從電磁學內容探討高中與大學的物理教學銜接*

于 軍 朱偉玲 吳登平

(廣東石油化工學院 廣東 茂名 525000)

《普通高中物理課程標準(實驗)》[1](以下簡稱“新課標”)的頒布與實施是進入新世紀后我國基礎物理教育的一次深層次的徹底革命，它正深深影響著每一所高中、每一位教師乃至每一位學生.2004年12月由教育部高等學校非物理類專業物理基礎課程教學指導委員會分委會提交的《非物理類理工學科大學物理課程教學基本要求》[2](以下簡稱“基本要求”)正式發布，“基本要求”從課程的地位、作用和任務、教學內容基本要求；能力培養基本要求；素質培養基本要求；教學過程基本要求；有關說明等6個方面對非物理類理工科大學物理課程的開設提出了基本要求，它是一份指導性文件.高中物理“新課標”與大學物理“基本要求”形式上有差異，但其指導思想是一致.在這兩份綱領性文件的指引下，高中物理[3]與大學物理[4]應該可以有效銜接.

本文僅以電磁學內容為例，探討在“新課標”高中物理基礎之上，如何更合理、有效地搞好大學物理理論課的教學.

1 模塊主題的異同

電磁學內容在高中“新課標”里占有兩個模塊，“選修3-1”與“選修3-2” (我校理工類學科在校大學生高中階段物理課程大多選修“選修3-1”與“選修3-2”模塊，以下討論如不特別說明，均指這兩個模塊). “選修3-1”模塊劃分為三個二級主題，電場、電路、磁場；“選修3-2” 模塊也劃分為三個二級主題，電磁感應、交變電流、傳感器.大學物理通常將電磁學作為一個模塊，按其內容又被分為四個主題，電場(含導體與電介質)、磁場(含磁介質)、電磁感應(含暫態過程、電磁場與電磁波)、恒定電流電路.

從模塊主題看，電磁學在高中階段與大學階段還是具有基本對應關系的，兩個階段都有電場、磁場、電磁感應、電路等電磁學方面的重要而基礎性主題，這種良好的對應關系為兩個階段的教師教學與學生學習活動的有效銜接創造了基礎,提供了線索.在各相應模塊主題范圍內進行的銜接應當是最直觀、有效的，也是最簡單易行、便于操作的.下面，我們就以上兩個階段共有的四個主題進行探討.

2 內容與知識點的異同

2.1 電場主題

相同點主要有電荷及其量子化與守恒律、點電荷、實驗電荷、庫侖定律、靜電場、電場強度、電場疊加原理、電場線、電勢差、電勢、電場線與等勢面的關系、電場與電勢的關系、帶電粒子在電場中的運動、電容器及其作用、靜電的應用.

不同點主要是大學階段比高中階段多出以下內容即電偶極子及其電場、電偶極矩及其所受電場的扭轉力矩、電場強度通量、高斯定理(含介質下的高斯定理)、環路定理、電勢疊加原理、電勢梯度、靜電場中的導體與電介質、電場的能量與能量密度、電容器的串并聯.

2.2 磁場主題

相同點主要有基本磁現象(含奧斯特實驗)、磁場、磁感應強度、磁感線、安培分子電流假說、安培力及應用、磁通量、洛倫茲力及應用.

不同點主要是大學階段比高中階段多出以下內容即畢奧-薩伐爾定律及應用、磁偶極子(磁偶極矩及其所受磁場的扭轉力矩)、運動電荷的磁場、磁場的高斯定理與安培環路定理及其應用、磁介質、磁化強度、磁場強度、磁介質中的環路定理、鐵磁質的相關概念與應用.

2.3 電磁感應主題

相同點主要有電磁感應現象、法拉第電磁感應定律及應用、楞次定律、感應電動勢、感應電流、自感現象及應用、渦電流及應用.

不同點主要是大學階段比高中階段多出以下內容即感應電動勢中的非靜電力(動生與感生)、互感現象及應用、暫態過程(電路)、磁場能量及能量密度、渦旋電場與位移電流、麥克斯韋方程組的積分形式、電磁場與電磁波譜(其中“電磁場與電磁波”的內容在高中階段屬于“選修3-4”模塊的一個二級主題，實際調查表明該模塊很少有學生選修).

