電磁學教學新模式的探索與實踐

李智華 熊曹水 項林川 陸培祥

(華中科技大學物理學院 湖北 武漢 430074)

1 前言

電磁學是物理學非常重要的一門基礎課，是物理與很多學科如光電、機械、信息等領域交叉的重要基礎課，電磁學課程教學除了讓學生掌握電磁學理論基本知識，還擔負著培養(yǎng)學生科學思維方法，激發(fā)學生主動探索精神的任務．電磁學基礎打得是否扎實直接影響學生今后其他課程學習，甚至影響他們今后的科研或工作能力與成績．電磁學也是一門與實驗密切關聯(lián)的課程，電磁學課程教學要結合相關的實驗教學是必然的，也是必須的[1，2]．如何將電磁學課程的理論教學和實驗教學結合起來，有效激發(fā)學生的學習興趣和主動探索精神，培養(yǎng)學生科學的思維方法和創(chuàng)新思維，提高教學質(zhì)量和效果，顯得尤為重要．

鑒于此，在電磁學教學過程中，我們對電磁學教學創(chuàng)新模型進行了嘗試、探索和實踐，筆者將在此和大家分享探討，其中重點介紹電磁學實驗教學如何與理論教學的有效配合，以及不同層次電磁學實驗的重要作用，以求拋磚引玉．

2 大學階段電磁學“教”與“學”與中學階段的銜接

作為物理學的一門專業(yè)基礎課，電磁學大學課程教學與高中相關內(nèi)容的教與學的方式及目的存在很大差異，這大家都比較清楚.但畢竟學生在高中階段已經(jīng)接觸到了電與磁的相關知識，因此大學教師在上電磁學課時，為了在課堂上抓住學生的注意力，不讓學生覺得有“炒現(xiàn)飯”的嫌疑，保證有好的教學效果，讓學生在原有相關知識的基礎上學到新知識、新方法，教師是非常有必要重視在教學的過程中，充分注意教學方式以及知識點的銜接[3，4]．在學生已有的知識背景下，找到相關知識的銜接點，再擴展延伸出新知識的內(nèi)容，這也是符合有效地、牢固地消化吸收知識的方法論的．比如在電磁學的靜電學部分，我們會介紹庫侖平方反比實驗定律，顯然學生在中學階段已經(jīng)初步接觸該定律，并用它去解決一些電荷間靜電力的問題．在大學電磁學課堂上講授這部分內(nèi)容的時候，如果還是直接把這個結果灌輸給學生就欠妥了．若是采取反問和質(zhì)疑的方式讓學生思考效果會如何呢？比如提出“平方反比關系一定成立嗎？如果不成立會怎樣？”“如果是兩個尺寸不能忽略的帶電球間，相互間的靜電力又如何？”學生就會想“高中時不一直這樣用的嗎？難道書本上的知識還有錯要質(zhì)疑？”還可以結合實驗演示，用實驗事實來回答相關問題．這樣的教學方式，讓學生帶著問題去學習，既有助于激發(fā)學生的學習興趣，也有助于培養(yǎng)學生主動思考和敢于質(zhì)疑的精神，當然有助于提高課堂的教學效果了．電磁學教學過程中還有很多類似需要注意與中學階段銜接的問題和內(nèi)容，此處就不一一枚舉了．

3 電磁學理論與實驗教學模式的探索與實踐

由電磁學的發(fā)展歷史來看，從電磁學的基本實驗現(xiàn)象到基本電磁規(guī)律，電磁學的理論知識無不與實驗現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)緊密相連．在電磁學的教學過程中，必然要遵從人們對電磁自然現(xiàn)象認識的基本規(guī)律，純粹進行電磁學理論教學而脫離實驗，顯然是不科學的．如何將電磁學課程的理論教學和實驗教學結合起來，有效激發(fā)學生的學習興趣和主動探索精神，培養(yǎng)學生科學的思維方法和創(chuàng)新思維，提高教學質(zhì)量和效果，培養(yǎng)具有扎實電磁學基礎知識的理工科人才當然非常重要了．因此在電磁學的教學過程中，我們對教學模式做了如下探索.

首先，采取“理論教學+實驗+討論+小論文”靈活多樣的多元化教學模式．理論教學輔以實驗，實驗密切為理論教學服務；采用啟發(fā)式、問題式的教學方法讓學生積極思考并參與討論，既活躍課堂氣氛又激發(fā)學生的學習興趣，也有助于提高教學效果；此外，學生還可以根據(jù)自己的興趣自由自主選題，靈活應用所學的電磁學理論知識開展電磁學相關問題的研究，鼓勵創(chuàng)新并形成小論文．運用問卷調(diào)查方法了解學生對教學的意見和建議，不斷在教學實踐中完善多元化教學模式．

