大學先修——電磁學課程建設的思考與實踐

張 健

(北京師范大學第二附屬中學　北京　100088；北京師范大學物理系　北京　100875)

王 華

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大學先修——電磁學課程建設的思考與實踐

張 健

(北京師范大學第二附屬中學北京100088；北京師范大學物理系北京100875)

王 華

指導教師：李春密(1966-)，男，博士生導師．研究方向為物理課程與教學論．

(北京師范大學第二附屬中學北京100088)

李春密

(北京師范大學物理系北京100875)

摘 要：中國大學先修課程在國內剛剛試行，廣大一線教師積極探索最優化的教學模式．本文以電磁學課程為例，探討電磁學課程建設中教學目標的確定、教學內容的選擇、教學方法的使用、教學形式的選擇等問題，以期為先修課程進一步推廣提供參考．

關鍵詞：大學先修課程CAP電磁學課程建設

1中國大學先修課程(CAP)

《中國中長期教育改革與發展規劃綱要》中明確指出對于人才的培養要“樹立系統培養觀念，推進大中小學有機銜接，教學、科研、實踐緊密結合”、“形成體系開放、機制靈活、渠道互通、選擇多樣的人才培養體制”．具體于高中階段教育則強調“創造條件開設豐富多彩的選修課，提高課程的選擇性，促進學生全面而有個性的發展”、“推進培養模式多樣化，滿足不同潛質學生的發展需要，探索發現和培養創新人才的途徑．”中國大學先修課程就是在這種時代背景下孕育產生的．

本文所談的中國大學先修課程(ChineseAdvancedPlacement，簡稱CAP)是由北京大學考試院支持建設于2013年在全國110多所中學開始試行的選修性課程．它是在借鑒美國AP課程成功經驗的基礎上，結合中國教育現狀、中國現有課程體系與評價機制，為中國高中生“量身定做”的，旨在讓學有余力的高中生提前了解大學課程內容，體會大學階段分析與處理問題的思維與方法，發揮學生的學習潛質，探索合適于自我的發展方向．

中國大學先修課程是中國教育改革、高校招生多元化發展的產物．開設大學先修課程的意義在于：

第一，深入挖掘學生個性潛能，滿足學生渴望深入理解問題的欲望，開闊學生視野，尤其為那些在基礎學科具有天賦的優秀學生提供了發展的平臺；

第二，有效地實現了基礎教育與高等教育銜接，打造系統化的人才培養模式；

第三，有利于改變高中應試教育導向、學生發展單一的局面，為中學提供了豐富的選修課程資源；

第四，它對于創新拔尖人才的培養與選撥具有不可替代的作用．

2大學先修——電磁學課程定位

電磁學是一門重要的基礎課程，是經典物理學的基本組成部分之一，與近代自然科學、技術科學都有著密切的聯系．從電磁現象的發現、電磁定律的確定、電磁場理論的建立到電子的發現及物質微觀電磁結構的揭示、電磁技術的廣泛應用等，電磁學發展過程中蘊藉了豐富的物理思想與物理方法．尤其是物理學的研究對象由“看得見、摸得著”的、有靜止質量的實物變成了“虛無縹緲”的、無靜止質量的電磁場，這引起了一系列的深刻變化，例如要用源與旋、通量與環流、高斯(Gauss)定理與環路定理描述矢量場的分布特征等，這正是開設電磁學先修課程的原因．

第一，電磁學是科學家創新意識的結晶．在研究電荷間相互作用力時，普里斯特利(Priestley)類比萬有引力規律提出電荷間的力f∝r-2；在電流的磁效應現象發現后，安培大膽思考“電流與電流之間存在相互作用”，進而提出安培定律；以及麥克斯韋(Maxwell)電磁場理論的建立，這些都是物理創新思想的典范．

第二，電磁學是科學家執著科學、不畏艱辛的見證．1820年奧斯特發現“電能生磁”，電磁學集大成者法拉第篤信物理學的“對稱美”，在1820～1831年間尋找“磁生電”，但因為當時磁學研究停留在“靜止”與“恒定”條件上，而電磁感應是在變化中產生，是暫態效應，因而困難重重，稍縱即逝，法拉第憑借著對科學的執著、對真理的追求終于1831年提出了電磁感應定律，奠定了電氣時代到來的基礎．

