“電磁場理論”課程興趣教學的探討

摘要：“電磁場理論”這門課程的概念抽象，公式和推理繁多，計算復雜，不容易讓學生產生學習興趣。在教學中，嘗試著將復雜的東西用最簡單的話說出來，對抽象的公式做最為形象的描述，圍繞物理定律講一個跌宕起伏的故事，再結合各種悖論、前沿和未知，來激發學生的學習興趣，取得了良好的效果。

關鍵詞：電磁場理論；興趣；教學

中圖分類號：G642#8195；#8195；#8195；#8195；#8195；文獻標識碼：A#8195；#8195；#8195；#8195；#8195；文章編號：1007-0079（2014）18-0046-02

電磁場理論是電氣工程的一門核心課程，也是理解和掌握電氣領域其他專業課程的物理基礎，更是探索電氣工程前沿必須具備的基本知識，在電氣工程的課程體系中占有重要的地位。因此“電磁場理論”課程教學質量的好壞，直接關系到學生對其他專業知識的理解和吸收，甚至會影響到學生在本領域的創新能力。

電磁場理論這門課程具有公式和推理繁多、計算復雜、前后關聯緊密，并且內容極為抽象等特點，如果不能使學生對電磁場理論的學習產生興趣，很難取得良好的教學效果。本文結合電磁場理論的教學內容，探討一些提高學生學習興趣的教學方法。

一、從簡單的知識說起

學生只愿意聽他們能聽得懂的東西。就筆者而言，不管是聽課還是聽報告，只要演講者開始的幾句話聽不懂，哪怕是有幾個難懂的專業術語，就會瞬間失去聽下去的興趣。相反，通俗、簡單的開始總會給人親近的感覺，讓人更加專注地聽接下來的內容。

電磁場理論的第一節課，可以從物理學最基本的概念——“力”開始講起。力是物體與物體的相互作用，其作用的結果是使物體的狀態發生改變。學過的力有很多：重力、庫侖力、摩擦力、彈力等等，但是基本的力只有三種：萬有引力、電磁力和強核力，這三種基本的力也被稱為基本相互作用。萬有引力負責讓行星繞太陽旋轉，而電磁相互作用負責讓電子和原子核形成原子，再讓原子最終構成世界上所有的物質；強（核）相互作用負責讓質子和中子構成原子核。一種原子的具有怎樣的化合價，它能和哪種原子組成化合物，這種化合物是導體還是絕緣體，它是什么顏色的，強度和韌性怎樣……，TNT為什么會爆炸，光合作用是怎么進行的……， 這些都是電磁相互作用的結果，可以說這個世界上90%以上的現象都與電磁相互作用有關，而現在要學的電磁場理論就是研究電磁相互作用的一門科學。

這樣簡單的開始，既讓學生明白電磁場理論講的是什么，又拉近了電磁場理論和學生的距離，如果一開始就講梯度、散度和旋度，恐怕還沒有搞清楚什么是場，就已經陷入對復雜的矢量分析的恐懼中了。

二、將復雜的東西簡單化，將抽象的東西形象化

將復雜的東西簡單化，將抽象的東西形象化，不但會獲得更多的聽眾，而且會加深他們對所講內容的理解。一節課上，筆者讓3個人走出教室，然后問大家教室里少了幾個人，大家一時不知老師到底要說什么。然后筆者告訴大家：如果把一個人看成是一個電荷，把教室看做一個閉合的高斯面，從高斯面出來電荷量，等于高斯面內減少的電荷量，這時大家就明白筆者在講電荷守恒。從高斯面里出來的電荷量，可以用電流密度的閉曲面積分來表示，而高斯面內電荷量的減少就是電荷量對時間偏微分的負值，二者相等正是電荷守恒的積分公式。如果過高斯面所包含的體積是個非常小的單位體積，那么從高斯面里出來的電荷量，可以用電流密度的散度表示，而高斯面內電荷量的減少就是電荷密度對時間偏微分的負值，二者相等正是電荷守恒的微分公式。這樣，學生只要理解了閉曲面積分和散度，就能明白電荷守恒以及其微分和積分公式的含義。

電磁場理論中的公式繁多，不容易記住。有時候做一些形象地類比，對記憶公式頗有益處。一個小球所具有的動能1/2mv2，可以理解為二分之一倍的小球的固有屬性——質量乘以小球的可變狀態屬性——速度的平方；而一個電容器所帶有的電能1/2CU2，可以理解為二分之一倍的電容器的固有屬性——電容乘以電容器的可變狀態屬性——電壓的平方；而一個電感器所帶有的能量1/2LI2，可以理解為二分之一倍的電感器的固有屬性——電感乘以電感器的可變狀態屬性——電流的平方。同樣的道理，真空中單位體積的靜電場具有的能量，是二分之一倍的固有屬性——真空介電常數ε0乘以電場的可變狀態屬性——電場強度E的平方，而真空中單位體積的靜磁場具有的能量，是二分之一倍的固有屬性——ε0C2乘以磁場的可變狀態屬性——磁感應強度B的平方，這樣類比著記憶，不但容易記住公式本身，而且可以加深學生對公式的理解，也擴展了相關領域的知識。

