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物理教育專業(yè)電磁學(xué)課程教學(xué)研究論文
摘要：通過(guò)在物理教育專業(yè)進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐，探索電磁學(xué)難學(xué)的主要原因，并根據(jù)物理教育專業(yè)特點(diǎn)結(jié)合教學(xué)實(shí)踐探討解決應(yīng)對(duì)的辦法，摸索提高電磁學(xué)教學(xué)質(zhì)量的途徑。
關(guān)鍵詞：電磁學(xué)教學(xué)；靜電場(chǎng)；穩(wěn)恒磁場(chǎng)
電磁學(xué)作為物理教育專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課程，為光學(xué)、電動(dòng)力學(xué)、電工學(xué)、原子與分子物理等后續(xù)課程奠定基礎(chǔ)。電磁學(xué)承接了力學(xué)中關(guān)于物體的受力、做功、運(yùn)動(dòng)規(guī)律等內(nèi)容的分析，同時(shí)也增加了對(duì)“場(chǎng)”這一抽象概念的處理，需要有較扎實(shí)的高等數(shù)學(xué)知識(shí)并能靈活運(yùn)用高等數(shù)學(xué)處理問(wèn)題的方法，同時(shí)它又具有較強(qiáng)基礎(chǔ)性和應(yīng)用性，學(xué)生普遍反映電磁學(xué)難懂難學(xué)。分析其中原因并設(shè)法解決，才能提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，改善學(xué)習(xí)效果，從而達(dá)到提高教學(xué)質(zhì)量的目的。通過(guò)不斷摸索，發(fā)現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)電磁學(xué)過(guò)程中存在困難，主要集中在以下幾個(gè)原因，現(xiàn)對(duì)其進(jìn)行逐個(gè)分析并探討解決的辦法。
1對(duì)課程重要性認(rèn)識(shí)不足
“興趣是最好的老師”，若理論學(xué)習(xí)脫離了實(shí)際，一味進(jìn)行枯燥乏味的理論推算，對(duì)學(xué)習(xí)該門課程的重要性不明確，不了解該學(xué)科的歷史背景、現(xiàn)實(shí)應(yīng)用，難以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。物理學(xué)是一門實(shí)用性很強(qiáng)的自然科學(xué)，電磁學(xué)作為其中的重要分支學(xué)科，在工業(yè)生產(chǎn)、生活、醫(yī)療、科研及國(guó)防建設(shè)諸方面均有廣泛應(yīng)用，對(duì)當(dāng)代社會(huì)發(fā)展起到至關(guān)重要的作用。[1]在介紹教學(xué)內(nèi)容的過(guò)程中，可適當(dāng)融入物理學(xué)史的內(nèi)容：通過(guò)庫(kù)侖、奧斯特、安培、法拉第、麥克斯韋等對(duì)電磁學(xué)作出了重大貢獻(xiàn)的偉大科學(xué)家的事跡，了解他們的科學(xué)研究歷程，學(xué)習(xí)他們崇尚理性、勇于探索、鍥而不舍的科學(xué)精神。麥克斯韋預(yù)言電磁波的存在，赫茲實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)電磁波，馬可尼發(fā)明電報(bào)，推動(dòng)著人類通訊發(fā)展進(jìn)入嶄新的階段。從直流發(fā)電機(jī)的發(fā)明到交流發(fā)電機(jī)的廣泛應(yīng)用，為人類提供了將其他能源轉(zhuǎn)換為便于儲(chǔ)存運(yùn)輸?shù)碾娔艿耐緩剑娏Φ膹V泛應(yīng)用推動(dòng)人類社會(huì)進(jìn)入電氣時(shí)代。[2]在涉及具體知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)活動(dòng)中，也可適時(shí)聯(lián)系在生活、生產(chǎn)等方面的應(yīng)用實(shí)例，如介紹靜電屏蔽這一知識(shí)點(diǎn)時(shí)，引入電工工作服的使用原理，并讓學(xué)生查找其他類似應(yīng)用實(shí)例；又如學(xué)習(xí)電介質(zhì)的極化時(shí)，插入微波爐的工作原理、使用過(guò)程中的禁忌及其原因等，增加生活常識(shí)。如此將理論聯(lián)系實(shí)際，特別是日常生活熟悉的例子，學(xué)以致用，有助于提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。此外，結(jié)合物理教育專業(yè)的就業(yè)方向，聯(lián)系《新課標(biāo)》對(duì)電磁學(xué)內(nèi)容的要求，分析近年高考理綜卷中電磁學(xué)所占的比例，介紹近年高考電磁學(xué)的熱門考點(diǎn)、考試題型，比如帶電粒子在電場(chǎng)、磁場(chǎng)或復(fù)合場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)類題型是近年高考理綜物理卷中的�？停瑢�(duì)電路的分析或常見(jiàn)儀表的結(jié)構(gòu)、使用也是常見(jiàn)考題。這樣既可強(qiáng)化其專業(yè)意識(shí)，也可提高學(xué)生對(duì)電磁學(xué)的重視程度，增加學(xué)習(xí)動(dòng)力。
