基于演示實驗的電磁學課堂教學改革

陳苗根+于明州+焦志偉

摘要：本文介紹了中國計量大學物理系基于演示實驗的電磁學課堂教學改革。我們實踐發現，在電磁學課堂教學過程中，引入實物演示實驗和視頻動畫演示實驗，極大地改善了課堂教學效果，提高了教學質量，而且師生關系也得到了加強。

關鍵詞：演示實驗；電磁學；教學改革

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）02-0269-02

一、現實背景

美國物理學家密里根曾說過：“科學靠兩條腿走路，一是理論，一是實驗；有時一條腿走在前面，有時另一條腿走在前面。只有使用兩條腿，才能前進。”物理學是一門集理論和實驗的綜合性學科，其中許多的物理規律就是在實驗中被發現、總結、驗證。而電磁學是物理學本科專業的必修課程，同時也是一門基于實驗的主干課程。它是物理學的一個重要分支，是研究電和磁的相互作用現象，其內容主要包含電現象、磁現象和電磁現象，其知識體系具有一定的抽象性，許多物理原理的解釋必須要借助實驗的現象才能有深刻地理解。此外，電磁學的知識部分是比較枯燥的，教學過程中存在一定的難度，學生們聽課也容易產生畏懼情緒，進而會影響教學質量。

在過去很長一段時間里，國內的課堂教學模式，一般采用講授法，即老師在講臺上講，學生在下面聽，而且唯書本是從，忽略了實踐動手操作的重要性，對實驗的重視程度遠遠不夠，在實際的課堂教學環節中很少有實驗教學的出現。在這樣的背景下，想要在課堂教學過程中推廣演示實驗具有一定的難度。但是課堂教學演示實驗具有獨特的知識性、趣味性、示范性和實踐性，對學生的理解和動手能力的培養有很大的幫助。

近期，隨著多媒體技術在教學中的廣泛應用，教師不再局限于用它來展示物理概念、規律的文字描述以及公式的推導，也逐漸引入一些物理過程的視頻動畫等來代替實物操作的演示實驗，在一定程度上改善了課堂教學效果。而在國外，很多大學如麻省理工學院的物理教學過程中，通過助教配合，運用道具演示一些比較簡單且容易實現的實驗，使得學生更加直觀地來理解物理概念或者含義。我們不難發現，在物理課堂教學中引入演示實驗，其重要性是顯而易見的。另外，隨著演示實驗在大學課堂教學中的作用日益凸顯，對其進行的研究也越來越多。

二、研究意義

正如前面所說，物理學是一門以觀察和實驗為基礎的自然科學，物理學的概念、規律及公式等往往是以實驗為基礎的。因此物理教學實驗就成了物理學課堂教學不可或缺的組成部分。傳統意義上的物理教學實驗主要可以分為探究性實驗與演示性實驗。兩者之間最主要的區別是實驗目的的不同。探究性實驗要求學生參與實驗的設計與操作，目的在于加強學生的實驗設計思維能力與實際動手操作能力。與之相對，演示性實驗更多的是教師在教授物理學的概念、規律及公式的同時向學生演示相關實驗，這類實驗一般要求實驗可操作性強以及實驗現象明顯，目的在于加深學生對于其物理概念、規律及公式的理解與記憶。

目前對于物理課堂教學和實驗教學這一塊的教學模式仍然是非常的單一，往往只注重課堂教學，而不注重物理實驗教學。這不僅與有些院校不夠重視物理實驗教學有關，還有就是沒有真正認識到物理實驗的本質作用。另外，僅僅把物理實驗當作一種課堂訓練或是一種技能是不夠的。演示實驗是作為教學中的一項重要教學內容。通過理論講解和演示實驗的結合，它可以實現一些抽象的物理現象或物理活動的再現，從而加強學生對抽象物理活動和物理現象的認識和理解，幫助學生掌握和歸納物理規律，還能培養學生的觀察能力和邏輯思維能力，進而激發學生的學習興趣，提高學生的學習效率。

