在普通物理學中磁場的第一堂課嘗試研究性教學

摘要本文以普通大學物理學中磁場的第一堂課為例，闡明在普通物理學中嘗試研究性教學的幾點做法和體會。實踐表明，基礎課程中平時看似簡單的知識點，如果選擇內容合適、組織科學，也可以開出一堂別具一格的研究性教學的范例課。

關鍵詞研究性教學 普通物理學 磁場

中圖分類號:G420文獻標識碼:A

隨著社會的發(fā)展，人類已經步入知識經濟化、信息化的時代。新時代對高素質人才的要求，沖擊著傳統(tǒng)的封閉、單向傳輸的課程教學模式，知識結構和教育特點發(fā)生了很大的變化。高校教育正逐步由“以教室為環(huán)境、以老師為中心”的教學模式轉變?yōu)椤霸O情景為環(huán)境，以學生為中心”的教學模式。傳統(tǒng)的基礎課程如何適用新的教學環(huán)境，培養(yǎng)高素質創(chuàng)新人才，是當前教學改革研究的重要課題之一。

農業(yè)院校具有鮮明的專業(yè)特色，對各門基礎課程的要求不僅僅是掌握知識本身，更注重于隱含在知識中的科學思維能力的傳播。物理學作為現代技術的先導不但具有完備的知識體系，而且其幾百年的發(fā)展歷程為社會科學和自然科學提供很多寶貴的科學研究方法，是人類共同的財富。物理學中豐富的科學研究方法、農林院校的學生專業(yè)特點和研究型教學需要三者的有機結合，給物理教師在農業(yè)院校創(chuàng)建研究性教學模式的過程中提供良好的契機。下面就電磁理論課堂教學，提出個人關于如何體現研究性教學、激發(fā)學生學習興趣的一些探索和心得。

1 小命題、大視野，培養(yǎng)學生的大局觀

穩(wěn)恒磁場是大學物理學的基礎理論之一。在傳統(tǒng)磁場第一課堂中，教師會羅列自然界的各種磁現象作為引入，其中包括地磁場。這樣的教學也不是無可取之處，放在以前以教師為主體的教學模式中可能還是一堂精彩的課。但是，它并不能適合研究型教學模式，因為零碎的知識很難給學生一幅完整的圖像，另外，蜻蜓點水似的泛泛舉例無法激發(fā)學生深入研究的興趣。因此，我們采用“抓住一點深挖”的方法，給學生建立一個完整磁場知識框架，從而做到以點促面。

在物理學中有許多現象看似平常卻有著深遠的意義，例如地磁場作為基礎磁現象在整個生態(tài)平衡中占有舉足輕重的地位。在課堂中可以通過啟發(fā)法引導學生深入討論磁場的導航作用和保護作用，針對學生不太熟悉的保護作用還可以播放相關電影深化他們的認識層面。地球磁場抵御著太陽風等宇宙中高速運動的帶電粒子對地球生命的侵害，為地球生命蓬勃發(fā)展支起一把保護傘。科幻電影《地心毀滅》中有非常深刻的畫面描述了當地磁場消失后，地球所遭遇的如鴿子失去方向亂撞、城市一片混亂、某些配有特殊心臟起搏器的人群暴斃等一系列災難性事件。在課堂上播放科幻片片段可以深深地抓住學生的眼球，激發(fā)他們進行深層次的思考，提出一系列問題，例如:地球磁場真的會消失么?地磁場有多大?地磁場如何測量?針對這些問題，可以帶著學生到當前的科學前沿知識中去尋找答案。現代科學家通過精密儀器對地磁場進行了長期監(jiān)測，主要是探測地磁場南北極的具體坐標及地磁場的強弱變化。實驗數據揭秘了一個有趣的磁現象:地磁場正在逐步反向。在對地磁場的逐步深挖中，越來越有趣的實驗現象可以激發(fā)學生對未知問題探索的熱情，也會激勵他們提出更多的“為什么”。

