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物理教育專業(yè)電磁學課程教學研究論文
摘要：通過在物理教育專業(yè)進行教學實踐，探索電磁學難學的主要原因，并根據物理教育專業(yè)特點結合教學實踐探討解決應對的辦法，摸索提高電磁學教學質量的途徑。
關鍵詞：電磁學教學；靜電場；穩(wěn)恒磁場
電磁學作為物理教育專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎課程，為光學、電動力學、電工學、原子與分子物理等后續(xù)課程奠定基礎。電磁學承接了力學中關于物體的受力、做功、運動規(guī)律等內容的分析，同時也增加了對“場”這一抽象概念的處理，需要有較扎實的高等數學知識并能靈活運用高等數學處理問題的方法，同時它又具有較強基礎性和應用性，學生普遍反映電磁學難懂難學。分析其中原因并設法解決，才能提高學生學習的積極性，改善學習效果，從而達到提高教學質量的目的。通過不斷摸索，發(fā)現學生學習電磁學過程中存在困難，主要集中在以下幾個原因，現對其進行逐個分析并探討解決的辦法。
1對課程重要性認識不足
“興趣是最好的老師”，若理論學習脫離了實際，一味進行枯燥乏味的理論推算，對學習該門課程的重要性不明確，不了解該學科的歷史背景、現實應用，難以提高學生的學習興趣。物理學是一門實用性很強的自然科學，電磁學作為其中的重要分支學科，在工業(yè)生產、生活、醫(yī)療、科研及國防建設諸方面均有廣泛應用，對當代社會發(fā)展起到至關重要的作用。[1]在介紹教學內容的過程中，可適當融入物理學史的內容：通過庫侖、奧斯特、安培、法拉第、麥克斯韋等對電磁學作出了重大貢獻的偉大科學家的事跡，了解他們的科學研究歷程，學習他們崇尚理性、勇于探索、鍥而不舍的科學精神。麥克斯韋預言電磁波的存在，赫茲實驗發(fā)現電磁波，馬可尼發(fā)明電報，推動著人類通訊發(fā)展進入嶄新的階段。從直流發(fā)電機的發(fā)明到交流發(fā)電機的廣泛應用，為人類提供了將其他能源轉換為便于儲存運輸的電能的途徑，電力的廣泛應用推動人類社會進入電氣時代。[2]在涉及具體知識點的教學活動中，也可適時聯系在生活、生產等方面的應用實例，如介紹靜電屏蔽這一知識點時，引入電工工作服的使用原理，并讓學生查找其他類似應用實例；又如學習電介質的極化時，插入微波爐的工作原理、使用過程中的禁忌及其原因等，增加生活常識。如此將理論聯系實際，特別是日常生活熟悉的例子，學以致用，有助于提高學生學習的興趣。此外，結合物理教育專業(yè)的就業(yè)方向，聯系《新課標》對電磁學內容的要求，分析近年高考理綜卷中電磁學所占的比例，介紹近年高考電磁學的熱門考點、考試題型，比如帶電粒子在電場、磁場或復合場中的運動類題型是近年高考理綜物理卷中的�？停瑢﹄娐返姆治龌虺Ｒ妰x表的結構、使用也是常見考題。這樣既可強化其專業(yè)意識，也可提高學生對電磁學的重視程度，增加學習動力。
2高等數學知識準備不足
電磁學難學還在于這門課程對高等數學的要求高，需要掌握微積分、矢量運算、線性代數、坐標系轉換等多項內容，其中高等數學微積分是處理大學物理各門專業(yè)課程最基本的數學工具，如果學生沒有較好地掌握這部分內容，將增加專業(yè)學習的難度。因此有必要在教學過程中讓學生明確高等數學的重要性，引導學生打下扎實的高等數學基礎。在學習電磁學的同時，部分高等數學內容的學習卻未能及時跟進。比如在電磁學第一章就要求運用多重積分計算電場強度和電場強度通量，但二重積分、三重積分的學習都要等到下半學期才能進行，學生在處理相關問題時倍感吃力。在電磁學中涉及各種對稱性問題的處理，不同對稱特點的問題需要用適當的坐標系，使處理問題更加簡便。如當帶電體具有球狀或半球狀外形時，若用疊加原理計算電場強度，選用球坐標會使問題的處理更為便捷。在處理這類問題時同樣面臨相關高等數學知識尚未學習的難題，解決辦法通常有以下幾種。方法一：調整培養(yǎng)方案，將電磁學課程開設時間往后延。但若采用這種方法，僅能解決電磁學一門課程的問題，卻會影響光學、電動力學等后續(xù)課程的學習，因此這種方法難以被采納。方法二：在教學過程中補充尚未學習但需要用到的高等數學知識。但這樣會占用一些理論教學課時，增加教學難度，需要教師能處理好教學課時安排，較好地掌控教學進度。方法三：通過物理思想簡化數學計算。如運用疊加原理處理電場問題時，若已知線電荷電場的分布，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，進行三角函數積分，將數學計算化繁為簡。