“電動力學”課程教學改革的實踐探究*

萬 勇 李山東 云茂金 劉眉潔

（青島大學 物理科學學院，山東青島，266071）

“電動力學”課程教學改革的實踐探究*

萬 勇 李山東 云茂金 劉眉潔

（青島大學 物理科學學院，山東青島，266071）

“電動力學”是四大理論物理課之一。在問卷調查的基礎上，文章從分析學生的認知過程出發，就“電動力學”課程對教學內容、教學方式和網絡多媒體教學等進行了多方面的改革，以適應新形勢下人才培養的需要，并為課程改革提供借鑒。實踐證明，該課程教學改革取得了一定的成效，但也存在一些有待進一步解決的問題。

電動力學；理論物理；認知過程；教學改革

引言

“電動力學”是四大理論物理課之一，主要內容包括電磁場的基本屬性和運動規律、電磁場和帶電物質的相互作用以及狹義相對論等[1]。該課程對學生掌握電磁場的基本規律，加深對電磁場和時空觀的理解，獲得分析基本電磁場問題的能力，提高學生的科研能力等方面都具有重要意義[2][3]。因此，“電動力學”是理論物理、凝聚態物理、材料科學、電子科學等專業的一門必修課。

“電動力學”課程知識體系非常系統，而且諧振腔、波導、天線等知識與實際應用有緊密的聯系。但是，有不少學生覺得該課程偏難[4]。在該課程的學習過程中，一些學生的學習興趣不高，聽課的注意力不集中，課后不能認真預習和及時復習，甚至還有個別學生照抄別人的作業，最終其學習效果大打折扣。所以，需要從學生學習“電動力學”課程的認知過程出發，對課程教學進行改革探索[5][6]。

一 問題分析

自2011年起，本研究連續四年對青島大學物理科學學院應用物理、光信息、微電子、新材料、新能源五個專業的學生進行了相關“電動力學”課程的跟蹤問卷調查:第一次問卷的側重點是學生學習“電動力學”的方法和習慣；第二次問卷的側重點是多媒體和網絡在“電動力學”教學中的應用；第三次問卷的側重點是“電動力學”與其它物理課程的聯系。問卷調查所得結果主要包括如下幾個方面:

1 大部分學生覺得“電動力學”課程比較難學。

讓學生感到“電動力學”學習困難的主要因素有:矢量計算不適應，數學推導較難，一些物理概念抽象，了解原理、但不會解題，記不住公式等。

2 學生對先行課的掌握水平差異較大。

“電動力學”課程的先行課有“高等數學”、“電磁學”和“數學物理方法”三門。有些學生對這三門課的學習基礎不牢，特別是“數學物理方法”課，很多學生覺得該課程抽象，不清楚數學方程對應的物理問題、不知道多種數學問題解法的目的等，這對“電動力學”課程的學習影響較大。

3 多數學生希望傳統教學和多媒體教學相結合。

問卷調查結果顯示，單純喜歡“黑板+粉筆”教學方式或喜歡完全采用多媒體教學方式的學生都不超過1/3。另外，學生們很希望通過網絡平臺學習、了解“電動力學”課程及其相關的內容，并通過網絡及時發布信息、進行相互交流。

4 學生的學習方式影響知識結構的形成。

根據問卷調查結果，可知:超過 50%的學生沒有養成預習和及時復習的習慣；聽課時認真記筆記的學生也只占總數的1/3；只有近1/5的學生能夠全部獨立完成老師布置的作業，大部分學生只是基本上能夠獨立完成作業，有近1/5的學生不能獨立完成作業。學生的這種學習方式，嚴重地影響了他們知識結構的形成。

為了更好地解決這些問題，需要追根溯源，從學生學習物理的認知過程出發，找到“電動力學”課程學習過程的一般性和特殊性，并針對學生和學科的特點，在該課程的教學內容、教學方法、網絡和多媒體教學等環節進行教學嘗試和改進。

二 由物理認知模式分析“電動力學”的學習過程

學生的物理認知是指與物理知識學習密切相關的宏觀心理過程，包括學生原有物理知識的準備，對新物理知識內容的感知、理解和應用，新、舊物理知識在頭腦中的組織，以及感知、理解和應用物理知識習慣等。物理認知結構是學生自己頭腦中形成的物理知識結構，是學生對物理知識體系內容的理解和組織。學生相關物理認知的學習模式如圖1所示。

圖1 學生的物理認知學習模式

由圖 1可以看出，學生的物理認知學習模式是比較復雜的。物理認知學習開始于物理環境對學生的刺激。但需要注意的是，物理認知學習效果的影響因素不僅取決于物理概念和規律本身，還取決于學生的學習動機和學習興趣的激發。思維加工是認知過程的中心，它始終與學生的物理認知結構有關，所以對于改善學生的認知結構也非常重要。