第三，電磁學是一門方法論科學．電磁學發展過程最能展現物理學分析問題的思維與方法，譬如麥克斯韋采用類比的方法研究法拉第力線，通過對比不可壓縮流體的流速場，提出用通量、環流等概念刻畫矢量場；建立電偶極子模型，進而說明電介質極化的微觀機制，探討電介質極化的規律；注重對稱性分析，結合高斯定理、環路定理求解場強；利用虛功原理通過靜電能的變化求解力等．

第四，電磁學是理論與實驗的完美結合．靜電場基本定律——庫侖定律說明電力滿足平方反比律，庫侖(Coulomb)通過扭秤、電單擺實驗研究；為了精確驗證電力平方反比律，卡文迪什(Cavendish)和麥克斯韋設計了示零實驗．拉法第通過電磁旋轉實驗制造了人類歷史的第一臺電動機；他通過多次實驗提出了電解定律；又于1843年做了著名的冰桶實驗，它被認為是電荷守恒定律第一個令人滿意的實驗證明[1]．在麥克斯韋預言電磁波之后，是赫茲通過電火花實驗證明之，確立了光波與電磁波的同一性，實現了光學和電磁學的統一．可以說電磁理論的發展伴隨著實驗技術的發展，推動了技術的進步．

可見，在中學階段開設電磁學課程對于提高學生的物理學科素養，培養其創新意識與創新能力，促進學生科學精神養成都是大有裨益的．

3大學先修——電磁學課程的建設

電磁學是理工科院校大一年級的必修課，對學生的物理思維、數學工具都有比較高的要求，超出中學生現有階段的能力，因此學校必需對課程進行建設，對教學內容進行整合，明確教學目標，采用適合中學生發展的教學方法，使課程價值最大化．

3.1創新教學理念

電磁學先修課程基于學生現狀，立足于學生的長遠發展，以問題探究為導向，培養學生的物理思維能力、創新意識與創新實踐能力，滿足學有所長同學的需求，開創一種培養和選撥尖端人才的模式．

3.2明確教學目標

通過電磁學學習過程，要求學生理解基本物理概念，包括物理概念提出的意義，物理概念的內涵及各物理概念間的聯系，如電介質極化中引入電位移矢量D，它是一個輔助矢量，與介質內場強Ε與極化強度矢量P有關D=ε0E+P，不會改變靜電場無旋的性質；深刻理解物理規律，了解規律提出的背景、研究過程中的猜想假設、實驗設計、規律的定量表述、成立條件、使用范圍度及其理論地位、近代發展及應用等；注重物理思維方法的訓練，比如對稱分析、疊加法、力線法、等效法等；感悟物理學家執著于科學研究的精神，學習其敢于面對挑戰，篤信真理的治學態度，從知、能、意、行諸方面促進學生全面發展．

3.3優化課程內容

電磁學先修課程內容包括靜電場、靜電場中的導體和電介質、穩恒電流、恒定磁場、電磁感應、磁介質、交流電和麥克斯韋電磁場理論8部分內容[2]．

(1)教師在內容選擇上要有所側重，整個電磁學先從靜電場出發，再研究穩恒磁場、電磁感應、直到電磁場理論建立．研究對象是矢量場，研究場的基本性質(有源無源、有旋無旋)，場對物質的作用及物質對場的響應，場的能量及場的分布與傳播問題，因此加強對靜電場教學，使學生體會這新穎的研究方法——高斯定理與環路定理；磁介質及磁化規律則可以相對降低難度，對于磁荷觀點簡單介紹即可．

電磁學中利用虛功原理求解力、利用鏡像法求解場強、靜電場邊值條件的唯一性定理、A-B效應、磁矢勢等內容的深入理解需要電動力學知識，不必向學生過多介紹，避免產生認識負荷．

(2)電磁學與技術革新聯系緊密，在教學過程中教師要靈活運用教科書內容，對于那些對當代科技有深遠影響的物理原理或物理效應，應該介紹其應用價值．比如講解超導體內容時，學生了解了邁斯納效應后可以帶領其參觀高校演示實驗室，目睹超導磁懸浮現象，激發其學習興趣；在學習了霍爾效應后，可以安排學生以小論文的形式說明霍爾效應的實際應用，一方面培養學生收集信息、自主學習的能力，另一方面加深其對所學內容的理解．