[3]方法五：場的分布具有一定的對稱性時，盡量用高斯定理或安培環(huán)路定理解決問題。如常見的求解具有軸對稱、面對稱、球對稱等對稱性的靜電場電場強度時，采用靜電場的高斯定理可以避免多重積分和坐標系的選取問題。即使學生已經進行了相關高等數學知識的學習，但如何靈活運用高等數學工具解決各種電磁學問題仍是個難題。如微積分的運用，學生先要熟悉電磁學的定理、定律，根據給定條件建立微分式或積分式乃至微分方程或積分方程，還要根據物理過程的給定條件確定初始條件和積分上下限，物理專業(yè)知識與高等數學工具雙管齊下方能求解出結果。因此，在教學過程中教師有必要多做示范、練習數學知識在物理學上的應用，讓學生經過反復練習找出規(guī)律，直至達到熟能生巧的程度。[4]
3對課程內容結構認識不足
電磁學內容抽象繁多，題型靈活多變，若對課程整體內容沒有深入了解，容易望而生畏�？v觀電磁學的主要教學內容，分為“場”和“路”這兩大塊內容，而“路”即電路部分將在后續(xù)的電工學等課程里作進一步的學習，因此應將教學重點放在“場”即電磁場這部分。按照慣例，通常遵循靜電場——>穩(wěn)衡磁場——>變化的電磁場這樣的教學次序，靜電場與穩(wěn)衡磁場不管是在概念、定理定律等內容結構方面，還是處理問題的思想方法都有驚人的相似之處。在教學過程中采用對稱性分析，在學習靜電場的基礎上，對比學習穩(wěn)恒磁場，分析兩種場的異同，可提高學習效率，達到事半功倍的效果。
4電磁學處理問題的基本方法和思路不明確
同其他學科一樣，電磁學有具有其自身特點的處理問題的基本方法和思路，掌握這些基本方法和思路對學好電磁學極為重要。電磁學處理問題的基本方法比較固定，以靜電場和穩(wěn)衡磁場為例，靜電場的常用計算方法有三種：利用庫侖定律、電場強度定義和電場疊加原理計算，原則上可以計算任意靜電場，但計算通常較繁瑣；利用高斯定理計算，需電場具有某些對稱性才方便計算；利用場強與電勢的微分關系計算。靜電場分真空中、有導體時和有電介質時三種情況，計算真空中的情況最為簡單，有導體時需考慮靜電感應效應，有電介質時則需考慮極化效應。穩(wěn)衡磁場分真空中、有磁介質時的情況，計算穩(wěn)恒磁場的常用方法有：利用畢-薩定律和磁場疊加原理計算，原則上可以計算任意恒定電流分布產生的磁場；利用安培環(huán)路定律計算，需磁場分布具有一定的對稱性才便于計算。采用不同的處理方法時對應不同的解決問題的思路，如用上述第一種方法計算穩(wěn)恒磁場時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-薩定律和磁場疊加原理建立積分式，并根據已知條件設定積分上下限；第三步：計算積分結果。為簡化計算，第一步也可作適當的調整，如將旋轉的帶電圓盤分割為帶電圓環(huán)，無限長通電圓柱面可分割成無限長通電直導線，大大降低積分難度。如用安培環(huán)路定理解決問題的基本思路則為：第一步，對稱性分析；第二步，選取合適的積分環(huán)路；第三步，根據安培環(huán)路定理建立積分方程；第四步，求解方程。其中前兩步最為關鍵。[5]掌握了解決問題的基本方法和思路，才能自如應對千變萬化的問題。教學過程中不妨先教會學生部分基本方法和思路并通過練習不斷熟悉，再引導學生學會自己摸索和總結，讓學生掌握知識點的同時更重視掌握基本方法和思路，培養(yǎng)良好的學習方式。學生才是學習的主體，高校強調學生學習的自主性，造成電磁學難教難學問題還有其他多方面的原因，但解決問題的根本在于培養(yǎng)和激發(fā)學生學習的主觀能動性，讓學生樂學并有信心學好電磁學。通過教學實踐，解決上述幾個問題可有效改善學習效果，同時也在不增加學習難度的基礎上擴大知識面，有助于物理教育專業(yè)學生更好地適應今后的學習和工作。
參考文獻：
[1]楊凡�！峨姶艑W》課程教學改革探討[J]。綿陽師范學院學報(自然科學版)，2011，30（5）：133~136。
[2]宋德生，李國棟。電磁學發(fā)展史[M]。廣西人民出版社，1987，4。
[3]馬文蔚。物理學（上）[M]。高等教育出版社，2012，12。
[4]王玉琢�！段锢韺W》教學中應注意的幾個問題[J]。遼寧師專學報，2007，9（2）：12~13，88。
[5]梁燦彬，秦光戎，梁竹健。電磁學[M]。高等教育出版社，2011，5。
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