，推动了技术的进步．

可见，在中学阶段开设电磁学课程对于提高学生的物理学科素养，培养其创新意识与创新能力，促进学生科学精神养成都是大有裨益的．

3大学先修——电磁学课程的建设

电磁学是理工科院校大一年级的必修课，对学生的物理思维、数学工具都有比较高的要求，超出中学生现有阶段的能力，因此学校必需对课程进行建设，对教学内容进行整合，明确教学目标，采用适合中学生发展的教学方法，使课程价值最大化．

3.1创新教学理念

电磁学先修课程基于学生现状，立足于学生的长远发展，以问题探究为导向，培养学生的物理思维能力、创新意识与创新实践能力，满足学有所长同学的需求，开创一种培养和选拨尖端人才的模式．

3.2明确教学目标

通过电磁学学习过程，要求学生理解基本物理概念，包括物理概念提出的意义，物理概念的内涵及各物理概念间的联系，如电介质极化中引入电位移矢量D，它是一个辅助矢量，与介质内场强Ε与极化强度矢量P有关D=ε0E+P，不会改变静电场无旋的性质；深刻理解物理规律，了解规律提出的背景、研究过程中的猜想假设、实验设计、规律的定量表述、成立条件、使用范围度及其理论地位、近代发展及应用等；注重物理思维方法的训练，比如对称分析、叠加法、力线法、等效法等；感悟物理学家执着于科学研究的精神，学习其敢于面对挑战，笃信真理的治学态度，从知、能、意、行诸方面促进学生全面发展．

3.3优化课程内容

电磁学先修课程内容包括静电场、静电场中的导体和电介质、稳恒电流、恒定磁场、电磁感应、磁介质、交流电和麦克斯韦电磁场理论8部分内容[2]．

(1)教师在内容选择上要有所侧重，整个电磁学先从静电场出发，再研究稳恒磁场、电磁感应、直到电磁场理论建立．研究对象是矢量场，研究场的基本性质(有源无源、有旋无旋)，场对物质的作用及物质对场的响应，场的能量及场的分布与传播问题，因此加强对静电场教学，使学生体会这新颖的研究方法——高斯定理与环路定理；磁介质及磁化规律则可以相对降低难度，对于磁荷观点简单介绍即可．

电磁学中利用虚功原理求解力、利用镜像法求解场强、静电场边值条件的唯一性定理、A-B效应、磁矢势等内容的深入理解需要电动力学知识，不必向学生过多介绍，避免产生认识负荷．

(2)电磁学与技术革新联系紧密，在教学过程中教师要灵活运用教科书内容，对于那些对当代科技有深远影响的物理原理或物理效应，应该介绍其应用价值．比如讲解超导体内容时，学生了解了迈斯纳效应后可以带领其参观高校演示实验室，目睹超导磁悬浮现象，激发其学习兴趣；在学习了霍尔效应后，可以安排学生以小论文的形式说明霍尔效应的实际应用，一方面培养学生收集信息、自主学习的能力，另一方面加深其对所学内容的理解．

(3)电磁学问题分析需要学生掌握微积分的知识(二重积分即可)、矢量的叉乘与点乘，还需要利用到数学场论中的高斯定理与斯托克斯公式，学生应能在球坐标系下求解问题，这些内容教师应该在学习之前补充，减少对物理理解的障碍．

3.4改革教学方法

教学对象的改变势必引起教学模式与方法的变化，中学生不具备大学生那种敏锐思考问题的方式，数学功底相对薄弱，抽象性思维尚处于发展阶段，但其对新鲜事物充满好奇，探索欲望更强，因此教师应该在讲授法基础上开发适合中学生认知特点的教学方法．

中学生逻辑思维能力处于发展阶段，更多依托于形象思维认识问题，生动有趣的演示实验既能促进知识的理解，又能吸引学生眼球．比如尖端放电、电单摆、法拉第笼实验、利用范德格拉夫起电机演示人体带电，头发像电场线一样垂直于头部；对比楞次定律、电磁驱动、涡流热效应、三相旋转磁场演示器等形象说明了物理原理，有利于学生知识的构建．

3.5丰富教学形式

在教学实践中，除了常规的课堂教学外，我们开展物理论“谈”，教师选择一些开放性题目要求学生以论文形式进行论述，这些题目具体指向不明确，旨在提高学生分析和处理问题的能力，帮助学生建立概念间联系，把握物理规律的实质，比如“说明库仑定律与叠加原理的关系”、“同种电荷一定相互排斥吗？”、“当能量连续分布时，静电场能量的3个公式的区别？”“求解中子星磁场的极限值”[3]等等．这些问题需要学生去阅读课外书籍与文献，搜集信息并整理，自主地获取知识并不断地与合作者讨论，彼此交流观点，思维进行碰撞．

在教学中为了拓宽学生视野，聆听大师对于物理的认识，我们聘请北京大学物理学院王稼军教授为同学做专题讲座，讲解物理规律的建立过程，物理学家超群的创新思维与创造技巧(专题报告的具体内容见表1 )．

表1　专题报告的具体内容

3.6开发课程资源

课程资源开发是课程本土化的一个重要标志，也是课程建设的重要环节．

首先应该积极与高校合作，组织教师参加先修培训，提高业务素质与能力；聘请高校学科专家进行教学指导，进行专题报告；与演示实验室沟通，使学生有机会看到新奇的物理现象，感受物理就在身边．

其次，发挥网络资源的巨大作用，指导学生在中国大学资源共享课或MOOC里学习电磁学课程，丰富了学生学习的途径，实现线上线下互动学习，学生收获颇丰．同时应与其他试点学校保持沟通，及时交流，探讨教学中遇到的问题，不断地获取外界信息．

大学先修课程是中国基础教育改革的产物，顺应了社会对于人才培养的需求，为系统化培养人才提供了一种思路，满足了不同学生的个性需求，可以预言其发展前景是广阔的．对于基础教育工作者而言，迎接了挑战也是把握了机遇，应该积极探索高效率的教学模式，推动CAP的发展进程．

参 考 文 献

1陈秉乾,舒幼生,胡望雨.电磁学专题研究.北京：高等教育出版社,2001.99～101

2王忠亮,封小超.电磁学讨论.成都:四川教育出版社,1988.73～76

3陈秉乾,王稼军.大学物理通用教程——电磁学.北京:北京大学出版社,2012

University-Level Advanced Placement——Reflection

and Practice on Electromagnetism Course Construction

Zhang Jian

(The second high school attached to Beijing Normal University,Beijing100088；

Department of Physics，Beijing Normal University, Beijing100875)

Wang Hua

(The second high school attached to Beijing Normal University,Beijing100088)

Li Chunmi

(Department of Physics，Beijing Normal University, Beijing100875)

Abstract:Chinese Advanced Placement has been put into practice recently, many teachers begin to explore the most effective teaching method. The article takes the electromagnetism course for example to introduce the determination of the goals of teaching, the selection of the content of course, the use of various teaching method and so on and to expect to promote the development of CAP.

Key words:Chinese Advanced Placement；CAP；Electromagnetism；construction of course

收稿日期：(2015-03-30)

作者简介：张健(1988-)，男，中教二级，研究方向为物理课程与教学论．