1 學生學習動機和興趣的激發，是學習“電動力學”必要的心理準備

學生要正確把握物理現象和規律，首先需通過觀察、聽講、閱讀等方式感知物理情景。但當一些同學對“電動力學”越學越有興趣時，卻也有不少同學對該課程漸漸失去了學習的興趣。究其原因，主要就在于后者缺乏主動學習的動機，認為“電動力學”的數學推導太多、物理意義難于理解、對現實生活和科技沒有實際意義等。之所以如此，在于他們對該課程的知識體系、知識背景缺乏真正的了解，因此需要教師創設相應的情境來激發他們的學習動機和興趣。

2 具體感知與抽象思維是實現第一次認知飛躍的基礎

圖1顯示，思維加工過程分為感知物理現象、形成概念和掌握規律、解決物理問題三個階段。其中，感知物理現象就是讓學生對物理事實、物理現象和物理過程形成清晰而明確的認識，為其進一步的思維活動提供線索和依據。然后，思維加工進入形成概念和掌握規律的階段，學生的認識由感性上升為理性、由具體變為抽象，由此實現了認知的第一次飛躍。

在實現第一次認知飛躍的這一過程中，首先要建立物理表象，它是具體感知與抽象思維的必要過渡。建立具體的物理表象容易，建立一般的物理表象如電磁場、光速不變性、時空相對性等則比較困難，其過程是首先必須利用一些特殊的物理現象作鋪墊，待建立特殊表象后再推廣到一般情況。在原有認知結構的支持下，表象通過分類、概括、抽象等思維加工過程，就可以形成物理概念和規律。也就是說，不僅要清楚概念的內涵、外延和本質屬性，還要明確概念建立的依據，明確它與其它概念之間的區別與聯系，以重新組合自己的“電動力學”認知結構。

3 知識結構的形成和變通是實現第二次認知飛躍的基礎

只實現了第一次認知飛躍，并沒有完成物理的學習過程。因為只有解決了物理問題，才能鞏固、深化、活化物理概念和規律，才能對新的物理環境做出正確的反應，這個過程就是思維從抽象到具體、知識由理解變為會應用的過程，也就是認知的第二次飛躍。對于熟悉類型的簡單應用，需要學生從已有的認知結構中提取相關的物理知識和方法并將其運用到新的物理環境中。但對于較難的“電動力學”題目，則需要學生將學過的物理概念、原理和方法加以重新組合，形成新的模式，生成新的知識組塊，有時還需要進行復雜的邏輯推理和判斷。因此，學生不僅要正確掌握相關的物理概念和規律，還要掌握物理知識之間的聯系，避免先入為主、粗心大意和思維的片面性，要善于改變方式思考問題。

由圖 1可知，思維加工的每一階段都同物理認知結構密切相連。學生要建立自己的物理認知結構，首先要在頭腦里建立起物理概念和規律之間的聯系，即弄清各個物理概念和規律在同一個物理體系中的地位，以及它們是如何結合起來實現物理知識的整體功能的。只有這樣，學過的物理知識才不會雜亂無章地堆積在大腦中，而會以一定的結構方式和邏輯關系存在著，使知識呈現出一種有序的狀態。“電動力學”知識的有序性要變成學生自己知識結構的有序性，是學生下一步認知活動的必要準備，也是學生提升能力的重要基礎。

4 “電動力學”認知過程中的兩個突出特點

（1）“電動力學”認知結構的建立過程是復雜的。它不僅需要本身的物理概念、規律和方法組成相互關系，還需要下位數學知識、普通物理知識作支撐。也就是說，“電動力學”的學習，需要“高等數學”、“電磁學”、“數學物理方法”等學科知識組成的認知結構為基礎；如果數學、普通物理等的知識基礎不牢，就會對“電動力學”的學習產生負面影響。

（2）“電動力學”認知結構的建立還反映在物理觀念的變革上。如經典力學中關于機械論的物質觀念和時空觀念、電磁場理論中關于場的觀念、相對論中關于時空的相對性等，都是形成“電動力學”認知結構的前提。

三 “電動力學”教學改革實踐

綜上所述，“電動力學”認知過程確實有其獨特之處。在教學實踐和改革的過程中，教師首先必須改變觀念，既要分析教材內容，又要分析學生的認知過程，以選擇合適的教學方法，同時還要注意以下問題:

1 了解學生的學前準備情況

學前準備包括認知準備和動機準備兩個方面。在認知準備方面，教師要了解學生的原有知識水平，注意學習內容與原有認知水平之間的差異，不論是數學知識的不足還是“電動力學”概念的不清，都應該了解清楚、查缺補漏。而在動機準備方面，教師可以在講課的時候，對電磁場概念予以生動形象的描述，重在說明其物理意義，而不是只是簡單地進行公式運算；教師可以增加與“電動力學”密切相關的各種知識如生活中的電磁現象、電磁理論在高新技術中的應用等的講解；另外，老師不要一味地只顧講解，還可以采用討論課或運用動畫模擬等形式開展教學，并增加網絡教育等課外環節來激發學生的學習動機和學習興趣。

2 “電動力學”學習也要注意建立物理表象

隨著“電動力學”推導的增多，許多學生只注意數學結果，而不注意其物理意義。如麥克斯韋方程組包含極其豐富的電磁場理論知識，學生學習時不應只記住公式本身，還應該理解它在穩恒場、迅變場和相對論條件下的不同形式。再如相對論，學生學習時也不應只記住其公式，更應該知道其時空觀與經典理論的本質區別。

