《大学物理》电磁学教学中的问题及其对策

饶 识

(湖北工业大学 理学院，湖北 武汉 430068)

0 引言

《大学物理》是高等院校理工科专业的一门重要的基础理论课，学好《大学物理》不仅能为理工科高校学生打下良好的知识基础，同时对构建大学生辩证唯物主义世界观，提高大学生综合素质，培养大学生的科学精神以及培养他们分析问题、解决问题的能力也是极为有益的。电磁学作为《大学物理》教学中的主要内容之一，是理工科学生进一步学习《模拟电子电路》《微波技术》等后续专业课程不可或缺的理论基础。然而，在实际的教学中，由于电磁学涉及的抽象概念较多，数理计算能力要求比较高，同时课时紧张等原因，电磁学经常成为大学生学习中的拦路虎。做好《大学物理》中电磁学内容的教学也是摆在老师面前的一个难题。如何改变学生学习困难的现状，充分发挥基础理论课的作用，推动《大学物理》课程教学改革与创新是一个值得我们去研究的课题。本文分析了《大学物理》电磁学内容教学中普遍存在的问题，并给出了相应的可行对策。

1 电磁学教学中存在的问题

1.1 紧张的课时数与庞杂的教学内容之间的矛盾

近年来，大学生就业的压力越来越大。为了提高大学生的就业率，很多高等院校都相应地调整了大学生课程设置，补充了与社会就业和科技发展紧密关联的专业课程，同时也添加了很多就业实习安排。受此影响，很多高校对《大学物理》这样的基础理论课程的课时进行了删减。然而《大学物理》本身包含力学、电磁学、热学、机械振动和波、光学、近代物理初步等较为庞杂的内容。课时虽然削减了，但对各个知识点的要求却并没有降低。在相对较少的课时里完成《大学物理》电磁学的教学内容，势必会增加教师教学和学生学习的难度。紧张的课时数与庞杂的教学内容的矛盾，限制了教师选择教学方法的空间，减少了课堂上师生互动的几率，阻碍了教学过程的结果反馈与自我调节。另外，削减《大学物理》课时也给部分学生形成了一种《大学物理》不太重要的错误引导，削弱了大学生对《大学物理》电磁学的学习积极性。

1.2 相对单调的教学方法难以调动学生学习兴趣

由于电磁学涉及电磁场、涡旋电流等很多抽象概念，且相应的定理或定律注重逻辑推理，所以最直接、最容易实现的电磁学教学方法通常是传统的理论讲授、板书推导结合多媒体演示。目前很多普通高校电磁学的教学方式就是采用这种传统的讲授式，按照教学大纲和课本的安排，逐步讲解。这种方式主要依赖于教师按部就班地对理论知识的讲授。至于真正能激发学生兴趣的电磁学的科学前沿、实际应用、发明创造等由于教学时间的限制，往往只是简单提及或略过，不能深入展开教学。同时，在传统讲授法中，教师与学生的互动有限，不可能真正关注到每个同学的学习情况，不利于教师教学设计的调整和教学过程的检查。此外，电磁学相关计算较为复杂，需要学生掌握矢量计算、微积分等很多高等数学的知识。为了保证学生对计算方法的掌握，很多老师都会选择题型演练和讲解的方式。这种单调抽象的教学方式容易让学生产生厌烦和畏难情绪，不利于调动学生兴趣和学习积极性。

1.3 部分学生对《大学物理》的电磁学学习目的和意义认识不足

迫于高考的压力，很多学生在中学阶段的学习物理的目的是考高分，进入理想的高校。进入大学之后，他们认为大学物理电磁学只是高中知识点的一种简单升级或重复，因而不重视大学物理的学习。实际上，大学电磁学除了要求学生掌握电磁运动的基本现象和基本规律外，更要求学生习得分析问题解决问题的能力和物理建模的思想，为后续专业课程的学习奠定基础。从本质上讲，蕴含在电磁学理论中的物理思想和物理方法既是《电路》《微波技术》等后续专业课程的理论基础，也是傅里叶光学、量子力学、天体物理等现代前沿科技的理论工具。对于这一部分学生而言，大学物理作为一门公共必修课，跟专业知识关联不大，对就业也没有帮助，所以他们在学习时采取一种应付的态度，缺乏学习的主动性和积极性。同时，部分高校对大学物理的考核方式较为单一，主要是平时作业加期末考试，而期末考试的试题又大部分来源于平时作业和习题讲解。因此有些学生觉得只要考前一段时间死记硬背，突击习题就可以应付考试，不愿意花时间去了解真正的电磁学理论和物理思想。

