淺談物理圖像在《電磁學》教學中的應用

沈嬌艷++程新利

【摘要】《電磁學》是物理專業一門十分重要的基礎課，涉及較多的后續課程。通過多年來的教學實踐，筆者發現建立物理圖像，抓住物理本質，提高學生的學習興趣對于《電磁學》教學質量的提升具有十分重要的意義。

【關鍵詞】物理圖像 電磁學 教學方法改革

【中圖分類號】G633.7 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2016）09-0171-02

近年來隨著就業壓力的增大，填報物理師范專業志愿的學生越來越少，生源的素質有所下降。此外，為了提高師范生的就業技能，留出更多的時間用于教育和生產實習，許多原本屬于高年級的課程下放到低年級學習。在這樣的背景下，教師的授課難度越來越大。《電磁學》是一門物理學專業的核心必修課，涉及較多的后續課程，例如《電動力學》、《電介質物理和器件》和《電路分析基礎》等。通過多年來的教學實踐，筆者發現建立物理圖像，抓住物理本質，提高學生學習物理的興趣對于《電磁學》教學質量的提升具有十分重要的意義。

什么是物理圖像？不同的學者對這一概念的理解各有偏差。在大學物理中，物理圖像不僅指兩個物理量之間的函數關系，還指數學公式的物理內涵或物理過程演繹的規律性。通俗來講，是指在學習物理公式的過程中腦子里建立的“畫面感”——就是把事物之間的聯系從理性認識變成感性認識最后固化成物理直覺。對于剛剛學了高等數學，并利用微積分等數學知識來演繹物理規律的學生而言，建立物理圖像是很困難的。為了使低年級本科學生建立起清晰的物理圖像，我們認為應當加強以下幾個方面的工作：

一、物理規律與數學知識的有機結合

作為一名學習物理的學生，不應當將物理當成應用數學。數學是為了表達物理量之間的關系而引入的，而不是為了做計算引入的。例如，電磁場的麥克斯韋方程組，積分形式、微分形式乃至張量形式，從數學角度來說是截然不同的東西。從物理角度來說，盡管所用的數學語言越來越抽象，實際上表達的都是電場磁場的內在聯系，物理圖像上沒有什么差別。物理學是實驗現象和實驗規律的總結，在授課過程中，教師應當盡可能先展示實驗現象，讓學生自己去總結物理規律，以建立初步的物理圖像，這樣才不會迷失于越來越復雜的數學推導。舉例來說，在學習磁場的過程中，通過實驗展示，學生很快會發現每一條磁感線都是閉合的。他們很容易接受“磁場是無源場”這一概念。然后在推導高斯定理時，因為磁場的無源性，對于一個封閉的曲面，不存在“磁單極子”接收磁感線，進去一條磁感線，必然會出來一條磁感線，因此磁場的高斯通量為零。然后通過嚴格的數學推導，將高斯定理的積分形式轉變為微分形式，即磁場的散度為零。以后，學生在聽到“散度為零”時，他就懂得里面存在一個無源的矢量場。這樣，本來是基于實驗得到的物理圖像就變成基于數學公式聯想到的物理圖像，達到數學與物理有機結合的目地。從認知規律的角度，這是一種認知層次的提升。

二、物理抽象規律和過程的“可視化”

在學習電磁學的過程中，電場和磁場因為分別引入了電場線和磁感線作為形象化的手段，學生比較容易想象物理量的大小和方向。但是有些物理量比如能量，既看不見也摸不著也沒有“能量線”之類的輔助手段，在授課過程中又如何讓學生較好地掌握其物理圖像呢？電磁學關于能量的學習一直是難點之一，涉及的能量種類繁多，包括點電荷體系的自能和互能、導體組的能量、電容器的儲能以及通電線圈的儲能等。例如賈起民等編著的《電磁學》一書中有近十處章節提及能量的問題[1]，其它如趙凱華版[2]和梁燦彬版[3]的《電磁學》也多次提及能量的問題，而且這些章節遍布全書。如果學生不明確每種能量說明的物理圖像，不了解這些物理圖像之間的聯系和差別，只是死記硬背公式，一定會弄得頭昏腦脹，甚至張冠李戴。因此，我們曾嘗試依照循序漸進的規律，不拘泥于課本安排的授課順序，將電場能量和磁場能量分別作為兩個單獨的體系，從學生熟悉的知識點——力作功和能量守恒定律出發，得到各種電荷體系的靜電能量的場源表示形式，再經過數學推論得到能量密度的表示形式并推廣到極化電場的情形，從中揭示了電場能量的物理本質。對于磁場能量也作了類似處理，最后水到渠成得到了電磁場的能量密度及能流的坡印亭矢量。在授課過程中，因為針對的是同一個知識點的變遷和演化，學生通過類比，容易針對每一種能量建立清晰的物理圖像，而且在教學過程中，培養了學生的物理分析能力和數學邏輯思維能力，已初步取得了良好的教學效果。

綜上所述，研究物理圖像對本科教學的促進作用，將抽象的物理概念和規律具體化，使學生更好地掌握和理解電磁學的概念和規律是值得思考和有意義的問題。

參考文獻

[1]賈起民，鄭永令，陳暨耀.電磁學（第二版）[M].北京：高等教育出版社，2001.

[2]趙凱華，陳熙謀.電磁學[M].北京：高等教育出版社，2003.

[3]梁燦彬，秦光戎，梁竹鍵.（第二版）[M].北京：高等教育出版社，2004.

基金項目：

江蘇省教育廳教學改革研究重點項目（2015JSJG058），蘇州科技學院校級重點專業應用物理學專業建設項目（2013ZYXZ-08）。endprint