物理教育专业电磁学课程教学研究

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摘要：通过在物理教育专业进行教学实践，探索电磁学难学的主要原因，并根据物理教育专业特点结合教学实践探讨解决应对的办法，摸索提高电磁学教学质量的途径。

关键词：电磁学教学；静电场；稳恒磁场

电磁学作为物理教育专业的一门重要专业基础课程，为光学、电动力学、电工学、原子与分子物理等后续课程奠定基础。电磁学承接了力学中关于物体的受力、做功、运动规律等内容的分析，同时也增加了对“场”这一抽象概念的处理，需要有较扎实的高等数学知识并能灵活运用高等数学处理问题的方法，同时它又具有较强基础性和应用性，学生普遍反映电磁学难懂难学。分析其中原因并设法解决，才能提高学生学习的积极性，改善学习效果，从而达到提高教学质量的目的。通过不断摸索，发现学生学习电磁学过程中存在困难，主要集中在以下几个原因，现对其进行逐个分析并探讨解决的办法。

1对课程重要性认识不足

“兴趣是最好的老师”，若理论学习脱离了实际，一味进行枯燥乏味的理论推算，对学习该门课程的重要性不明确，不了解该学科的历史背景、现实应用，难以提高学生的学习兴趣。物理学是一门实用性很强的自然科学，电磁学作为其中的重要分支学科，在工业生产、生活、医疗、科研及国防建设诸方面均有广泛应用，对当代社会发展起到至关重要的作用。[1]在介绍教学内容的过程中，可适当融入物理学史的内容：通过库仑、奥斯特、安培、法拉第、麦克斯韦等对电磁学作出了重大贡献的伟大科学家的事迹，了解他们的科学研究历程，学习他们崇尚理性、勇于探索、锲而不舍的科学精神。麦克斯韦预言电磁波的存在，赫兹实验发现电磁波，马可尼发明电报，推动着人类通讯发展进入崭新的阶段。从直流发电机的发明到交流发电机的广泛应用，为人类提供了将其他能源转换为便于储存运输的电能的途径，电力的广泛应用推动人类社会进入电气时代。[2]在涉及具体知识点的教学活动中，也可适时联系在生活、生产等方面的应用实例，如介绍静电屏蔽这一知识点时，引入电工工作服的使用原理，并让学生查找其他类似应用实例；又如学习电介质的极化时，插入微波炉的工作原理、使用过程中的禁忌及其原因等，增加生活常识。如此将理论联系实际，特别是日常生活熟悉的例子，学以致用，有助于提高学生学习的兴趣。此外，结合物理教育专业的就业方向，联系《新课标》对电磁学内容的要求，分析近年高考理综卷中电磁学所占的比例，介绍近年高考电磁学的热门考点、考试题型，比如带电粒子在电场、磁场或复合场中的运动类题型是近年高考理综物理卷中的常客，对电路的分析或常见仪表的结构、使用也是常见考题。这样既可强化其专业意识，也可提高学生对电磁学的重视程度，增加学习动力。

2高等数学知识准备不足

电磁学难学还在于这门课程对高等数学的要求高，需要掌握微积分、矢量运算、线性代数、坐标系转换等多项内容，其中高等数学微积分是处理大学物理各门专业课程最基本的数学工具，如果学生没有较好地掌握这部分内容，将增加专业学习的难度。因此有必要在教学过程中让学生明确高等数学的重要性，引导学生打下扎实的高等数学基础。在学习电磁学的同时，部分高等数学内容的学习却未能及时跟进。比如在电磁学第一章就要求运用多重积分计算电场强度和电场强度通量，但二重积分、三重积分的学习都要等到下半学期才能进行，学生在处理相关问题时倍感吃力。在电磁学中涉及各种对称性问题的处理，不同对称特点的问题需要用适当的坐标系，使处理问题更加简便。如当带电体具有球状或半球状外形时，若用叠加原理计算电场强度，选用球坐标会使问题的处理更为便捷。在处理这类问题时同样面临相关高等数学知识尚未学习的难题，解决办法通常有以下几种。方法一：调整培养方案，将电磁学课程开设时间往后延。但若采用这种方法，仅能解决电磁学一门课程的问题，却会影响光学、电动力学等后续课程的学习，因此这种方法难以被采纳。方法二：在教学过程中补充尚未学习但需要用到的高等数学知识。但这样会占用一些理论教学课时，增加教学难度，需要教师能处理好教学课时安排，较好地掌控教学进度。方法三：通过物理思想简化数学计算。如运用叠加原理处理电场问题时，若已知线电荷电场的分布，把面电荷看成线电荷的集合，同理也可把体电荷分解为面电荷的叠加，便于将多重积分替换为一重积分，降低计算难度。方法四：用几何的方法，尽量把积分变量变成角变量，进行三角函数积分，将数学计算化繁为简。[3]方法五：场的分布具有一定的对称性时，尽量用高斯定理或安培环路定理解决问题。如常见的求解具有轴对称、面对称、球对称等对称性的静电场电场强度时，采用静电场的高斯定理可以避免多重积分和坐标系的选取问题。即使学生已经进行了相关高等数学知识的学习，但如何灵活运用高等数学工具解决各种电磁学问题仍是个难题。如微积分的运用，学生先要熟悉电磁学的定理、定律，根据给定条件建立微分式或积分式乃至微分方程或积分方程，还要根据物理过程的给定条件确定初始条件和积分上下限，物理专业知识与高等数学工具双管齐下方能求解出结果。因此，在教学过程中教师有必要多做示范、练习数学知识在物理学上的应用，让学生经过反复练习找出规律，直至达到熟能生巧的程度。[4]

