《电磁学》课程中实施研究性教学的探索

2017-04-20牟致栋

教育教学论坛 2017年15期

牟致栋

摘要：在物理类专业《电磁学》课程教学改革实践中，对如何把经典《电磁学》与现代化内容相结合，实施研究性教学的可行性作了一些理论分析与探讨，并对实施可行性提出了几点思考。

关键词：物理类专业；《电磁学》；教学改革；研究性教学

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）15-0165-03

《电磁学》是应用物理专业学生的一门必修课，是一门重要的专业基础课，是学习许多后续课程的基础，其基本原理在现代自然科学和工程技术等领域有着广泛而深入的应用。《电磁学》的研究方法高度集中了物理与数学结合的逻辑上的严密性与系统性，其基础理论对于学生今后从事教学与科学研究以及工程技术应用领域的研究都十分重要。如何提高这门课程的教学水平和教学质量，为培养高素质人才做出了更大的贡献，是摆在广大基础课教师面前的一项重要而紧迫的课题。随着世界经济的全面高速发展，社会对高素质人才的培养更加关注，近几年来已经引起了我国社会各界有识之士的普遍关注。高等教育在新中国成立以来特别是在改革开放二十年来取得了巨大成就，为国民经济发展和社会的全面进步做出了很大贡献。然而，长期以来我国高等院校对学生创新精神和创新能力的培养是一个突出的薄弱环节，教学观念落后，不利于学生学习能动性的发挥，教学模式单一不利于学生个性发展和拔尖人才的脱颖而出。教学方法过死，满堂“灌疏式”的现象基本上没有得到彻底的改变，考试方法和考试内容引导学生死读书本。对学生的评价主要以课程考试中的一次成绩评定等，束缚了学生创新意识和创新能力的发展。然而，一个国家的综合国力最终将取决于其科技实力，而科技实力在于人才，人才的根本源于教育。而具有严密体系和数理逻辑思维的高等物理教育教学在培养高素质人才方面可以发挥十分重要的作用。在这种背景下，我们结合实际，在应用物理专业《电磁学》课程教学中进行了研究式教学的探索与实践，根据实际情况提出了在《电磁学》教学中实施研究式教学的几点思考。

一、物理专业《电磁学》课程教学中研究式教学的探索与实践

从狭义上讲，研究式教学就是在课堂教学中就某一具体问题进行专题研究的全过程，通过这一过程使学生获取相关知识与技能的同时，对某一问题具有比较深入的掌握与理解。从广义上讲，研究式教学是指在教师的指导下学生就自然科学、社会科学和生产生活实际中选择和确定专题进行研究的过程。根据上述对研究式教学的理解，我们认为在《电磁学》课程教学中首先应当对其教学内容做必要的调整和改革，特别是应当增加与当前工程技术领域密切相关的现代化内容。

1.《电磁学》课程教学内容的现代化改革。《电磁学》这门学科的基本内容是经典电磁学部分，它主要包括静电学、静磁学、电磁感应和Maxwell电磁场基础理论，课程内容多、学时少。教学中如何把与当前工程技术领域密切相关的现代化内容补充进来，是教学过程中要认真解决的问题。为此，我们将其课程内容做了如下的改革：绪论部分讲《电磁学》的重要性时，介绍一些它在现代科技和生活实际中的应用，如从家电到高技术领域，从微电子技术、信息技术、能源和材料科学到纳米科技等相关知识。第一章讲到电荷的量子化时，介绍分数电荷、夸克的发现和种类。在讲到作为静电理论基础的库仑定律时，介绍高速运动的点电荷之间不满足经典库仑定律的几种情况，并写出在相对论情况下库仑定律的具体数学表示式，介绍用矢量和标量来描述静磁场时讲矢量和标量描述的相对性。第二和第三章为静电场中的导体和电解质，讲物质电结构时介绍电子和质子的发现以及原子吸收和发射光谱研究是了解原子内部構造的重要手段。电介质物质分子的结构与极化过程和电偶极子的物理模型在现代原子与分子物理中的重要应用，如静电复印机和静电屏蔽等。第四章讲经典电子论时讲其应用的局限性和现代量子理论对物质电导率的准确解释。基尔霍夫方程组仍然是研究似稳电路的基础。第五章静磁场一章中，讲非稳恒电流元的毕—萨定律的含时形式与磁延迟效应。第六章讲带电离子与磁场相互作用时，讲重元素质谱仪、同步回旋加速器、磁流体发电等。讲磁约束时介绍磁约束和惯性约束高温等离子体核聚变以及天体热核聚变等离子体，同时介绍离子体作为物质世界七种基本形态（固、液、气、等离子体、超密态、反物质和真空）之一，即物质的第四态是由足够数量的正负带电离子组成，其运动由电磁力支配的另一种物质状态。宇宙中99%的物质处于等离子体状态。由于地球的低温环境仅存在少量的等离子体，如电解液、电离气体、空间电离层等。在讲磁聚焦时介绍了电子显微镜的基本原理，特别介绍了扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope简称STM），它是IBM公司苏黎世研究所的宾尼格和罗勒于1981年发明的，并获得了1986年的诺贝尔物理学奖。在第七章讲磁介质的顺磁性、抗磁性和铁磁性物质的特性和磁化机理，介绍了各种磁性材料，如软磁材料、硬磁材料、磁致伸缩材料、磁光材料等基本特性与应用。在分析抗磁性时介绍超导抗磁性（迈斯纳效应）、磁悬浮和超导磁悬浮列车。超导体的零电阻效应及高温超导材料的研究状况和应用前景。