三、改革與實踐

電磁學的課堂教學從研究對象及內容上相對于物理學的其他分支有著更大的挑戰性，這主要體現在電磁學的概念更加抽象，規律及公式更加深奧，相關的物理現象也更加復雜。這不僅對學生的理解能力提出更高的要求，客觀上也加大了教師的教學難度。傳統的電磁學教學模式是教師在課堂上講解，學生被動地在聽，這個模式是以教師為中心的一種教學模式，這種方法是有諸多弊端的。雖然教學過程中可能有師生互動的情節，但是通過實際的課堂教學反饋，發現了很大一部分學生在電磁學理論的學習上遇到了比較大的困難。

因此，對電磁學課堂教學的改革就顯得尤為重要，我們在中國計量大學物理系的電磁學課堂中引入了演示實驗，其中包括實物操作和視頻動畫演示實驗，將理論教學與演示實驗相結合。通過這種教學模式與傳統的教學模式進行對比，就可以清楚地知道實行課堂改革之后的效果和作用。針對電磁學的教學內容，我們通過以下三個部分來具體分析。

1.電學演示實驗在課堂教學中的作用。相對于電磁學的其他分支，電學本身包含的難點并不是很多，但電學是電磁學的基礎，對電學的學習是整個電磁學的入門階段，在這一階段，學生還未形成對電磁學特有的認知，也沒有形成特定的思維方式，所以往往在理解電磁學概念時表現出一定的主觀性、片面性和表面性。針對這些問題，我們引入了避雷針演示實驗讓學生尖端放電現象，從而幫助學生加快電學知識的認知及加深對于電學概念的理解。

2.磁學演示實驗在課堂教學中的作用。在這個電磁學理論中磁學部分占了相當大的內容，并且磁學的內容比之前的電學難度更大，故而磁學演示實驗在課堂教學中的作用更加突顯。在實際教學環節中，我們引入安培力演示實驗，學生就很容易明白通電導線在磁場中是怎么受到磁場力的作用的。對于課堂里比較難做的實驗，我們用視頻動畫演示，然后做進一步的講解和討論。

3.電磁學演示實驗在課堂教學中的作用。在電磁學學科發展歷史中，電磁感應現象被發現之后，原本兩個相對獨立的學科——電學與磁學，發展成為了一個密不可分的整體。從這個意義上講，在現在及未來很長的一個歷史階段，經典電磁學研究的重點將是有關電與磁的相互聯系以及相互作用。結合這樣的一個大背景，對于電磁學的學習不僅要重視電學與磁學的學習，更重要的是在此基礎上對電磁相互作用的學習。但電和磁一相互作用，在實際教學環節中，我們發現學生就很難來理解其物理概念或者含義。所以我們引入多個課堂演示實驗，例如引入楞次定律演示實驗來理解磁場的變化是如何產生電的。另外，也引入多個視頻動畫演示，使得學生直觀地理解相關的物理概念或者含義。

通過實踐，我們發現，在課堂上經過教師對物理知識的講解和梳理，再結合簡單方便、直觀明了、形象生動的物理演示實驗，將這些抽象、復雜的物理過程或現象展現在學生面前，能夠讓學生切身地感受到電磁學在生活中的存在，從而有效地幫助學生理解并掌握其中的相關知識，從而極大地改善課堂教學的效果。另一方面，演示實驗可以將抽象理論概念轉化為直觀的實驗現象呈現給學生，進一步地引導學生思考和探索問題，從而提高了課堂的教學質量，學生的學習效率也有了很大的提高。與此同時，以演示實驗觀察提高理論水平，拓寬了學生的想象思維，對培養學生的創新能力也起了一定的作用。此外，通過講解和演示，師生之間的這種教與學的親密性、互動性也得到了加強，學生更愛學，老師更愛教。

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Classroom Teaching Reform of Electromagnetics Based on Demonstration Experiments

CHEN Miao-gen，YU Ming-zhou，JIAO Zhi-wei

（Physics Department，China Jiliang University，Hangzhou，Zhejiang 310018，China）

Abstract：The course teaching reform of electromagnetics based on the demonstration experiments in Physics Department of China Jiliang University is presented in the paper. We find that the classroom effect and the quality of teaching have been greatly improved and the relationship between the teacher and students has been strengthened，after the introduction of the demonstration experiments including practical operation and animation video demonstration in the course teaching of electromagnetics.

Key words：demonstration experiments；electromagnetics；teaching reform