3 應注意糾正學生解決問題時所用的一些錯誤方法

“電動力學”的相對計算要求較高，但學生應注意:對該課程中所涉基本概念和規律的理解是基礎，不應只追求結果，而忽視物理過程、空間關系和數量關系的分析；應及時復習和預習，不要機械地套用公式和例題，而應該根據題意，有效利用學過的知識，靈活調整解題的步驟；要善于尋找隱蔽的條件、限制條件等，為解決問題打開突破口。

4 將多媒體教學與傳統教學相結合

教師在講授“電動力學”課程時，既要注意板書的應用，也要充分利用多媒體和網絡的優勢。如教師可以將課程中相關一般電磁波傳播、天線和波導電磁場分布等許多抽象的物理圖像通過動畫或模擬圖像的形式展現出來，以幫助學生更好更快地理解相關概念；可以將多媒體課件按照學習目標、預備知識、知識展開、鞏固練習和總結等教學過程展開，并通過網絡將課件發給學生以隨時隨地進行預習和復習；可以利用網絡平臺跟學生交流各種問題，形成良好互動。

5 在教學改革中，發揮教師教學的個性特點和主動性

教師不僅可以利用物理學史、實驗、計算機模擬等多種途徑講授“電動力學”內容，還可以根據教學設計的原則和自己的教學特點進行相關內容設計。如每章學習結束后，讓學生自己進行章節小結；把習題課變為老師和學生的共同討論課；積極倡導學生開展課程論文寫作；引導學生更多地了解“電動力學”知識在當代科技中的具體應用等。

四 反思和總結

青島大學近幾年的“電動力學”課程改革始終從學生的認知過程出發，以學生的全面發展和個性化成才為目標。同時，為適應素質教育和創新的新形勢，該課程還在具體教學內容方面做了很多改革，如融合多種教學方式，以彌補集中教學的不足；設計并應用多種“電動力學”教學課件，充分發揮多媒體和網絡技術在教學中的作用等。該課程的教學改革，激發了學生學習“電動力學”課程的興趣，形成了比較完善的“電動力學”知識結構，并能在實踐中順利地應用“電動力學”相關的基本知識。2012年，該課程被評為了山東省精品課程。

但是，該課程的教學改革也還存在著一些有待進一步解決的問題。如學生的基礎參差不齊，對“電動力學”學習的負面影響不能完全消除；雖然通過預先講解矢量計算、每節課提前做好課前準備、課后認真預習并及時復習等方法，可能會使這一負面影響有所緩解，但由于學習“電動力學”需要多門課的知識儲備，因此還有個別同學不能達到“電動力學”課程的學習要求；在我國的教育評價系統中，學生仍然必須記住公式和規律，學校考試也仍然注重卷面考試，而學生的平日表現、作業和課程論文等內容在總成績中所占比重過少……這些問題的解決，將成為“電動力學”課程教學改革今后的努力方向，并推動著整個教學改革的進一步發展。

[1]楊薇.信息技術與電動力學課程整合的理論和實踐[D].武漢:華中師范大學,2007:7-26.

[2]鄭偉,呂嫣.電動力學網絡教學平臺建設的研究[J].沈陽師范大學學報(自然科學版),2013,(4):531-534.

[3]馮云光.物理專業電動力學教學改革的探索[J].才智,2014,(19):90.

[4]劉佳.“電磁學”與“電動力學”課程體系創新研究[J].科技信息,2013,(11):44.

[5]萬勇,王美.普通物理教學改革的幾個熱點[J].中國大學教學,2007,(9):37-38.

[6]葉愛敏,鄭曉麗.基于混合式學習的“電視節目編導與制作”實踐教學改革[J].現代教育技術,2012,(2):111-116.

編輯:小米

Research on Teaching Methods for Electrodynamics Curriculum

Wan Yong Li Shan-dong Yun Mao-jin Liu Mei-jie
(Department of Physics, Qingdao University, Qingdao, Shandong, China 266071)

Electrodynamics curriculum is the obligatory course for science and engineering students. Based on years’teaching practice and questionnaire survey, the paper, starting from the analysis of cognitive process of students,conducted the teaching reform of electrodynamics curriculum in the aspects of content, teaching methods, internet and multimedia courseware to adopt to the new situations and requirements of cultivating talents. Although there are some problems to be solved further, the anticipated effect has obtained in the teaching practice which will provide helpful suggestion on the electrodynamics curriculum teaching reform.

electrodynamics; theoretical physics; congnitive process;teaching reform

G40-057

A 【論文編號】1009—8097（2015）09—0122—05

10.3969/j.issn.1009-8097.2015.09.019

本文為山東省高等學校省級精品課程“凝聚態物理基礎課程‘電動力學’”（課程批準號：2012-111）的階段性研究成果。

萬勇，副主任，教授，博士，研究方向為光子晶體缺陷中的電磁波傳輸規律，郵箱為wanyongqd@hotmail.com。

2015年2月28日