1.4 部分学生数学或物理基础较差，不能达到或适应电磁学学习的要求

最近几年一些省份高考实行3+X的模式，很多本来数理基础不是很好的同学选择了回避物理。而这些同学进入了大学之后仍然要面对大学物理的学习。他们在学习电磁学时，由于知识基础落后于其他同学，心理上缺乏自信。如果教师教学过程没有针对这类学生的辅助教学措施，这些学生就可能会在学习中因无法跟上整体进度而掉队。同时，大学物理中的电磁学需要一定的高等数学基础，比如矢量处理的方法和微积分的思想。在普通高校的教学安排中，高等数学的教学比大学物理电磁学的安排略早或几乎同步进行。在这种情况下，很多学生还不能较好地利用高等数学知识处理或分析电磁学的问题，从而也会对一些基于数理推理计算的知识点产生学习困难。此外，部分高校由于缺乏师资力量，在安排教学时实行大班教学。在课时紧张的情况下，教师很难照顾到几十位甚至一百多位同学的学习情况。这就容易导致部分数学或物理基础较差同学赶不上应有的教学进度。

1.5 学生缺乏有效的物理学习方法

很多大学生在面对《大学物理》电磁学学习时，会继续采用高中的学习方法，即被动接受老师课堂上的知识，学习缺乏主动性。实际上，大学与高中电磁学学习有很大的不同。第一，教学内容上，高中电磁学的适用条件更为简单化和理想化。而大学电磁学则是研究更普遍、更为复杂的问题情境。第二，教学方法上，大学电磁学比高中电磁学所需的数理知识储备的要求更高，如电磁场中的矢量计算，毕奥—萨伐尔定律中的微积分计算等等这些都远比高中电磁学难处理。第三，从教学目标来说，高中电磁学一般都只要求掌握基本公式及其简单计算，而大学物理则更注重对物理思想的把握。第四，从学习手段上讲，高中电磁学主要通过老师的传统讲授，学生被动配合学习，而大学电磁学由于课时较紧，内容较多，除了老师的课堂教学外，更注重学生的自主总结和归纳。所以，如果学生单纯沿袭高中的学习方法，依靠课堂时间是较难掌握好电磁学的理论知识的。要学好电磁学，还需要学生增进知识点间的理解和梳理，加强课后自我学习和归纳总结。对于缺乏自主学习方法的学生而言，如果没有教师进一步的引导，是不能将电磁学物理方法和物理思想内化成真正的知识体系的。

2 《大学物理》电磁学教学对策

2.1 科学、合理制定教学计划，保障电磁学基本课时和科学布置

《大学物理》电磁学部分是经典物理的重要支撑内容，是进一步学习电学专业课程的必备基础，对提升学生个人素质和就业能力也是大有裨益的[1]。针对前面所提到的课时紧张的问题，普通高校在制定教学计划安排时，应该保证《大学物理》应有的课时，使《大学物理》电磁学教学内容能够顺利完成。对于普通高校而言，大学物理电磁学教学课时应保证不少于28课时。同时在设置大学物理实验时，也应该让相应的电学实验与电磁学的教学进度相同步。比如“霍尔效应”和“螺线管测磁场”等实验应该配套在学习电磁学的这一学期进行。这样可以让理论学习与实验操作相结合，有利于学生理论知识的验证和巩固。最后在设置教学班级时，尽量安排小班教学，从而让老师能够更好、更深入地了解学生的实时学习情况，及时调整自己的教学计划和教学方法，以期切实保证教学质量。

2.2 采用灵活的教学方法，提高学生学习兴趣

针对之前所说的很多大学生觉得电磁学板块“已经学过”“没兴趣”等现象，高校教师最重要的解决途径还是要根据不同章节知识特点，选择不同的教学方法，提高学生的学习兴趣。在这里简单介绍几种常见教学方法。