2高等數(shù)學(xué)知識(shí)準(zhǔn)備不足
電磁學(xué)難學(xué)還在于這門課程對(duì)高等數(shù)學(xué)的要求高，需要掌握微積分、矢量運(yùn)算、線性代數(shù)、坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換等多項(xiàng)內(nèi)容，其中高等數(shù)學(xué)微積分是處理大學(xué)物理各門專業(yè)課程最基本的數(shù)學(xué)工具，如果學(xué)生沒(méi)有較好地掌握這部分內(nèi)容，將增加專業(yè)學(xué)習(xí)的難度。因此有必要在教學(xué)過(guò)程中讓學(xué)生明確高等數(shù)學(xué)的重要性，引導(dǎo)學(xué)生打下扎實(shí)的高等數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。在學(xué)習(xí)電磁學(xué)的同時(shí)，部分高等數(shù)學(xué)內(nèi)容的學(xué)習(xí)卻未能及時(shí)跟進(jìn)。比如在電磁學(xué)第一章就要求運(yùn)用多重積分計(jì)算電場(chǎng)強(qiáng)度和電場(chǎng)強(qiáng)度通量，但二重積分、三重積分的學(xué)習(xí)都要等到下半學(xué)期才能進(jìn)行，學(xué)生在處理相關(guān)問(wèn)題時(shí)倍感吃力。在電磁學(xué)中涉及各種對(duì)稱性問(wèn)題的處理，不同對(duì)稱特點(diǎn)的問(wèn)題需要用適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)系，使處理問(wèn)題更加簡(jiǎn)便。如當(dāng)帶電體具有球狀或半球狀外形時(shí)，若用疊加原理計(jì)算電場(chǎng)強(qiáng)度，選用球坐標(biāo)會(huì)使問(wèn)題的處理更為便捷。在處理這類問(wèn)題時(shí)同樣面臨相關(guān)高等數(shù)學(xué)知識(shí)尚未學(xué)習(xí)的難題，解決辦法通常有以下幾種。方法一：調(diào)整培養(yǎng)方案，將電磁學(xué)課程開(kāi)設(shè)時(shí)間往后延。但若采用這種方法，僅能解決電磁學(xué)一門課程的問(wèn)題，卻會(huì)影響光學(xué)、電動(dòng)力學(xué)等后續(xù)課程的學(xué)習(xí)，因此這種方法難以被采納。方法二：在教學(xué)過(guò)程中補(bǔ)充尚未學(xué)習(xí)但需要用到的高等數(shù)學(xué)知識(shí)。但這樣會(huì)占用一些理論教學(xué)課時(shí)，增加教學(xué)難度，需要教師能處理好教學(xué)課時(shí)安排，較好地掌控教學(xué)進(jìn)度。方法三：通過(guò)物理思想簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)計(jì)算。如運(yùn)用疊加原理處理電場(chǎng)問(wèn)題時(shí)，若已知線電荷電場(chǎng)的分布，把面電荷看成線電荷的集合，同理也可把體電荷分解為面電荷的疊加，便于將多重積分替換為一重積分，降低計(jì)算難度。方法四：用幾何的方法，盡量把積分變量變成角變量，進(jìn)行三角函數(shù)積分，將數(shù)學(xué)計(jì)算化繁為簡(jiǎn)。[3]方法五：場(chǎng)的分布具有一定的對(duì)稱性時(shí)，盡量用高斯定理或安培環(huán)路定理解決問(wèn)題。如常見(jiàn)的求解具有軸對(duì)稱、面對(duì)稱、球?qū)ΨQ等對(duì)稱性的靜電場(chǎng)電場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，采用靜電場(chǎng)的高斯定理可以避免多重積分和坐標(biāo)系的選取問(wèn)題。即使學(xué)生已經(jīng)進(jìn)行了相關(guān)高等數(shù)學(xué)知識(shí)的學(xué)習(xí)，但如何靈活運(yùn)用高等數(shù)學(xué)工具解決各種電磁學(xué)問(wèn)題仍是個(gè)難題。如微積分的運(yùn)用，學(xué)生先要熟悉電磁學(xué)的定理、定律，根據(jù)給定條件建立微分式或積分式乃至微分方程或積分方程，還要根據(jù)物理過(guò)程的給定條件確定初始條件和積分上下限，物理專業(yè)知識(shí)與高等數(shù)學(xué)工具雙管齊下方能求解出結(jié)果。因此，在教學(xué)過(guò)程中教師有必要多做示范、練習(xí)數(shù)學(xué)知識(shí)在物理學(xué)上的應(yīng)用，讓學(xué)生經(jīng)過(guò)反復(fù)練習(xí)找出規(guī)律，直至達(dá)到熟能生巧的程度。[4]
3對(duì)課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)不足