(3)電磁學問題分析需要學生掌握微積分的知識(二重積分即可)、矢量的叉乘與點乘，還需要利用到數學場論中的高斯定理與斯托克斯公式，學生應能在球坐標系下求解問題，這些內容教師應該在學習之前補充，減少對物理理解的障礙．

3.4改革教學方法

教學對象的改變勢必引起教學模式與方法的變化，中學生不具備大學生那種敏銳思考問題的方式，數學功底相對薄弱，抽象性思維尚處于發展階段，但其對新鮮事物充滿好奇，探索欲望更強，因此教師應該在講授法基礎上開發適合中學生認知特點的教學方法．

中學生邏輯思維能力處于發展階段，更多依托于形象思維認識問題，生動有趣的演示實驗既能促進知識的理解，又能吸引學生眼球．比如尖端放電、電單擺、法拉第籠實驗、利用范德格拉夫起電機演示人體帶電，頭發像電場線一樣垂直于頭部；對比楞次定律、電磁驅動、渦流熱效應、三相旋轉磁場演示器等形象說明了物理原理，有利于學生知識的構建．

3.5豐富教學形式

在教學實踐中，除了常規的課堂教學外，我們開展物理論“談”，教師選擇一些開放性題目要求學生以論文形式進行論述，這些題目具體指向不明確，旨在提高學生分析和處理問題的能力，幫助學生建立概念間聯系，把握物理規律的實質，比如“說明庫侖定律與疊加原理的關系”、“同種電荷一定相互排斥嗎？”、“當能量連續分布時，靜電場能量的3個公式的區別？”“求解中子星磁場的極限值”[3]等等．這些問題需要學生去閱讀課外書籍與文獻，搜集信息并整理，自主地獲取知識并不斷地與合作者討論，彼此交流觀點，思維進行碰撞．

在教學中為了拓寬學生視野，聆聽大師對于物理的認識，我們聘請北京大學物理學院王稼軍教授為同學做專題講座，講解物理規律的建立過程，物理學家超群的創新思維與創造技巧(專題報告的具體內容見表1 )．

表1　專題報告的具體內容

3.6開發課程資源

課程資源開發是課程本土化的一個重要標志，也是課程建設的重要環節．

首先應該積極與高校合作，組織教師參加先修培訓，提高業務素質與能力；聘請高校學科專家進行教學指導，進行專題報告；與演示實驗室溝通，使學生有機會看到新奇的物理現象，感受物理就在身邊．

其次，發揮網絡資源的巨大作用，指導學生在中國大學資源共享課或MOOC里學習電磁學課程，豐富了學生學習的途徑，實現線上線下互動學習，學生收獲頗豐．同時應與其他試點學校保持溝通，及時交流，探討教學中遇到的問題，不斷地獲取外界信息．

大學先修課程是中國基礎教育改革的產物，順應了社會對于人才培養的需求，為系統化培養人才提供了一種思路，滿足了不同學生的個性需求，可以預言其發展前景是廣闊的．對于基礎教育工作者而言，迎接了挑戰也是把握了機遇，應該積極探索高效率的教學模式，推動CAP的發展進程．

參 考 文 獻

1陳秉乾,舒幼生,胡望雨.電磁學專題研究.北京：高等教育出版社,2001.99～101

2王忠亮,封小超.電磁學討論.成都:四川教育出版社,1988.73～76

3陳秉乾,王稼軍.大學物理通用教程——電磁學.北京:北京大學出版社,2012

University-Level Advanced Placement——Reflection

and Practice on Electromagnetism Course Construction

Zhang Jian

(The second high school attached to Beijing Normal University,Beijing100088；

Department of Physics，Beijing Normal University, Beijing100875)

Wang Hua

(The second high school attached to Beijing Normal University,Beijing100088)

Li Chunmi

(Department of Physics，Beijing Normal University, Beijing100875)

Abstract:Chinese Advanced Placement has been put into practice recently, many teachers begin to explore the most effective teaching method. The article takes the electromagnetism course for example to introduce the determination of the goals of teaching, the selection of the content of course, the use of various teaching method and so on and to expect to promote the development of CAP.

Key words:Chinese Advanced Placement；CAP；Electromagnetism；construction of course

收稿日期：(2015-03-30)

作者簡介：張健(1988-)，男，中教二級，研究方向為物理課程與教學論．