基于演示實驗的電磁學(xué)課堂教學(xué)改革

陳苗根+于明州+焦志偉

摘要：本文介紹了中國計量大學(xué)物理系基于演示實驗的電磁學(xué)課堂教學(xué)改革。我們實踐發(fā)現(xiàn)，在電磁學(xué)課堂教學(xué)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(xué)效果，提高了教學(xué)質(zhì)量，而且?guī)熒P(guān)系也得到了加強。

關(guān)鍵詞：演示實驗；電磁學(xué)；教學(xué)改革

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

一、現(xiàn)實背景

美國物理學(xué)家密里根曾說過：“科學(xué)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(xué)是一門集理論和實驗的綜合性學(xué)科，其中許多的物理規(guī)律就是在實驗中被發(fā)現(xiàn)、總結(jié)、驗證。而電磁學(xué)是物理學(xué)本科專業(yè)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(xué)的一個重要分支，是研究電和磁的相互作用現(xiàn)象，其內(nèi)容主要包含電現(xiàn)象、磁現(xiàn)象和電磁現(xiàn)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(xiàn)象才能有深刻地理解。此外，電磁學(xué)的知識部分是比較枯燥的，教學(xué)過程中存在一定的難度，學(xué)生們聽課也容易產(chǎn)生畏懼情緒，進而會影響教學(xué)質(zhì)量。

在過去很長一段時間里，國內(nèi)的課堂教學(xué)模式，一般采用講授法，即老師在講臺上講，學(xué)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(xué)環(huán)節(jié)中很少有實驗教學(xué)的出現(xiàn)。在這樣的背景下，想要在課堂教學(xué)過程中推廣演示實驗具有一定的難度。但是課堂教學(xué)演示實驗具有獨特的知識性、趣味性、示范性和實踐性，對學(xué)生的理解和動手能力的培養(yǎng)有很大的幫助。

近期，隨著多媒體技術(shù)在教學(xué)中的廣泛應(yīng)用，教師不再局限于用它來展示物理概念、規(guī)律的文字描述以及公式的推導(dǎo)，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(xué)效果。而在國外，很多大學(xué)如麻省理工學(xué)院的物理教學(xué)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(xiàn)的實驗，使得學(xué)生更加直觀地來理解物理概念或者含義。我們不難發(fā)現(xiàn)，在物理課堂教學(xué)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(xué)課堂教學(xué)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(xué)是一門以觀察和實驗為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，物理學(xué)的概念、規(guī)律及公式等往往是以實驗為基礎(chǔ)的。因此物理教學(xué)實驗就成了物理學(xué)課堂教學(xué)不可或缺的組成部分。傳統(tǒng)意義上的物理教學(xué)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(qū)別是實驗?zāi)康牡牟煌Ｌ骄啃詫嶒炓髮W(xué)生參與實驗的設(shè)計與操作，目的在于加強學(xué)生的實驗設(shè)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(xué)的概念、規(guī)律及公式的同時向?qū)W生演示相關(guān)實驗，這類實驗一般要求實驗可操作性強以及實驗現(xiàn)象明顯，目的在于加深學(xué)生對于其物理概念、規(guī)律及公式的理解與記憶。

目前對于物理課堂教學(xué)和實驗教學(xué)這一塊的教學(xué)模式仍然是非常的單一，往往只注重課堂教學(xué)，而不注重物理實驗教學(xué)。這不僅與有些院校不夠重視物理實驗教學(xué)有關(guān)，還有就是沒有真正認(rèn)識到物理實驗的本質(zhì)作用。另外，僅僅把物理實驗當(dāng)作一種課堂訓(xùn)練或是一種技能是不夠的。演示實驗是作為教學(xué)中的一項重要教學(xué)內(nèi)容。通過理論講解和演示實驗的結(jié)合，它可以實現(xiàn)一些抽象的物理現(xiàn)象或物理活動的再現(xiàn)，從而加強學(xué)生對抽象物理活動和物理現(xiàn)象的認(rèn)識和理解，幫助學(xué)生掌握和歸納物理規(guī)律，還能培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力和邏輯思維能力，進而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。