其次，電磁學課堂演示實驗為電磁學理論教學服務．演示實驗部分是電磁學實驗教學的第一層次[5]．密切結合理論課程的教學進度，認真選擇、精心設計、適時安排演示實驗來配合理論教學．這些演示實驗分為靜電學和靜磁學兩個部分，靜電學部分用于課堂演示的實驗包括：摩擦起電和感應起電演示、范氏起電機和韋氏起電機演示、尖端放電現(xiàn)象演示與避雷針、靜電平衡導體電荷分布演示、電介質(zhì)的極化演示、靜電植絨和靜電除塵演示、電容器的儲能演示、溫差電池、化學電池和光電池演示、靜電屏蔽演示；靜磁學部分用于課堂演示的實驗包括：奧斯特實驗、通電導線安培力演示實驗、磁感線分布演示實驗、洛倫茲力演示、直流交流發(fā)電機演示、鐵磁體的居里溫度演示、巴克豪森效應演示、法拉第電磁感應現(xiàn)象演示、電磁阻尼與電磁驅(qū)動演示、渦流熱效應演示、趨膚效應演示、暫態(tài)電路弛豫時間演示、RLC共振電路演示、電磁波特性及其發(fā)射與接收等演示．這些演示實驗的引入，有效地激發(fā)了學生的學習積極性、熱情與主動性，啟發(fā)學生如何從實驗現(xiàn)象的感知到現(xiàn)象背后本質(zhì)物理規(guī)律認識，培養(yǎng)學生科學的思維方法和主動的探索精神，有助于幫助學生深刻理解和牢固掌握電磁學基本理論知識．

第三，開設學生可進實驗室自己動手的驗證性實驗，這是電磁學第二層次實驗，也分為靜電學和靜磁學兩個部分．以小班為單位組織學生進實驗室自己動手實驗，靜電學和靜磁學兩部分各安排2學時．此外，電磁學實驗室還對學生定期開放，有興趣的學生還可以在開放時間段內(nèi)自主到實驗室做實驗．這部分的實驗涵蓋了部分的演示實驗、實驗儀器較重不適合用于演示的實驗以及同一實驗現(xiàn)象衍生出的多種實驗等．比如“怒發(fā)沖冠”演示靜電屏蔽的實驗儀器比較龐大，將其搬到課堂上演示的難度大，在課堂教學的過程中可以僅僅呈現(xiàn)往屆某某學生進入實驗室驗證此實驗時拍攝的照片．學生們看了往屆學生實驗時的照片，興趣很快被激發(fā)出來，三五成群約好到我們的電磁學實驗室來做實驗．這就是較典型的示范作用了，而且實驗效果很震撼．相信他們這一輩子都忘不了這個實驗，能牢牢掌握現(xiàn)象背后靜電屏蔽的本質(zhì)規(guī)律．這樣的教學方式和效果自然也能得到學生的認可和好評．

第四，學生自主設計電磁學實驗是電磁學實驗的最高層次．在電磁學理論教學過程中，有意識地準備和拋出一些問題[6]，引導學生思考相應的物理圖像，鼓勵學生自主設計實驗去直觀反映物理現(xiàn)象或圖像．學生在設計實驗及儀器的過程中，既要非常了解實驗現(xiàn)象背后的原理，還要考慮實驗參數(shù)設置是否合理、做出來的實驗現(xiàn)象是否明顯等多方面的因素，這不僅有助于培養(yǎng)學生提出問題和解決問題的能力，當然也培養(yǎng)了學生的動手能力，而且學生做出來都是實驗的原型裝置，不是黑匣子式的、商品化的實驗儀器．

如圖1是2011級學生設計制作高速電動機模型和測速裝置演示時的場景，雖然轉(zhuǎn)速目前僅達到120 r/s，但設計裝置的過程中，他們既用到了電磁學理論課上獲得的安培力相關的知識，也利用了他們在單片機課堂上學到的知識，而且仔細分析影響轉(zhuǎn)速的因素，接下來如何提高轉(zhuǎn)速的思路也就有了．

圖1 高轉(zhuǎn)速電動機模型設計與測速

圖2是2011級應用物理班學生制作的非均勻磁場中磁介質(zhì)磁化受力和運動演示儀．設計前學生必須相當了解非均勻磁場中磁介質(zhì)的磁化和受力及運動規(guī)律．再者，為讓實驗現(xiàn)象明顯，工作電流的選取、銅線粗細的選擇必須結合考慮，電流太大銅線太細時，銅線易發(fā)熱燒斷甚至短路，電流太小磁介質(zhì)受力太小，會導致運動規(guī)律不明顯等等．只有思考并解決了這些問題，實驗現(xiàn)象的效果才會明顯．