從基本磁現象—地磁場到當今的前沿知識—地磁場反向，這一系列的探索最終的落腳點是:科學家是通過怎樣的測量手段得到如此驚人的結論的。這個問題的回答涉及到磁場的測量，回答過程中可以非常合理和自然地引入磁感應強度及磁感應線等物理概念。通過這種方式，物理概念也生動起來。物理概念的本質是為了解決實際問題。在傳統(tǒng)教學過程中，物理概念往往是直接提出，顯得生硬而突兀。學生接觸到物理概念首先便會陷入死記硬背的習慣中去，并不能真正對概念進行理解消化。如果采用前面所提出的引導式教學方法，則可以突顯研究性，更利于學生思考與理解。

通過對一環(huán)一環(huán)問題的解答，不但讓學生掌握了知識主體，也提高了他們提出疑問、獨立思考的能力。從小現象入手，引出大視野，不僅幫助學生理解物理量的本質，更能引導學生學會問問題、嘗試解決問題，從更深的層面激發(fā)學生學習的主動性與創(chuàng)新性。

2 解密科學研究的原創(chuàng)思維活動，培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維能力

物理學家們經過努力構建了完美的物理知識體系，這些科學知識在科學方法的幫助在人類文明發(fā)展過程中下得到放大和突顯。物理科學研究方法是物理學家們經過長時間的知識積累和智慧閃光總結而來，常用的有觀察法、實驗法、類比法等。當今許多領域的科學研究過程中都能找到這些方法的身影。在傳授物理科學知識的同時，還可以借助物理學家原創(chuàng)思維活動的模擬，給學生設置科學研究的情景。例如畢奧—薩伐爾定律的建立過程充分體現出物理學發(fā)散性思維與嚴謹性分析相結合的大師風范。

畢奧——薩伐爾定律在穩(wěn)恒磁場中的地位等同于電場中的庫侖定律。它的建立過程體現出了實驗與理論之間的完美結合。傳統(tǒng)大學物理教學過程中，對這部分知識的處理過于簡單，往往是教師直接將畢奧——薩伐爾定律拿出來，不作任何推導。有些課堂針對學生的專業(yè)(如信息、數學等)會介紹畢奧——薩伐爾定律的建立過程。這樣的教學過程，或多或少有灌輸的成分。學生對知識的理解只能建立在記憶的基礎上。如果從數學角度完整推導該定律，雖然邏輯性強，但由于低年級學生基礎知識薄弱，他們無法從繁瑣公式中跳出來、從宏觀上理解畢奧——薩伐爾定律的物理本質。為了改變這種尷尬的現狀、飽滿課堂內容，本人在具體教學過程中采用類比法啟發(fā)學生用研究的態(tài)度理解傳統(tǒng)物理知識，類比庫侖定律和萬有引力定律、根據實驗現象一步步建立畢薩定律的數學描述。

畢奧——薩伐爾定律是在科學家們想要控制磁場的欲望驅使下建立起來的。當今許多應用領域都對磁場類型進行了嚴格的要求，例如:粒子加速器中需要使用到勻強磁場、核磁共振中需要使用到梯度磁場、電子顯微鏡中需要使用到聚焦磁場。為了實現這些各式各樣的磁場，就要求對磁場進行控制。在課堂中介紹這些與實際應用緊密相連的需求，可以讓學生了解到當今磁場的應用現狀，開拓他們的視野，同時也讓他們加深解決問題的迫切感。控制磁場要通過控制產生磁場的源實現。一切磁現象源于電流，因此控制磁場就是通過控制電流的大小和流向從而獲得所需要的磁場分布。這一目標實現的前提是必須知道電流強度與磁感應強度之間的定量關系即畢奧——薩伐爾定律。為了幫助學生建立兩者之間的定量關系，可以先總結一下畢奧和薩伐爾的實驗結果:(1)電流強度I增大，磁感應強度B增強;(2)研究的空間位點距離電流導線越遠(即r越大)，磁感應強度B越小。根據實驗結果，可以從建模的角度出發(fā)建立I及r之間的初步關系式(為了簡化問題，可以先不考慮磁感應強度的方向):B=k，其中a，b，和k都是常數。類比法在建模的過程中起到了決定性的作用，主要體現在參數的確定上。類比庫侖定律，可以非常直觀地得到a=1，b=2。為了確定k的值，則需要仔細分析已知的常數0和0。0為真空中的磁導率，0為真空中的介電常數。可以看出這兩個參數所表征的物理效果是相反的:一個為導，另一個為介。這也就決定了建模過程中如果0是放在分母中則必定放在分子0中，分析得到k = 。最后引入方向:。

