电动力学教学改革之探讨与实践

张子珍

（山西大同大学物理与电子科学学院，山西大同 037009）

电动力学是物理系本科生的一门专业课，是四大力学（理论力学，热力学与统计物理，电动力学，量子力学）之一。历年来，物理系的学生把电动力学这门课比作是“神兽”，它的难度可想而知。怎样在有限的64学时内高质量地完成教学任务是课程组教师们不断思考、潜心探索的问题。经过课程组教师的共同努力，近年来电动力学课程组取得了一定的成绩：2008 年《电动力学》课程被评为山西大同大学校级精品课程，同年被评为山西省省级精品课程，2013转为山西省精品资源共享课，2019 年升级为山西省省级精品资源共享课线上建设课程。根据历年来的教学经验以及所取得的成绩，对电动力学的创新成果总结如下：

电动力学课程是一门理论体系严谨、应用广泛并且与前沿研究（如量子电动力学、磁单极子等）密切联系的学科，是物理学专业本科生必须掌握的专业核心课程。多年来的教学实践体会最深的是，老师就像是雕塑家，学生就是你雕塑的作品。学生的可塑性很强，你想要雕出什么样的作品，决定你的整体构思以及能力水平。师者：传道、授业、解惑也。课堂教学不仅仅是传授知识，更重要的是培养学生获取知识的能力，培养学生的家国情怀，让学生变成一个独立的人，对社会有用的人。要想达到这个目的，课程设计是至关重要。

课程设计主要包括以下两个内容：

课堂上哪些知识需要教师去讲，怎样讲？哪些知识老师引导学生去完成，哪些知识通过学生自己独立思考得出结论，这节课学生除了学会专业知识以外，还培养了学生的哪些能力，教师在课程设计上只有下足了功夫，才会收到显著效果。

下面从课堂教学的几个环节进行具体展现。

1 以课程导入为抓手，激发学生学习兴趣

电动力学研究的是电磁场的运动规律以及电磁场与物质相互作用的规律。学生们从经典力学一路走来，第一次接触到“场”的概念，因为“场”看不见也摸不着，但它确实存在于我们的周围。学生们头脑中刚刚建立起来的物理模型被“场”这种物质彻底打破了，这给学生的理解上带来了一定的困难，再加上研究电磁场用到的数学知识有矢量代数，矢量分析，张量，还有各种形式的偏微分方程，而且偏微分方程在不同的坐标系下进行求解，这对学生来说无外乎雪上加霜。基于这些现状，作为电动力学的教师，激发学生的学习兴趣是教学过程的重中之重，通过培养兴趣来调动学生的学习积极性。

1.1 理论联系实际，激发学生的兴趣

生活中电磁场电磁波无处不在，把日常生活中的一些电磁现象引入到课堂中来激发学生的兴趣，如微波炉的工作原理？手机是怎样发射或者接收信号的？电磁辐射对人体有害吗？带着这些问题来展开教学，学生就感到学有所用，多年来的教学实践证明，在课程导入时，把抽象的电磁理论与日常生活的实际相结合能极大地调动学生的学习积极性。

1.2 问题导向法，激发学生的学习兴趣

多年来的教学中发现，学生在电动力学的学习中存在着各种各样的问题，既有学习《电动力学》的兴趣问题，也有感到矢量计算难、物理概念抽象等问题，还有在批改作业时反映出的具体知识点存在的问题。只有发现问题，解决问题，才能在教学上有所突破和发展。多年来，课程组老师在课程导入时，把学生学习中存在的问题归纳成几道小的客观题，上课前的几分钟之内让学生回答，通过学生的答题情况来了解学生对前面知识掌握的程度，并且通过这几个小问题来引出新的课题。多年来的教学实践发现，将问题认真准备和有机呈现，并组织学生积极探究和解决问题，这种问题导向法能激发学生的学习兴趣，调动学生的学习积极性[1]。