三、圍繞課程講一個跌宕起伏的小故事

對學生們來說，聽故事比聽課更具有吸引力。一個好的故事通常有起因、發展、高潮和結局，如果一節課在保持簡單性的原則下，能夠像故事一樣講得跌宕起伏、引人入勝，也不失為一種好的教學方法。

在麥克斯韋的四個方程中，有兩個是描述電場的散度和旋度的方程，有兩個是描述磁場的散度和旋度的方程，而且變化的電場產生帶有旋度的磁場，變化的磁場產生帶有旋度的電場。從某種角度來看，電場和磁場是同一事物的兩個方面——就像“手心”和“手背”，并且具有很高的對稱性。但是這種對稱性并不完美——發散的電場來自于電荷，而發散的磁場是不存在的，也就是說沒有發現磁荷（磁單極子）這種東西。難道目前沒有發現，就代表著宇宙中沒有這種東西么？有沒有可能磁荷是存在的，只是離地球比較遠而沒有被發現呢？出于對物理中對稱美的追求和向往，很多物理學家寧愿相信上帝在創造電荷的同時也創造了磁荷。物理學家狄拉克早在1931年就利用數學公式預言了磁荷的存在，之后許多實驗物理學家致力于在太空中尋找磁荷，甚至有報道稱發現磁荷存在證據，但是遺憾的是，這些實驗都無法重復，到目前為止都沒有確鑿的證據最終證明磁荷存在與否，這仍然是自然界中的未解謎題之一。

這樣圍繞一個物理知識講一個小故事，不但改善了課堂內容枯燥的弊病，而且容易引起學生的好奇心，并且加深學生對麥克斯韋方程的理解。筆者甚至在期末考試中出過這樣一道題：如果在2085年，科學家在太空中探索到了磁荷的存在，請問麥克斯韋方程需要如何改寫？

四、敢于觸碰前沿、悖論和未知

大學生都是20多歲的年輕人，他們喜歡新鮮的事物，并且對新鮮事物有著天然的敏感性和好奇心，如果每天講課的內容都是上百年的“舊知識”，他們自然是沒有興趣。在課堂上，每講一個知識點，再結合相關領域的前沿、悖論和未知，會激發學生的好奇心，促進他們獨立思考，并開闊他們的眼界。

超導是電氣工程中一個方興未艾的前沿領域，并涉及電磁場理論的各個方面。課堂上，可以從超導體被發現的曲折歷史故事開始講起，讓學生知道這世界上除了絕緣體、半導體和導體之外，還有一種電阻為絕對的零的“超”導體。這種超導體被做成電纜，可以不產生焦耳熱，損耗為零；做成電動機（或發電機）可以將體積減小一半以上，可以作為軍艦和潛艇的動力；超導線圈可以產生很強的磁場，可以做成醫療上使用的核磁共振儀。此外超導體還有抗磁性，使超導體在磁場中懸浮起來，這樣可以讓火車懸浮起來，貼地“飛行”；也可以讓陀螺懸浮起來，讓它作為導彈或者宇宙飛船的“指南針”；超導體甚至可以做成計算芯片，等等。但是超導體目前面臨的最大困難是，要想讓超導體電阻為零或產生抗磁性，需要把它冷卻到一個很低的溫度，但是有沒有不需要冷卻的超導體呢？很多研究人員在朝這個方向努力，但是誰都不知道答案，目前甚至連很多已知的超導體電阻為什么是零都不知道。

除了前沿領域，還有很多悖論和未知可以在課堂上提出來。比如電子是不是一個點電荷？球形閃電是怎么產生的？沒有電磁相互作用而只有引力相互作用的暗物質和暗能量、雙生子繆佯等等。

五、給學生留下問題

學生最缺乏的就是獨立思考和解決問題的能力。筆者有時候甚至認為，大學老師主要任務應該是提出問題，讓學生獨立思考和解決，而不是告訴他們答案。所以在課堂上可以提出很多問題，但是最好不要給出所有問題的答案，留一些問題，讓有興趣的同學獨立思考，和別人討論，對學生來說更有意義。大學教育應該注重學生的興趣，這是學生獨立思考和創新的動力源泉。

參考文獻：

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（責任編輯：王意琴）