在分析結果的可信度的時候，幫助學生重新回顧一下模型建立的過程，引導他們發(fā)現前面所采用的類比法中存在的問題:類比的對象不一致。在靜電場中，庫侖定律描述的是電荷元與電場強度之間的關系，電荷元是任何帶電體的基本單位。類比到穩(wěn)恒磁場中我們得到的是電流與磁感應強度的關系，電流不是一個基本單位，它依賴于導線的形狀。所以有此可以引導學生尋找電流中的元——電流元，并對已得到的數學關系式進行修正:。其中兩個矢量相乘得到第三個矢量的運算方式在數學中只有叉乘才能實現，所以最終我們可以建立的畢薩定律的具體表達式為:。這個式子與當年數學物理學家拉普拉斯通過嚴謹數學推導得到的式子是一致的。

通過對科研情景的解密，可以幫助低年級學生在數學基礎薄弱、科研能力匱乏的現狀下，初步建立科學的研究思路與方法，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新能力和創(chuàng)新思維。在大學物理的教學過程中，通過靈活應用情景重建、建模理論、類比法等各種現代化科學研究方法，可以極為有效的激發(fā)學生的學習興趣和推進學生的綜合素質的培養(yǎng)。

3 結合科學最新進展，引導學生探索未知

科學是在不斷發(fā)展進步的。當今大學物理課堂上所傳授都是傳統(tǒng)的物理學知識，有些理論發(fā)展到今天已經受到了新實驗結果的挑戰(zhàn)。如果將科學前沿信息結合到實際課堂中，可以啟發(fā)學生探索未知。

磁場中最具有爭議的問題是磁單極子是否存在。磁單極子是理論物理學弦論中指一些僅帶有北極或南極單一磁極的磁性物質。由于將條形磁鐵截斷為二，新得到的兩根磁鐵碎段會重新編排形成南北極。如果繼續(xù)截斷，每個磁鐵碎段都會具有南北極。因此即使磁場和電磁如此相似，科學家們也堅信無法找到磁單極子。磁場的高斯定律在磁單極不存在、磁力線閉合的基礎上，得到穿過高斯面的磁通量為零，進一步可以推論穩(wěn)恒磁場是無源場。不過早在1931年英國物理學家狄拉克利用數學公式語預言了磁單極子的存在。直到2009年9月世界科學界頂級刊物《science》上的一篇文章才宣布在實驗上發(fā)現了磁單極子。這一爆炸性新聞轟動了整個物理學術界。到了這里就引導學生幾個問題。首先是為什么以前都沒有發(fā)現磁單極子?也就是磁單極子的存在條件是什么。現在有些理論認為磁單極子不是以基本粒子的形式存在，而是以自旋冰等奇異的凝聚態(tài)物質系統(tǒng)中的出射粒子的形式存在。第二個問題是如果存在磁單極子，穩(wěn)恒磁場的高斯定理是否還成立?不成立，如何修改?這些問題的回答則可以留給學生課后思考，作為培養(yǎng)他們思維延展性的一次訓練。這些由于科技前沿遺留的問題都能給學生以啟發(fā)，開拓他們的思路。

大學物理學作為農業(yè)院校的一門基礎學科，在培養(yǎng)學生研究創(chuàng)新能力上可以體現出“開”、“展”、“拓”三個字的作用:“開”即打開學生的視野、“展”為發(fā)展學生的科研基礎功、“拓”是拓展學生的思路，這堂課程恰好體現這一思想。最后希望物理教師在基礎物理課上不斷改革創(chuàng)新研究性教學模式，提高農林院校物理課的地位。

參考文獻

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