電磁學(xué)內(nèi)容抽象繁多，題型靈活多變，若對(duì)課程整體內(nèi)容沒(méi)有深入了解，容易望而生畏�？v觀電磁學(xué)的主要教學(xué)內(nèi)容，分為“場(chǎng)”和“路”這兩大塊內(nèi)容，而“路”即電路部分將在后續(xù)的電工學(xué)等課程里作進(jìn)一步的學(xué)習(xí)，因此應(yīng)將教學(xué)重點(diǎn)放在“場(chǎng)”即電磁場(chǎng)這部分。按照慣例，通常遵循靜電場(chǎng)——>穩(wěn)衡磁場(chǎng)——>變化的電磁場(chǎng)這樣的教學(xué)次序，靜電場(chǎng)與穩(wěn)衡磁場(chǎng)不管是在概念、定理定律等內(nèi)容結(jié)構(gòu)方面，還是處理問(wèn)題的思想方法都有驚人的相似之處。在教學(xué)過(guò)程中采用對(duì)稱性分析，在學(xué)習(xí)靜電場(chǎng)的基礎(chǔ)上，對(duì)比學(xué)習(xí)穩(wěn)恒磁場(chǎng)，分析兩種場(chǎng)的異同，可提高學(xué)習(xí)效率，達(dá)到事半功倍的效果。
4電磁學(xué)處理問(wèn)題的基本方法和思路不明確
同其他學(xué)科一樣，電磁學(xué)有具有其自身特點(diǎn)的處理問(wèn)題的基本方法和思路，掌握這些基本方法和思路對(duì)學(xué)好電磁學(xué)極為重要。電磁學(xué)處理問(wèn)題的基本方法比較固定，以靜電場(chǎng)和穩(wěn)衡磁場(chǎng)為例，靜電場(chǎng)的常用計(jì)算方法有三種：利用庫(kù)侖定律、電場(chǎng)強(qiáng)度定義和電場(chǎng)疊加原理計(jì)算，原則上可以計(jì)算任意靜電場(chǎng)，但計(jì)算通常較繁瑣；利用高斯定理計(jì)算，需電場(chǎng)具有某些對(duì)稱性才方便計(jì)算；利用場(chǎng)強(qiáng)與電勢(shì)的微分關(guān)系計(jì)算。靜電場(chǎng)分真空中、有導(dǎo)體時(shí)和有電介質(zhì)時(shí)三種情況，計(jì)算真空中的情況最為簡(jiǎn)單，有導(dǎo)體時(shí)需考慮靜電感應(yīng)效應(yīng)，有電介質(zhì)時(shí)則需考慮極化效應(yīng)。穩(wěn)衡磁場(chǎng)分真空中、有磁介質(zhì)時(shí)的情況，計(jì)算穩(wěn)恒磁場(chǎng)的常用方法有：利用畢-薩定律和磁場(chǎng)疊加原理計(jì)算，原則上可以計(jì)算任意恒定電流分布產(chǎn)生的磁場(chǎng)；利用安培環(huán)路定律計(jì)算，需磁場(chǎng)分布具有一定的對(duì)稱性才便于計(jì)算。采用不同的處理方法時(shí)對(duì)應(yīng)不同的解決問(wèn)題的思路，如用上述第一種方法計(jì)算穩(wěn)恒磁場(chǎng)時(shí)的基本思路通常是這樣。第一步：將各種電流分布分割為電流元；第二步：利用畢-薩定律和磁場(chǎng)疊加原理建立積分式，并根據(jù)已知條件設(shè)定積分上下限；第三步：計(jì)算積分結(jié)果。為簡(jiǎn)化計(jì)算，第一步也可作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，如將旋轉(zhuǎn)的帶電圓盤分割為帶電圓環(huán)，無(wú)限長(zhǎng)通電圓柱面可分割成無(wú)限長(zhǎng)通電直導(dǎo)線，大大降低積分難度。如用安培環(huán)路定理解決問(wèn)題的基本思路則為：第一步，對(duì)稱性分析；第二步，選取合適的積分環(huán)路；第三步，根據(jù)安培環(huán)路定理建立積分方程；第四步，求解方程。其中前兩步最為關(guān)鍵。[5]掌握了解決問(wèn)題的基本方法和思路，才能自如應(yīng)對(duì)千變?nèi)f化的問(wèn)題。教學(xué)過(guò)程中不妨先教會(huì)學(xué)生部分基本方法和思路并通過(guò)練習(xí)不斷熟悉，再引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)自己摸索和總結(jié)，讓學(xué)生掌握知識(shí)點(diǎn)的同時(shí)更重視掌握基本方法和思路，培養(yǎng)良好的學(xué)習(xí)方式。學(xué)生才是學(xué)習(xí)的主體，高校強(qiáng)調(diào)學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性，造成電磁學(xué)難教難學(xué)問(wèn)題還有其他多方面的原因，但解決問(wèn)題的根本在于培養(yǎng)和激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性，讓學(xué)生樂(lè)學(xué)并有信心學(xué)好電磁學(xué)。通過(guò)教學(xué)實(shí)踐，解決上述幾個(gè)問(wèn)題可有效改善學(xué)習(xí)效果，同時(shí)也在不增加學(xué)習(xí)難度的基礎(chǔ)上擴(kuò)大知識(shí)面，有助于物理教育專業(yè)學(xué)生更好地適應(yīng)今后的學(xué)習(xí)和工作。
參考文獻(xiàn)：
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