2.4 電路主題

相同點主要有電阻率、歐姆定律、電動勢、電感元件與電容元件對變化電流的作用等.

不同點主要由兩個方面構成.一是大學階段比高中階段多出的內容即電流密度、連續性方程、穩流條件、歐姆定律微分形式、基爾霍夫定理、暫態電路；二是高中階段比大學階段多出的內容即電阻定律、電阻的串并聯、路端電壓與負載的關系、多用電表的原理與使用、電功、電功率、焦耳定律、門電路、集成電路、交變電流及其描述、交流電的周期、頻率、峰值、有效值、低頻扼流圈、高頻扼流圈、隔直電容器、高頻旁路電容器、變壓器、遠距離輸電等.

從以上四個主題的對比看，前三個與電磁場緊密聯系的主題中，大學物理的內容與知識點遠多于高中階段.這主要是由于大學物理側重于讓學生了解電磁場這種物質形態的研究方法及其基本規律.而高中階段更側重于讓學生了解電磁場的基本知識(常識)及應用.在電路主題中高中階段的內容與知識點似乎要多于大學物理，其實這是一個錯覺.在大學階段理工類專業一般都要開設專門的課程，如電工學、電子線路、電路分析及相關實驗等，那些應用性強的內容都被并入了應用型課程之中.大學物理僅將那些與電磁理論密切聯系的電路知識列入其中，一是為電磁理論的講授服務；二是為后續應用型課程提供理論支撐.這恰好說明物理學課程在中學、大學不同階段被賦予的內涵與開課目的是有區別的,即大學階段是較為純粹的基礎理學學科，它一方面為學生提供基本的世界觀、方法論與科學素養培育，另一方面它又肩負著為其他應用學科提供必須的基礎理論支撐；與此相比中學階段的物理更多被賦予了工程與自然常識學科的使命.這種“使命”上的差別是每一個物理教育者與學習者都應十分清楚的，否則大學物理課程的開設不可能取得應有的效果，也不可能達到課程開設的目的.

3 大學物理電磁學內容知識點處理的若干建議

內容知識點的處理原則是所有知識點的講授都應該是有目的的，授課方法、過程、手段等都應該為“目的”服務，授課效果也應從是否達到“目的”來評價.

3.1 與高中階段共有知識點的處理

對那些與高中階段共有知識點處理的建議為既不能輕易忽略，為后續課程學習造成障礙，也不能勞而無功，僅僅是高中的翻版.

該類知識點分兩種情況,一是知識點相同,教學要求相近；二是知識點相同,教學要求不同.以上建議在第二種情況下是容易做到的，但還應做到重點突出，詳略得當.如“電場強度的計算”應將連續帶電體中的“疊加(積分)法”作為重點講透.再如，“電場線”概念在高中階段僅要求用它的疏密分布與方向描述場強大小與電勢高低；在大學物理中更應重點強調其“有頭有尾，非閉合性”，為學生對靜電場有源無旋性質及高斯定理、環路定理的直觀理解創設必要的物理圖像.在第一種情況下應特別關注那些與后續內容有密切關聯的知識點，千萬不可輕易忽略掉，可以選擇精講(串講)達到教學目的即可，或在原高中基礎之上有所側重.如電場部分的電荷及其量子化與守恒律、點電荷、實驗電荷、庫侖定律等知識點就屬于“知識點相同,教學要求相近”的情況.這些概念出現于電磁學的第一節課，在課時緊張的情況下有些教師對這些概念的講授未給予充分重視，往往一帶而過.這樣做的結果會對后續內容學習造成障礙.用高斯定理分析導體存在時的靜電場分布是靜電場內容里常見且重要的一類問題，該類問題分析時常離不開電荷守恒律，這就要求學生對電荷守恒律必須要熟悉，且有強烈應用意識.對“點電荷、實驗電荷”這兩個概念沒有理解到位，一定會對“電場及其點函數描述方法”不理解，進而影響到對電場強度、電勢分布函數的理解.“庫侖定律”是靜電場的一條最為基礎的規律，它的存在導致了高斯定理與環路定理的成立，進而導致了電磁學理論的成立.對此知識點既不能不講，也不能僅僅是高中的翻版.講解時可突出其矢量性，為“電場強度矢量性”的理解服務.也可突出庫侖力是對“點”電荷的作用力，從而為“電場強度是空間位置點函數”，“靜電場是有源場、徑向場”，“靜電場力是徑向力”的理解作鋪墊.還可側重庫侖定律提出的歷史過程，為電磁學常用的科學方法——“類比法”服務，進而也為力學部分慣用方法——“疊加(積分)法”順利引人電磁場的研究進行了鋪墊.