2.2.1 对结构类似的知识点采用启发引导式教学 在电磁学的教学中存在着很多结构类似的知识点。在讲解这类知识点的过程中，如果教师采用传统讲授的办法，学生会感觉知识点有重叠而缺乏关注的兴趣。为了解决这类问题，教师可以采用启发引导式教学，提前归纳已有知识点，然后设置问题让学生利用类比性得出相应的结论，这既能充分调动学生的积极性，也让课堂教学不单调乏味，学生对知识点的掌握会非常深刻。比如在学习磁场的高斯定理这一小节时，我们可以采用启发引导式教学。在小节开始时，老师将全班分成若干学习小组，然后设置问题复习静电场高斯定理的知识。在学生回答了这个问题之后，老师再设置问题让学生回忆静电场高斯定理的推导过程和建模方法，对于这个问题，让不同的小组思考讨论然后回答。为了同稳恒磁场高斯定理承接，老师可以引导学生从高斯面内有电荷和无电荷两种情况分析。在学生陈述完个人观点后，老师综合各方观点，强调静电场的有源性对于静电场高斯定理的影响。在此基础上引导学生思考如果静电场是无源的相应的高斯定理会作何改变，然后再设置问题让学生比较磁场与电场、磁场线与电场线的异同点。老师根据这些分析结果进行点评总结，得出稳恒磁场的高斯定理。这种启发引导式教学通常适用于像电势能与电势、磁场的环路定理、洛伦兹力等有类比结构且分析难度不大的知识点，旨在提高学生的课堂积极性和锻炼学生的物理思维能力。在教学过程中，老师主要是起到启发和引导的作用，由学生作为主要教学的推动者，按照逻辑发展顺序逐步演绎得出相应结论。

2.2.2 对有实际应用的知识点穿插物理前沿选讲 普通高等学校电磁学中传授的主要是经典电磁理论。在讲授这些理论成熟的知识体系时，如果只是照本宣科地对学生讲授理论知识，学生会感觉知识体系脱离生活体验和科技发展，从而形成物理知识枯燥的印象。针对这种情况，可以采用物理前沿选讲的办法。在教学中，教师应该利用电磁学的基本知识在物理前沿科学中的应用来引起学生关注，激发学生的学习兴趣。比如在讲解洛伦兹力的时候，教师可以在讲解完洛伦兹力的基本公式和原理后，为同学们讲解环形加速器工作原理，让学生知道利用洛伦兹力形成的圆周运动可以使带电粒子反复经过加速间隙，从而达到加速的效果。进一步还可以让学生了解加速器在粒子物理中的重要应用及诺贝尔奖与加速器的关系，鼓励学生积极学习电磁学，探索科学高峰。除此之外，在讲解安培力的时候补充讲解磁悬浮列车和电磁炮的原理，讲解电磁波的时候补充讲解射电望远镜的工作原理。这种教学方法可以让学生了解电磁学在社会民生和国防工业中的应用，既可以拓宽学生的知识视野，提高学生学习电磁学的兴趣，又可以为以后的专业课程学习做好铺垫。对于大多数有着实际应用的电磁学知识点而言，物理前沿选讲的方法都是可行的。

2.2.3 对抽象的概念或理解有难度的知识点添加实验演示 孔子说，“坐而思不如起而行”。最有说服力和吸引力的教学通常是结合亲身体验。对部分理解有难度，但实际操作较直观的知识来说，我们提倡利用物理小实验或物理小视频调动学生学习兴趣。以磁场对载流线圈的作用这一小节为例，传统的讲授法主要着眼于利用数学推理和逻辑分析的办法，让学生掌握安培力对载流线圈的力矩公式。这种教学方式涉及抽象概念较多，需要一定的空间想象力，会给部分学生造成知识点抽象深奥的印象。针对这种情况，教师除了理论知识的讲解外，还可以带领学生利用磁铁、电池、铜丝等道具制作简易电动机。在具体教学时，老师可以先指导学生将铜丝弯成线圈形状，然后将铜丝的两个端点连接在底部放有电磁铁的电池的正极和负极。然后让学生观察铜丝线圈转动的现象。结合这个简易的电动机模型，老师可以为学生讲解载流线圈所受的安培力力矩的知识，并鼓励学生自己思考是否还有别的制作电动机的方法。这些简易而极为生动的例子可以让学生认识到安培力力矩的产生机制，并了解了安培力在电气自动化中的简单应用。这种方法要求知识点便于实验操作，现象明显，所需材料和环境要求不高。需要说明的是，采用这种办法时，教师要把握好实验演示与知识点讲授的时间分配和衔接。

