“電磁學”課程教與學的改革探討

桂林理工大學地球科學學院廣西·桂林541004）

摘要電磁學作為理工科大學的一門基礎課，是本科教育中的一門必修課程。本文分析了“電磁學”課程教學中存在的特點和問題，主要表現在課程內容抽象，概念不易理解；知識點過多，學生把握不住重點；教學安排不夠合理等等。針對存在的問題，給出了一些教學改革建議，特別指出了本課程的重點在于物理概念的描述，而不是解題技巧。同時，對本課程其他事項也提出了合理的建議。

關鍵詞 電磁學 教學改革 物理概念

中圖分類號：G420 文獻標志碼：A

Teaching and Learning Reform on \"Electromagnetics\"

XUE Tingxiao

(Key Laboratory of Geological Engineering Centre of Guangxi Province，

Guilin University of Technology， Guilin， Guangxi 541004;

College of Earth Sciences， Guilin University of Technology， Guilin， Guangxi 541004)

AbstractAs a basic course in university of science and engineering. This paper analyzes the characteristics and problems of \"Electromagnetism\" teaching. electromagnetics is a required course in undergraduate education. Mainly in the course content of the abstract， concept difficult to understand; knowledge points too much， the students can't grasp the key points; teaching arrangements are not reasonable and so on. To deal with the problems， gives some teaching reform proposals，in particular， it points out that this course focuses on the physical description of the concept， rather than problem-solving skills. At the same time， proposes some reasonable suggestions for other matters.

Key wordselectromagnetics; curriculum reform; physical concept

“電磁學”是高等學校理工科普遍開設的一門基礎課。學好這門課，不僅能夠提高學生對近現代經典物理學的深入認識，而且也是學習很多專業課的基礎。本人所在的是地球物理教研室，涉及地球物理專業和勘查技術專業，前一專業偏向于理科，后一專業偏向于工科，但是都離不開電磁學。例如，“地震學”課程里面最重要的基礎理論就是波動理論，而波動方程的求解就需要用到關于場論的內容；“電法勘探”課程中直流電法勘探需要用到電磁學中穩恒電路理論，電磁法勘探用到麥克斯韋理論。可以說，學不好電磁學，專業課無從入手，即使學懂了專業課的皮毛，但是也不能深入理解，無法從事科研和進行技術創新。

但是，電磁學這門課一般來說不好教，學生也反映不好學。這有多方面的原因，我們從以下幾個方面進行表述，并提出一些建議。

1 “電磁學”課程的師資建設

“電磁學”理論性極強的一門學科。一般該課程只有一位負責人，但是整個課程的建設不是靠一個人的力量能夠完成的，而是由整個教學和科研團隊緊密結合，繼承并總結前輩教育工作者的豐富經驗和教學方法，才能圓滿地完成。所以，“電磁學”課程改革應注重教師隊伍的培養，提高教師隊伍的教育和科研水平，并要加強年青教師和中老年教師的溝通和繼承。一方面，創造條件引進優秀人才；另一方面，動員青老教師多交流和溝通，在教學內容和教學方法上進行探討。

還有，建議對教師的評估體系中，增加教學方面的比重，促使教師能將更多的精力投向教學方面。也可以設立教學獎勵基金，調動教師的教學積極性。

2 “電磁學”課程內容特殊性和課程體系改革

“電磁學”課程有其本身的特殊性。第一，課程本身抽象、難以理解，并不可避免的要運用高等數學。人類認識自然的過程一般來說是由簡入繁，由形象而抽象。物理學本身也是這樣發展的：比如，人類很早就開始研究力學，因為人天天和“力”打交道，而后逐漸去認識“力”現象的本質，近代物理學則把“力”劃分成四種基本的力。再比如，人類從一開始研究可見光，繼而認識到可見光之外有非可見光，比如紅外線和紫外線，隨著法拉第等人的努力，理解了電現象和磁現象的本質，后由Maxwell的貢獻和天才的預言，逐漸認識了電磁波，并發現了光也是一種電磁波。從簡單的物理現象到深入抽象地認識現象背后的本質，人類經歷了幾千年的歷史。因此我們可以得出結論，人們容易理解的是五官的感受，而不是抽象的數學和現象背后的本質。這是人類的思維特點決定的，對于直觀的五官感受，對于自己有經驗的事物易于被接受和理解，而抽象的規律和深奧的數學不易理解。但是，自然科學的發展要求人類不能停留在五官的認識上，而要求歸納出經驗之上的規律，特別是要理解現象背后的本質更是這樣。另一方面，數學是人類表達自然，理解自然科學極好的表達方式。這是因為數學的簡潔和方便，而且因為它的完備性和邏輯的嚴密性。所以，要想敲開現代自然科學的大門，數學知識是不可或缺的。但是如果對初學者而言，數學較難掌握。而電磁學中大量用到了數學知識。雖然在大學一二年級學生們已經學習了高等數學，但是數學教師教數學的時候往往只是偏重于數學本身的定義和技巧，往往沒有和物理概念相結合；再加上學生掌握的不夠扎實，所以電磁學對他們來說還是有相當的困難。