3.2 大學物理特有知識點內容的處理

對那些高中階段沒有，大學階段才出現的知識點處理的建議為盡可能從學生熟悉的知識點“生長”出來，從學生熟悉的物理圖像中尋求理解之道.

例如，電場強度通量、磁感應強度通量可以從學生熟悉的電場線、磁感線的空間分布“生長”出來，照此線索再“生長”下去就給出了靜電場的高斯定理與磁場高斯定理.磁場的環路定理可以從磁感線 “無頭無尾的閉合性”逐步“生長”出來；靜電場的環路定理可從“保守力做功”“生長”出來；將電流場與電場作類比可從電場強度“生長”出電流密度；從電場強度通量“生長”出電流強度；從場源的數學表述“生長”出穩流條件……教學內容采用“生長”的方法，有利于學生對新知識的學習；有利于學生對課程整體的把握；有利于學生對知識體系內部脈絡的認識.當然，“生長”一定要自然，自然就體現在順勢而為，所以，教學的藝術就是“勢”的營造藝術.高斯定理與環路定理是電磁學的核心內容，大多數學生記住了它們的內容，了解了它們在解題中的應用，卻無法理解它們的數學形式，為什么一定是(他們不熟悉、不喜歡的)閉合(曲面、曲線)積分形式？對此，學生熟悉的流體運動形成流速場的營造是恰當的.對流體流出的“源”及流體流入的“匯”(可看作負源)的定量討論，產生了矢量場中的閉合曲面積分，對流速場中渦旋的討論又導致了矢量場中的閉合曲線積分的出現.“源”與“旋”對矢量場的影響是重大且無法回避的.由此可見，矢量場特點由閉合(曲面、曲線)積分形式反映，是自然規律本身決定的，并非人類強加.同時,我們還要看到,自然規律的表現形式可能是多種多樣的，要像遵重規律本身一樣尊重它的表現形式，而不能隨個人而好惡.

3.3 注重對數學工具的運用

微積分與矢量運算的講解以及注重對物理科學方法的提煉總結是大學物理教學中非常重要的方面，篇幅所限，不再贅述.

4 結語

“新課標”的頒布與實施，對提高我國基礎教育水平將起到極大的推動作用，它將引起高中物理教學理念與方式的重大變革，同時，也會引起學生學習習慣與方式的較大轉變.最近兩三年升入大學學習的新生就應該是“新課標”的首批“產品”，即將為這些“產品”授課的大學物理教師們對授課對象又了解多少呢？從年齡層次看，我國各高校大學物理骨干教師大多在21世紀七八十年代接受的高中教育，幾十年來，由于機制等原因，他們中的大多數對中學的變化了解甚少，以至于他們腦海中的中學就是20世紀七八十年代的中學.近些年，大學物理教學質量的滑坡，原因是多方面的，教師不了解學生應是原因之一.

參考文獻

1 中華人民共和國教育部. 普通高中物理課程標準(實驗). 北京: 人民教育出版社,2003

2 教育部高等學校非物理類專業物理基礎課程教學指導分委員會. 非物理類理工學科大學物理課程教學基本要求.物理與工程,2006,16(5)：1～8

3 廣東基礎教育課程資源研究開發中心物理教材編寫組. 普通高中課程標準實驗教科書《物理·選修3-3》(第一版).廣州： 廣東教育出版社,2005

4 梁燦彬. 電磁學(第二版). 北京：高等教育出版社,2004