三、改革與實踐

電磁學(xué)的課堂教學(xué)從研究對象及內(nèi)容上相對于物理學(xué)的其他分支有著更大的挑戰(zhàn)性，這主要體現(xiàn)在電磁學(xué)的概念更加抽象，規(guī)律及公式更加深奧，相關(guān)的物理現(xiàn)象也更加復(fù)雜。這不僅對學(xué)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(xué)難度。傳統(tǒng)的電磁學(xué)教學(xué)模式是教師在課堂上講解，學(xué)生被動地在聽，這個模式是以教師為中心的一種教學(xué)模式，這種方法是有諸多弊端的。雖然教學(xué)過程中可能有師生互動的情節(jié)，但是通過實際的課堂教學(xué)反饋，發(fā)現(xiàn)了很大一部分學(xué)生在電磁學(xué)理論的學(xué)習(xí)上遇到了比較大的困難。

因此，對電磁學(xué)課堂教學(xué)的改革就顯得尤為重要，我們在中國計量大學(xué)物理系的電磁學(xué)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(xué)與演示實驗相結(jié)合。通過這種教學(xué)模式與傳統(tǒng)的教學(xué)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(xué)的教學(xué)內(nèi)容，我們通過以下三個部分來具體分析。

1.電學(xué)演示實驗在課堂教學(xué)中的作用。相對于電磁學(xué)的其他分支，電學(xué)本身包含的難點并不是很多，但電學(xué)是電磁學(xué)的基礎(chǔ)，對電學(xué)的學(xué)習(xí)是整個電磁學(xué)的入門階段，在這一階段，學(xué)生還未形成對電磁學(xué)特有的認(rèn)知，也沒有形成特定的思維方式，所以往往在理解電磁學(xué)概念時表現(xiàn)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(xué)生尖端放電現(xiàn)象，從而幫助學(xué)生加快電學(xué)知識的認(rèn)知及加深對于電學(xué)概念的理解。

2.磁學(xué)演示實驗在課堂教學(xué)中的作用。在這個電磁學(xué)理論中磁學(xué)部分占了相當(dāng)大的內(nèi)容，并且磁學(xué)的內(nèi)容比之前的電學(xué)難度更大，故而磁學(xué)演示實驗在課堂教學(xué)中的作用更加突顯。在實際教學(xué)環(huán)節(jié)中，我們引入安培力演示實驗，學(xué)生就很容易明白通電導(dǎo)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(xué)演示實驗在課堂教學(xué)中的作用。在電磁學(xué)學(xué)科發(fā)展歷史中，電磁感應(yīng)現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)之后，原本兩個相對獨立的學(xué)科——電學(xué)與磁學(xué)，發(fā)展成為了一個密不可分的整體。從這個意義上講，在現(xiàn)在及未來很長的一個歷史階段，經(jīng)典電磁學(xué)研究的重點將是有關(guān)電與磁的相互聯(lián)系以及相互作用。結(jié)合這樣的一個大背景，對于電磁學(xué)的學(xué)習(xí)不僅要重視電學(xué)與磁學(xué)的學(xué)習(xí)，更重要的是在此基礎(chǔ)上對電磁相互作用的學(xué)習(xí)。但電和磁一相互作用，在實際教學(xué)環(huán)節(jié)中，我們發(fā)現(xiàn)學(xué)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(chǎn)生電的。另外，也引入多個視頻動畫演示，使得學(xué)生直觀地理解相關(guān)的物理概念或者含義。

通過實踐，我們發(fā)現(xiàn)，在課堂上經(jīng)過教師對物理知識的講解和梳理，再結(jié)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(fù)雜的物理過程或現(xiàn)象展現(xiàn)在學(xué)生面前，能夠讓學(xué)生切身地感受到電磁學(xué)在生活中的存在，從而有效地幫助學(xué)生理解并掌握其中的相關(guān)知識，從而極大地改善課堂教學(xué)的效果。另一方面，演示實驗可以將抽象理論概念轉(zhuǎn)化為直觀的實驗現(xiàn)象呈現(xiàn)給學(xué)生，進一步地引導(dǎo)學(xué)生思考和探索問題，從而提高了課堂的教學(xué)質(zhì)量，學(xué)生的學(xué)習(xí)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(xué)生的想象思維，對培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)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(xué)的親密性、互動性也得到了加強，學(xué)生更愛學(xué)，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