2.课堂专题和课程论文。在上述对电磁学课程在基本概念和基本原理的基础上，通过对整个课程增加现代科学和工程技术应用知识进行整合。在课堂教学中，采用课堂专题讲座和课堂讨论的方式介绍现代物理内容。课堂专题有利于把有关知识比较深入地介绍给学生，而开展课堂讨论有利于调动学生的积极性，也有利于学生综合素质的提高。专题讲座和课堂讨论的基本原则是不追求把所有专题问题全部讲深、讲透，而是就某一专题突出重点，要给学生留有思考的余地。专题讲座中的题目可以由教师提出，也可以由学生自行拟订，题目所涉及的内容主要包括三个方面的内容：（1）就某一电磁学的原理和基本概念进行深入的分析研究；（2）就某一电磁学原理密切相关的应用课题进行专题研究；（3）涉及了与其他的学科融合交叉的综合性专题研究。在专题讨论、课堂基本概念和基本原理教学的基础之上，指导学生通过互联网和图书馆等有关途径搜集有关资料的方法，学生通过自身的思考、分析、总结，培养和锻炼了自己提出问题、分析问题和解决问题的能力。学生通过自己的努力写出有关专题研究的论文，下面就最近四年中部分学生的电磁学课程论文列述于下：（1）电磁学发展史；（2）晴天大气电场的利用（探讨人类如何利用雷电所释放出的能量）；（3）金属导电的微观解释（由固体理论结合经典电子论讨论了金属的电导率与环境温度的关系）；（4）超导体及其电磁学性质（讨论昂纳斯超导转变温度和零电阻导体特性）；（5）Hall效应及其应用（历史渊源和Hall传感器的应用）；（6）库仑定律严格平方反比关系的几点讨论（讨论库仑定律严格反比关系与光子的零静止质量、真空色散、电荷守恒等的一些关系）；（7）右手平直定则的来源与通用性（而矢量的叉积确定第三矢量的问题）；（8）我的有关地磁场的假说（讨论有关地磁场反转问题的历史发展，提出了自己独到的见解）；（9）电场和磁场性质的数学解释（讨论电场、磁场散度和旋度的数学表示）；（10）电磁场中的动量和能量守恒（研究电磁场中的动量和能量守恒问题）；（11）相对论条件下库仑定律的形式与电磁场变换（推导相对论条件下库仑定律的形式及电磁场变换关系）；（12）电磁波的应用——微波加热与检测（讨论微波加热、除菌、测温、脱水与解冻、金属表面裂纹检测等）；（13）静电复印机的工作原理；（14）偶极子与分子环流的电磁学性质（类比了两种物理模型的电磁性质）；（15）趣味电磁学——生物罗盘之迷（讨论动物与人类的磁敏感性）；（16）空心载流圆柱体磁场的计算（从数学上推导计算了空心载流圆柱体在空间一点处的磁场）；（17）日光灯的工作原理及整流器的安全运行机制；（18）磁流体发电——一种新的发电方式（介绍磁流体发电的原理及应用前景）；（19）温差电现象及应用（温差电测温）；（20）互感器及其应用（互感变压器）；（21）回旋辐射的几点讨论（韧致辐射与回旋辐射在生物医学领域的应用等）；（22）超导技术及其应用（讨论了12种超导材料的超导临界温度和超导输电、磁悬浮等问题）；（23）趋肤效应的定性与定量分析（就一个具体的高压电路传输中电流密度与导体相关物理量的关系进行了比较细致的分析）；（24）对称才是美的——对磁单极存在的一点猜测；（25）稳恒电场边值问题的唯一性定理（讨论了在稳恒电场中的边值问题）；（26）电介质的极化机理；（27）压电效应及其逆效应的原理和应用机制（压电效应及其逆效应在信号传输中的应用）；（28）长距离输电中一个容易被混淆的概念（指出漏电导为常数并不能说明单位长度的电流损失也是常数）；（29）半导体帕尔帖效应及应用（讲述半导体帕尔帖效应制冷原理及半导体冰箱）；（30）场致发射的应用前景（FED、PDP与LCD等显示器的分析对比）；（31）同步回旋加速器的原理及其应用（讨论了工作频率与离子质量的关系）；（32）地球磁场是怎样产生的（回顾历史讨论地磁产生的原因）；（33）弹性载流线圈在均匀磁场中的运动（讨论弹性载流线圈在均匀磁场中的伸缩现象）；（34）惠斯通电桥的研究（讨论非平衡情况下电桥的灵敏度与电阻的测量方法）；（35）平面圆电流外一点处的磁感应强度的计算；（36）电子感应加速器的工作原理；（37）磁性材料的应用与发展（讨论磁光记录和磁记录材料的应用）。