2 以学生为中心，教师当好领路人

在电动力学课程教学中，课程组教师从以下几方面当好领路人。

2.1 理清知识的框架结构，贯穿主线思想

电动力学是一门有着严密的逻辑思维体系的课程，它的研究对象是电磁场的运动规律，电磁场的运动规律就是第一章从各种实验定律归纳总结出来的麦克斯韦方程组。在电动力学教学中，课程组教师把麦克斯韦方程组作为整门课程的一条主线，从这条主线出发延伸出第二章研究静电场时电势所满足的泊松方程，第三章研究静磁场磁标势所满足的拉普拉斯方程，以及第四章研究电磁波传播时的波动方程和第五章电磁波辐射时的达朗尔方程等，然后每一章的后面几节分别是在不同的边界条件，不同的坐标系下去求解各类方程，分析解的物理意义。在教学中，教师通过麦克斯韦方程组这条主线，把电动力学的教学内容以清晰的框架结构呈现给学生，让学生始终保持清醒的头脑，通过分析各方程以及解的物理意义来培养与训练学生的物理思维能力以及运用数学知识解决物理问题的能力。

2.2 课程思政融入课堂教学中，培养学生的辩证唯物主义世界观

电动力学的基本理论——麦克斯韦方程组是建立在大量实验的基础上，在课堂教学中，将物理学家奥斯特，法拉第，麦克斯韦的生平简介，当时理论存在的问题，实验过程，探求真理的思想介绍给学生。如法拉第在寻求电流产生磁场的逆效应时成功地发现了电磁感应定律，但是他由于数学上的缺陷，没有作进一步的理论分析，“既然变化的磁场能产生变化的电场,那么变化的电场是否能产生变化的磁场？”麦克斯韦认识到这一问题的物理实质，提出了位移电流的概念，进而创立了描述整个宏观电磁规律的普遍理论：变化的磁场产生电场——法拉第电磁感应定律，变化的电场产生磁场——麦克斯韦的位移电流假说，这就是著名的麦克斯韦方程组，这两个方程式不但完满地解释了电磁感应现象，而且还在理论上进行了高度的概括和总结，形成了完整的电磁场理论。再如狭义相对论诞生的历史背景，19 世纪末，欧洲著名的科学家欢聚一堂。会上，英国著名物理学家威廉.汤姆生发表了新年贺词。他在回顾物理学所取得的伟大成就时说：“物理学大厦已经基本建成，所剩下的只是一些修补工作，也就是在一些常数的后面多加几位小数而已。”同时，他在展望20 世纪物理学前景时，却若有所思地讲道：“在物理学美丽而晴朗天空的远处却漂浮着两朵小小的乌云，”“第一朵乌云出现在光的波动理论上，”“第二朵乌云出现在关于能量均分的麦克斯韦−玻尔兹曼理论上”。正是这两朵小小的乌云，掀起了物理学的倾盆大雨，诞生了爱因斯坦的狭义相对论和量子力学。将这些简述融入课堂教学中，有利于激发学生的创新精神和创新能力[2-3]。物理学发展过程正是“实践−理论−实践”过程，也是“实践是检验真理的唯一标准”这一认识规律的典型例证。科学家们在发现问题、思考问题、分析问题、解决问题的过程中用到的辩证唯物主义世界观和方法论，对于学生世界观的形成，对物理思想的领会、提高学生的学科知识水平、训练学生提出问题和解决问题的能力等有着极大的促进作用。

2.3 多媒体课件与传统教学相结合，调动学生的学习积极性

采用多媒体课件与传统教学相结合的教学方式，将图文并茂的“多媒体课件”引入到课堂教学中，摆脱了传统“一言堂”的教学模式，使课堂变成了“讲”与“看”相结合，“思考”与“探索”相结合，“问”与“答”相结合生动活泼的学习场所。既增加了信息量，又调动了学生的学习积极性。