圖2 非均勻磁場中磁介質(zhì)的受力和運動演示

從上面兩例子可以看出，提倡學生自主思考設計實驗方案、搭建實驗儀器，提供學生更多的自主發(fā)揮空間，既有助于學生掌握電磁學理論基本知識，又培養(yǎng)學生科學思維方法，激發(fā)學生主動探索精神,這種教學方式后的效果要優(yōu)于直接買來發(fā)電機模型向?qū)W生演示是不言而喻的了．此外，如果把往屆同學制作的實驗裝置展現(xiàn)在下屆同學的面前時，對下屆的同學著實能起到很好的觸動和范式作用，筆者在課堂教學過程中有親身體會，不管是往屆學生還是當屆的學生，看到他們親手制作的實驗裝置展現(xiàn)在眼前，并能演示出很好的效果，在自己的內(nèi)心深處產(chǎn)生一種強烈的成就感，也是做為教師最快樂的時刻.鼓勵自己有激情和信心繼續(xù)在第三層次的電磁學實驗上開展一些有意義的教學工作．

4 電磁學實驗教學問卷調(diào)查與分析

為更好地加強和改進電磁學課程教學，我們對采取的新舉措的效果和支持度在2010級物理學院普通班和啟明班中做了問卷調(diào)查，統(tǒng)計結果如下(相應括號中的比例為調(diào)查啟明班的結果).

(1)認為電磁學實驗對理解電磁學的相關理論和知識很有幫助的占25%(33%)，認為有幫助的占64%(57%)，認為可有可無的占3%(10%)．見圖3所示.

圖3 您認為在電磁學實驗對您理解電磁學相關理論和知識有幫助嗎？

(2)認為電磁學實驗能加深對電磁學概念的認識和規(guī)律理論的理解，對物理規(guī)律的實際應用有較深的體會，能有助于培養(yǎng)自己分析問題和解決問題的能力，有助于培養(yǎng)自己的創(chuàng)新意識和能力的占100%(100%)，沒有同學認為電磁學實驗沒必要，學好電磁學理論知識就能去理解電磁學的現(xiàn)象了.

(3)在學完電磁學后，如果給學生機會進實驗室去了解相關靜電學和靜磁學實驗，認為很有必要、很樂意去的同學占了55%(67%)，認為有必要會參與的同學占42%(33%)，認為可有可無的同學占4%(0%)．統(tǒng)計見圖4.

圖4 學完相關電磁學理論知識后，如果給您機進實驗室去了解相關靜電學和靜磁學實驗，您覺得有必要嗎？您會參加嗎？

圖5 對于電磁學演示實驗的量的建議

(4)對于電磁學課堂上添加的演示實驗，認為少了，可以再加入一些典型電磁現(xiàn)象的演示實驗的同學占到了66%(71%)；認為現(xiàn)有的演示實驗數(shù)量基本夠了的占25%(29%)；認為多了，可以少用一些演示實驗，節(jié)約出一些時間詳細講解電磁學理論知識占9%(0%)．統(tǒng)計圖見圖5.

通過這次問卷調(diào)查，同學們對電磁學實驗表現(xiàn)出了很高的熱情和積極性，對比啟明班與普通班的反應差異，很明顯對電磁學教學采取的新舉措，啟明班的同學表現(xiàn)出更高的積極性和贊同度．

5 結束語

電磁學是一門與實驗密切關聯(lián)的課程，電磁學理論課程教學應該密切結合實驗教學．在電磁學教學過程中，我們對電磁學教學創(chuàng)新模型進行了嘗試、探索和實踐，深入思考電磁學實驗教學的三個不同層次，以及不同層次的電磁學實驗教學的重要作用，形成電磁學理論教學與三層次實驗教學相結合的新教學模式，并在本校物理學院多屆學生中實踐．新的教學模式提供學生更多的自主發(fā)揮空間，有助于激發(fā)學生的學習興趣和學習主動性，有助于培養(yǎng)學生提出問題、解決問題的能力，有助于培養(yǎng)學生科學的思維方法、主動的探索精神和動手能力，有助于幫助學生深刻理解和牢固掌握電磁學理論知識，對下屆的同學著實也能起到很好的觸動和范式作用．同學們對采用的教學模式展現(xiàn)了很高的熱情和贊同．

參 考 文 獻

1 胡成華，史玲娜.大學物理實驗教學創(chuàng)新模式的探索與實踐.物理與工程，2012，22(1)：44～46

2 陳惠敏，武永慎.電磁學教學必須重視演示實驗.物理與工程，2008，18(4)：26～28

3 宋國利，梁紅，蘇春艷.大學物理課程與中學物理課程有效銜接方式的研究.物理與工程，2012，22(1)：56～58

4 孫九林.有效設計 提高實驗效果.物理教師，2012，33(7)：40～41

5 張晚云，陸彥文，曾交龍.淺談如何在大學物理課堂教學中發(fā)揮好演示實驗的作用.高等教育研究學報，2011，34(增刊)：49～51

6 其木格，林海河，郭繼成.物理演示實驗設計：以問題為導向.內(nèi)蒙古師范大學學報(教育科學版)，2007，20(12)：93～95