上面仅列出了部分《电磁学》课程论文的题目及主要内容。到目前为止，学生共完成课程论文203篇，内容几乎涉及了与《电磁学》有关的所有内容。通过四年来的研究式教学的探索与实践我们认为：（1）通过课堂专题和讨论，学生从选题、查阅资料到完成课程论文提高了学生独立分析问题和解决问题的能力。（2）激发了学生学习的兴趣和学习的积极性，这一点可以从学生广泛阅读的大量相关资料中看到。（3）对《电磁学》中的有关基本原理有了更加深入的理解。

二、对《电磁学》课程教学中研究式教学探索的几点思考

1.教学方法的改革。针对当前高等学校物理专业基础课教学的教学情况和我们几年来对应用物理专业《电磁学》课程教学中研究式教学探索与实践的总结分析，我们认为课堂教学应努力激发学生的求知欲望，积极培养学生自主获取知识的能力、独立分析问题和解决问题的能力。为此，在课堂教学中我们做了如下几方面的探索：（1）以讨论式和启发式为主的特点。对专题中拟定讨论的问题，鼓励引导学生发挥其创造性思维，发扬求知探索精神，引导学生充分展示其思考问题的方法，培养学生分析问题的能力。（2）对有关讨论的题目及时给出相应的参考资料的来源，方便学生课后即时地获取有关资料为及时深入的研究打下基础。（3）可以由学生自拟题目，通过教师引导进行课堂讨论。

2.教学评价制度的改革。对课程教学评价制度的改革是教学改革的重要方面之一。在对应用物理专业《电磁学》课程教学中研究式教学探索与实践中，我们采用综合评定学生成绩的办法，即学期末的考试成绩为70%，课程论文20%，平时作业10%。改变了学期末一次考试评定学生成绩的办法，这种办法有利于研究式教学的实施，也得到了学生们的欢迎，同时对教师课堂教学的评价也应改变过去较为单一的评价办法。

3.对研究式教学实施可行性的一点思考。近几年来，以培养高素质创新人才为宗旨的高校教育教学改革取得了可喜的成绩。这种改革所提供的良好氛圍为研究式教学的实施提供了良好的思想基础。但是，实施过程中还需解决以下的具体问题：（1）要建立全面而有效的教学评价体系。（2）图书馆，网络资源要保证学生能有效的得到有关所需的资料。（3）为学生的课题研究提供必要的经费支持。

上文对四年来应用物理专业《电磁学》课程教学中研究式教学的探索与实践的一些情况作了简单的总结说明。目前，一些高校提出了建设研究型大学的宏伟蓝图，极大地激发了高校广大师生进行教学改革的热情和勇气。而研究型大学作为高校综合生态系统要求有世界顶级的学术大师、世界一流的科技成果，通过研究式教学获取知识和进行专门性课题研究的良好氛围，从这个意义上来说，我们在应用物理专业《电磁学》课程的教学改革中所进行的探索是有意义的，有利于提高人才培养的水平和质量。

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