比如：數學場論中描述矢量場的三個算子：梯度、散度和旋度。如果沒有用形象的圖畫和詳盡的語言描述，只給出數學表達，學生們很難掌握。因此，要多加入必要的圖片說明，并要多花一些時間詳細描述。要把數學知識和物理概念緊密結合。數學本就是一種精煉的語言，也是一種抽象的語言。在課堂上，一定要求學生加深對物理概念的理解、對數學公式的理解。比如，從等值線方向導數逐漸引申出梯度的概念；從通量逐漸引入散度的概念；從環量積分引入旋度概念。從簡單的示意圖和詳細的語言描述入手，一開始避免繁瑣的數學公式，等學生完全熟悉了數學表達，方能在數學層面上展開較為繁瑣的推演。即使可以用數學表達電磁學規律，也一定要強調數學公式代表的物理含義，比如麥克斯韋組中各個方程的含義和由來，要求學生詳細的了解。

其次，建議講解數學和物理概念的時候，多引入數學史和物理學史的內容，①使學生理解數學和物理名詞和術語是怎么引入的，為什么要引入，其背景是什么。因為，數學的發展不是一蹴而就的，而是隨著人類生產和科研的發展，逐漸發展起來的。所以，多介紹一些數學史，讓學生了解數學產生的背景，對他們理解數學有很大的益處，還能讓他們認識數學怎么樣應用于其他科學，怎么樣描述自然的。這會使學生更容易記憶和理解，否則他們會認為憑空產生了這些復雜的名詞和術語。

不過現在，我們有一些有利條件可以加以利用。隨著計算機技術和軟件技術的成熟，我們可以比較方便的編寫一些程序，②用圖形和動畫，來配合教學。并引導和指導學生編寫程序，加強他們對“電磁學”概念的理解。比如，要解釋波動現象的時候，如果不配合圖形和動畫，往往難以表達波動在三維空間和時間上的變化和一些特殊現象。

3 教學安排的矛盾和改革建議

“電磁學”課程知識點過多，課程內容從靜電場、穩恒電流、靜磁場、電磁感應、變化的電磁場到麥克斯韋理論，每一章的內容都有較大的難度。但是，學生學習的時間很短，來不及深入學習和思考，往往是囫圇吞棗。如筆者所在的大學的本科專業，把本課程安排在第五學期，這一學期除了本課程之外，還安排了其他諸如電子電工學、C語言、地球物理學基礎、政治課等等。此外，還有很多同學忙于應付英語四六級考試、計算機考試等等。這樣一來，學生除了能保證上課之外，課外的時間十分有限。而電磁學的很多知識需要學生詳細、認真地思考和翻閱教材和教輔資料，并輔之以習題。時間和精力的矛盾，導致很多學生只能淺嘗輒止，甚至一知半解。

因此，建議壓縮教學內容，不要面面俱到。比如麥克斯韋理論這一章中，有諸如“推遲勢”、“達朗貝爾方程的解”、“偶極輻射”、偶極子天線等內容，可以留作以后再講，或者作為自修內容。再比如，在靜電場和靜磁場這兩章中，有很多關于電像法和分離變量法等數學技巧，往往教師會對這些內容花較多的精力。筆者覺得這些內容需要特別地重視，因為這些內容往往是技巧，而對學生認識物理概念沒有很多幫助。因此，這些內容應該簡單的介紹，也不要布置過多的習題，引導學生不要為了解題耗費過多的精力，而要提醒學生把主要的時間放在理解物理概念上。

其次，不能只是一味地灌輸。因為大學學習和中學的學習有本質的區別，大學學習應該強調自學，因此，課堂上應該和學生強調基礎、難點和重點，在此基礎之上，鼓勵學生開展自學。教師在講解時，教科書上的內容應該有所選擇，沒有必要面面俱到。一來可以節省課堂時間，把更多精力和時間用于對物理概念的講解上。布置習題數量一定要合理，不可過多，原則上對每一個重要的物理概念和知識點布置一兩道習題為宜。此外，課程安排上盡量合理，不能排得太滿，排課也不能過于集中，課與課之間要有一定的時間留給學生鞏固和思考。

在這個基礎上，加強和利用當今網絡和計算機的便利，鼓勵和引導學生對網絡上的精品課程進行自學和復習，以彌補課堂上聽講的不足。教師本人也要善加利用，吸取其他優秀教師的教學經驗和教學技巧。

4 加強教材建設

為了更好地使學生學好這門課，教材的改革也很重要。首先，教材中要突出物理概念的重要性，從各個方面、各個角度幫助學生理解抽象的物理概念。其次，“電磁學”課程不能千篇一律，不同學校、不同專業對學生掌握電磁學內容的要求不盡相同。比如，筆者所在的物探專業偏重于應用，可以增加應用方面的例題。

5 社會價值觀的影響和建議

按理來說，象電磁學這種理論性很強的課程需要學生花很大的精力，投入很多時間才能掌握其中的基本理論和要點。但是，目前社會浮躁情緒也不可避免地影響著學生。主要表現在投機心理和浮躁情緒。目前，經濟領域內的投機行為很難讓學生安心學習，此外，大學生就業形勢也不容樂觀，而面對日益嚴重的就業形勢，使很多學生往往抱著較重的悲觀情緒。

因此，引導學生樹立正確的價值觀和幸福觀，養成學生從不同角度看待社會和人生，避免學生落入享樂主義和投機主義。這方面的教育對學生安心學習非常重要。并提醒學生要協調好實際能力和理論學習的關系，不能輕視理論課的學習。

資助項目：

1.廣西壯族自治區級 新世紀教改工程2010年立項項目 “基于國家特色專業建設平臺的地球物理勘查工程技術人才培養模式研究與實踐 ”，項目編號2010JGB036

2.桂林理工大學教育科學研究項目 項目編號2010b02）

注釋

①約翰.塔巴克.數學之旅[M].商務印書館，2007.

②彭芳麟.數學物理方程的Matlab解法與可視化[M].清華大學出版社，2004.