3对课程内容结构认识不足

电磁学内容抽象繁多，题型灵活多变，若对课程整体内容没有深入了解，容易望而生畏。纵观电磁学的主要教学内容，分为“场”和“路”这两大块内容，而“路”即电路部分将在后续的电工学等课程里作进一步的学习，因此应将教学重点放在“场”即电磁场这部分。按照惯例，通常遵循静电场——>稳衡磁场——>变化的电磁场这样的教学次序，静电场与稳衡磁场不管是在概念、定理定律等内容结构方面，还是处理问题的思想方法都有惊人的相似之处。在教学过程中采用对称性分析，在学习静电场的基础上，对比学习稳恒磁场，分析两种场的异同，可提高学习效率，达到事半功倍的效果。

4电磁学处理问题的基本方法和思路不明确

同其他学科一样，电磁学有具有其自身特点的处理问题的基本方法和思路，掌握这些基本方法和思路对学好电磁学极为重要。电磁学处理问题的基本方法比较固定，以静电场和稳衡磁场为例，静电场的常用计算方法有三种：利用库仑定律、电场强度定义和电场叠加原理计算，原则上可以计算任意静电场，但计算通常较繁琐；利用高斯定理计算，需电场具有某些对称性才方便计算；利用场强与电势的微分关系计算。静电场分真空中、有导体时和有电介质时三种情况，计算真空中的情况最为简单，有导体时需考虑静电感应效应，有电介质时则需考虑极化效应。稳衡磁场分真空中、有磁介质时的情况，计算稳恒磁场的常用方法有：利用毕-萨定律和磁场叠加原理计算，原则上可以计算任意恒定电流分布产生的磁场；利用安培环路定律计算，需磁场分布具有一定的对称性才便于计算。采用不同的处理方法时对应不同的解决问题的思路，如用上述第一种方法计算稳恒磁场时的基本思路通常是这样。第一步：将各种电流分布分割为电流元；第二步：利用毕-萨定律和磁场叠加原理建立积分式，并根据已知条件设定积分上下限；第三步：计算积分结果。为简化计算，第一步也可作适当的调整，如将旋转的带电圆盘分割为带电圆环，无限长通电圆柱面可分割成无限长通电直导线，大大降低积分难度。如用安培环路定理解决问题的基本思路则为：第一步，对称性分析；第二步，选取合适的积分环路；第三步，根据安培环路定理建立积分方程；第四步，求解方程。其中前两步最为关键。[5]掌握了解决问题的基本方法和思路，才能自如应对千变万化的问题。教学过程中不妨先教会学生部分基本方法和思路并通过练习不断熟悉，再引导学生学会自己摸索和总结，让学生掌握知识点的同时更重视掌握基本方法和思路，培养良好的学习方式。学生才是学习的主体，高校强调学生学习的自主性，造成电磁学难教难学问题还有其他多方面的原因，但解决问题的根本在于培养和激发学生学习的主观能动性，让学生乐学并有信心学好电磁学。通过教学实践，解决上述几个问题可有效改善学习效果，同时也在不增加学习难度的基础上扩大知识面，有助于物理教育专业学生更好地适应今后的学习和工作。

参考文献：

[1]杨凡。《电磁学》课程教学改革探讨[J]。绵阳师范学院学报(自然科学版)，2011，30（5）：133~136。

[2]宋德生，李国栋。电磁学发展史[M]。广西人民出版社，1987，4。

[3]马文蔚。物理学（上）[M]。高等教育出版社，2012，12。

[4]王玉琢。《物理学》教学中应注意的几个问题[J]。辽宁师专学报，2007，9（2）：12~13，88。

[5]梁灿彬，秦光戎，梁竹健。电磁学[M]。高等教育出版社，2011，5。

作者:朱林 单位:乐山师范学院物理与电子工程学院