2.2.4 对电磁学经典概念的讲解引入物理学史 这种方法主要是在电磁学经典概念的学习时引入物理学史[2，3]。比如，在学习电荷的概念的时候可以补充讲解从莱顿瓶储存静电、富兰克林风筝实验捕捉雷电到赵忠尧错失正电子发现过程的故事。通过物理学史系列故事，既让学生清楚知道电荷的种类和发现过程，也提醒学生要留心观察，勤于总结。在学习电磁感应部分时，可以跟学生介绍从伏打的起电盘到法拉第电磁感应定律发现过程，引导学生学习法拉第百折不挠的科学精神。物理学史的选讲除了引起学生对电磁学的学习兴趣外，也为电磁学的教学过程加入了人文因素，可以帮助学生形成科学的世界观和正确的价值观。当然，物理学史选讲的办法主要还是针对本身关联物理学史且教学课时充裕的知识点。

除此之外，电磁学的教授方法还有很多，例如翻转课堂，猜想归纳法[4]等等，这里就不一一罗列。引入这些方法的宗旨主要还是增强学生学习兴趣，丰富教学形式，提高学习效率。具体形式，高校教师可以在电磁学的实际教学中酌情选取。

2.3 合理利用多媒体和手机APP“混合”教学

大学物理电磁学部分知识点，所包含的概念较多，现象也比较复杂，除了抽象的演绎和推理外，也需要一定的演示。除了常规的板书讲授式教学外，合理利用信息化手段展开教学可以使电磁学的复杂现象和数理推理更加形象化和条理化。目前常见的信息化电磁学教学手段可归类为多媒体教学和手机APP教学两类。其中多媒体教学借助于计算机对声音、图像、动画等对象的强大处理能力，能够帮助高校教师形象化展示各种复杂现象，简化教学流程。虽然多媒体教学简化了讲授和板书等环节，然而多媒体设备的教学也有其弊端。在多媒体教学中教学节奏快，信息量大，紧张的教学过程容易让学生产生认知疲劳。此外，多媒体这种教学方式缺乏教学活动的灵活性，容易让学生产生依赖。单纯依赖多媒体照本宣科教学显然不利于培养学生的逻辑思维能力和教学互动[5，6]。

基于手机APP的教学是利用如超星学习通，雨课堂，励志君等教学APP强大的统计功能和互动功能。这些教学APP为电磁学的教学提供了在线资源平台。学生通过智能手机登录这些APP可以学习授课老师提供的课件、视频、图像等资源。利用这些手机APP，老师不仅可以通过发布任务、小组互动等形式组织和督察学生学习活动，同时也可以对学生的学习情况进行收集和统计。这样，老师可以根据统计数据及时作出教学调整和教学改进。除了课堂所学外，学生还可以利用课外的碎片化时间自主学习。这也是对课堂教学的进一步延伸，可以有效提高学生对知识点的掌握情况。但这些教学APP也有弊端，会出现如教学过程对网络的依赖性较大、学生玩手机分神不能及时跟上老师教学进度等问题。

为了充分发挥这些信息手段的优势，而不是受其所制，电磁学教学应提倡，混合“传统板书式”“多媒体展示式”和“手机APP”三种资源，结合三者的优势进行教学。教师可以利用多媒体的便捷性演示复杂的物理现象，如采用多媒体演示电磁波理论。对涉及到需要学生思考或习题解说的环节，如对毕奥萨伐尔定律的应用讲解，老师可以采用传统板书式来解说。对于需要学生课堂参与和课后自主学习的内容，教师则可以指导学生在手机APP上进行。以安培环路定理的讲解为例，老师在课堂上可以先采用手机APP的“签到”功能监督学生考勤，然后结合多媒体课件讲解安培环路定理的具体内容。在设计到具体例题时，除了本身多媒体展示外，教师应放慢节奏结合传统板书式引导学生掌握计算方法。接着，老师可以通过手机APP“测试”功能发布课堂练习，检查每个学生的知识点掌握情况。在课程结束后，教师将课程电子资源上传至“在线资源库”，为学生课后复习提供便利。同时通过手机“作业”发布作业，及时监督学生作业情况。在这三者教学方式的合理结合下，信息技术手段可以为电磁学教学添光增彩。