2.4 启发与讨论相结合，调动学生的学习积极性

通过启发式和讨论式教学，促使学生从被动接受知识向主动探索真知转变。每一节课都有让学生必须掌握的具体知识——基本概念、或基本理论（思想）、或基本方法。因此，教师在课堂上必须突出重点、抓住难点，并有意识地引导学生一步一步地思考——为什么要讨论这个问题？理解或解决这个问题的难点在何处？得到的结果(或结论)意味着什么?还有其它解决方法吗?等等。

2.5 线上与线下相结合，调动学生的学习积极性

“超星学习通”上电动力学课程的教学资源丰富，有整本教材的视频资料，教师还在课前或课后发布思考题、网上答疑和讨论等等，使课堂教学得到延伸和拓展，也能满足学生的个性化需求。教师依据教学设计的原则和自己特点，进行相关内容设计，例如:让学生自己做章节小结；把习题课变为老师和学生共同讨论；线上组织期中和期末考试，线上考试主要以课程论文以及学生对课程的理解或者课程评价为主，这样既扩大了学生对所学知识在当代科技中应用的了解，又能发现教学中存在的问题，查漏补缺，提高教学质量[4]。

“学习通”中的讨论区发挥了非常重要的作用，学生养成了有难必问，有问必答，互相交流，互相探讨的好习惯；每章配有基本概念小结、自测题库，作业辅导，给学生的自主学习带来了极大的方便，发挥了精品共享的目的。

2.6 教学与科研相结合，以教学带动科研，以科研促进教学

电动力学中多次用到的级数展开法（如电多极矩，磁多极矩，电磁波的辐射等），这种方法的核心是近似处理，忽略高阶小量，抓住主要矛盾，这种方法也是科研上用的非常多的一种方法。如计算黑洞的热辐射时就用到级数展开这种近似处理的方法。还有求解达朗贝尔方程时用到的推理法、研究磁场与电场的类比教学法等。这些都是做科研必不可少的方法。把教学与科研相结合，既能使教学上一个新的台阶，又能使课堂教学充满活力，当然还能提高科研能力。

3 重视教学评价，提高教学质量

课程考核是对学生学习评价的最直接的方式。课程组采用了线下卷面考试（60%）与线上成绩（40%）相结合的方式。线上成绩包括：出勤（10%），讨论（10%），任务点（20%），作业（20%）线上考试（40%）。通过这种考核机制，学生线上学习的积极性明显提高。线上考试将课程论文与学生对课程的理解与教学评价相联系，全面了解学生学业水平以及对课程的满意度，教学过程中存在的问题以及今后改进的方向。

通过课程组成员的共同努力，精心设计，无论是线上还是线下，学生积极参与到课程中来了。课堂上学生动情、动脑、还动手主动地学习，师生交流充分，改变了原来的“被动地应付性地学习”的习惯；线上学生养成了有难必问，有问必答，自主思考，探究学习的良好学习习惯。

教学相长，教师教学水平明显提高。课堂上，教师改掉了“满堂灌，一言堂”的坏习惯，精心搞好课程设计，当好学生的领路人。把课程思政融入到课堂教学中，充分发挥学生的主观能动性，引导学生积极思考，自主探究，把所学的电磁场电磁波理论与日常生活实际相结合，极大地提高了学生的学习积极性。学生的素质和能力有了明显的提高，历年来，有部分学生用C 语言或MATLAB 分析电磁场问题，做毕业设计；还有学生报考研究生时选择等离子体物理、天体物理专业，浓厚的兴趣促使他们进行更深的研究；在2019 年第四届山西省物理学术竞赛中我校物理系荣获了一、二等奖。

经过多年来的努力和实践，电动力学课程组在教学改革方面取得了一定的成绩，但由于课时的限制，课程在深度上还有进一步拓展的空间，以后的教学中引导学生向深度和广度上进一步拓展[5-6]。