2.4 做好大学电磁学教学与高中已学知识的衔接

针对大学电磁学学习与高中衔接的问题，高校教师既要引起学生对电磁学的学习的足够重视，同时也要注意教学的方式方法，让大学生逐渐适应大学学习过程[7]。首先，高校老师要在绪论课上通过举例阐述的方式让学生认识到大学电磁学学习与高中的不同，帮助大学生树立正确的学习大学电磁学的态度，加强重视程度，提高自主学习的意识。其次，在教学过程中，教师要注意到大学电磁学很多计算是有一定难度的，对相关知识点的教学要循序渐进，控制教学速度，让学生逐渐适应大学学习节奏。比如在讲授高斯定理时，可以先让学生利用库仑定律计算电荷处于高斯面球心处的电场通量和电场强度，然后逐渐改变高斯面的形状，逐步推导得出高斯定理，而不是先直接给出高斯定理的结果。此外，在教学的过程中要做好高等数学计算方法对相关知识点的铺垫。如在讲解安培环路定理前，可以帮助学生适当回顾或学习斯托克斯公式。再次，针对不同省份高考3+X的影响，大学电磁学在照顾大多数同学的学习进度的同时，也要考虑到部分基础比较差的同学，分层次教学，适当对这些同学在大学电磁学中加强对相应高中电磁学知识的巩固和过渡。最后，在大学电磁学教学过程中，要多关注学生物理思想和物理方法的掌握，引导学生采用微元法、极限法等大学电磁学的新思路来解决问题，多采用启发式教学促进学生培养物理学习自觉性。

2.5 改革考核模式，促进学生自主学习

在传统的电磁学教学中，老师对学生的考核一般是平时作业和考勤占30%，而期末考试占70%。很多学生平时学习不太认真，期末突击应付考试；也有的学生平时认真学习，期末由于心理或者发挥原因考得不是很好。所以这种考核结果有一定的偶然性，不能真正有效评价学生平时学习情况，也不能调动学生平时学习的积极性。因此针对电磁学部分的课程考核方式的改革是有必要的。在学习电磁学的过程中，高校教师可以根据课堂知识本身特点引入随堂测试、网上测试、小论文等多种考核方式，综合评价学生的平时表现。同时鼓励优秀学生自学，增加如课程演讲、电磁学装置设计等学生展示的机会。在这些活动的基础上，可以适当增加平时考核的比例，减少期末考试的比例，这样可以加强学生自主学习的能动性，调动学生积极参与平时电磁学课程的学习，避免期末考试的片面性和局限性。这种新的考核模式既增进了老师对学生电磁学学习情况的了解，也便于老师及时监督和调整教学。

2.6 提高学生学习兴趣，培养学生自主学习能力

孔子说过：“知之者不如好之者，好之者不如乐之者”。兴趣是学习一门课程最好的老师。对于电磁学的学习，老师应该帮助学生认识到电磁学学习的重要性，树立正确的学习观念。为了让学生认识到学习电磁学的重要性，高校教师可以通过绪论课系统说明电磁学在当今社会生活、就业升职、国家工程等多个方面的应用。同时为了提高学生的学习动力，高校教师可以采用优秀科学家的故事和科学前沿动态的发展的讲解，让学生了解到物理学家精益求精，坚韧不拔的科研态度，鼓励学生努力学习科学知识，树立远大的人生理想，勇攀科学高峰，为国家贡献自己的力量。除此之外，老师还需要培养学生养成自主学习的方法。受各个高校专业课程设置的影响，课堂教学的时间不可能像高中那么仔细，这就要求各个学生自觉养成自主学习的习惯。“授人以鱼不如授人以渔”，只有学生掌握了良好的自主学习能力，形成“教学—自学—思考—启发”的良性循环，才能让学生在繁复的大学知识体系中举一反三，日益精进。在这里，就要求老师在平时讲解电磁学知识多引导学生构建自己的电磁学知识体系，让学生多了解定理背后的“类比方法、微元思想、逆向思维、结构化思维”等电磁学思维方法。比如在讲解电磁感应定律的时候，就要让学生明白法拉第能发现电磁感应定律就是“电能生磁，那么磁能否生电”的逆向思维激发。在课时允许时，可以鼓励学生进行专题学习，比如在学习“电容”这一小节的时候，可以引导学生自主学习，写出电容器相关类型和应用的自学报告，然后对这些自学内容再进行总结点评。这些都可以锻炼学生的自学能力，加强学生的自学信心，促进学生形成探索性的学习习惯。

3 结论

大学物理电磁学教学不仅关系到学生个人科学素养和知识储备，也影响理工科大学生后续其他专业学习。笔者结合教学自身教学经验分析发现在大学物理电磁学教学中存在着课时紧张、教学方法单一、学生重视程度不够、数学基础不好、缺乏有效学习方法等问题。大学物理电磁学的教学应灵活采用教学方法，合理利用多媒体和教学APP，做好大学电磁学与高中学习的衔接，增加考核模式，培养学生自主学习能力，以期达到提高电磁学教学质量的目的。