電磁場理論課程中的科學方法教育思想

張洪欣

摘? 要：面向新工科建設的需求，結合物理學史和電磁場理論知識體系結構，分析了電磁場理論中蘊含的科學方法要素?？梢愿鶕鹿た平ㄔO對學生創新思維能力培養的需要，運用科學方法教育思想，整合教學內容，優化教學方法，落實科學方法教育在電磁場理論課程中的貫徹和應用。

關鍵詞：科學方法;電磁場;新工科;教學方法

中圖分類號：G640 文獻標識碼：A 文章編號：2096-000X（2020）08-0191-03

Abstract： Facing the needs of new engineering subject construction， combined with the physics history and knowledge architecture of electromagnetic field theory， the scientific and methodological elements contained in electromagnetic field theory are analyzed. According to the need of new engineering subject construction for the cultivation of innovative thought to students， the implementation and application method of scientific method in the course of electromagnetic field is proposed by using educational thought with scientific method， with which the teaching content can be integrated and the teaching method may be optimized.

Keywords： scientific method; Electromagnetic Field; new engineering ; teaching method

一、概述

進入21世紀，工程科技進步和創新將成為推動人類社會發展的重要引擎，工程教育已經成為國家競爭力的重要來源。相對于傳統工科人才培養模式，我國提出“新工科”人才培養模式，在工程教育新理念、學科專業新結構、人才培養新模式、教育教學新質量、分類發展新體系等方面開展綜合教育實踐改革[1-3]。傳統的教育模式將培養人才作為經濟發展的需求，忽視了人的發展與科學發展客觀規律的統一性。將育人過程簡化為知識學習和技能培訓，忽略了人對科學精神的追求;導致教育的功能側重于確定知識的傳授，忽視了其社會教化和科學創造功能。隨著科學技術的突飛猛進，信息化社會發展日新月異，在大數據、物聯網、人工智能、網絡安全、新材料、大健康等新經濟領域都出現了嚴重人才供給不足的現象，暴露出我國傳統工程教育與新興產業和新經濟發展有所脫節的短板[4，5]。新工科教育對高校特別是電子信息類專業建設提出了新的要求、新的方向。

相對于傳統工科，未來新產業和新經濟需要工程實踐能力強、創新能力強、具備國際競爭力的高素質復合型人才，新工科人才不僅在某一學科專業上學業精深，而且還應具有“學科交叉融合”的特征;不僅能夠運用所掌握的知識解決出現的工程問題，更重要的是有能力學習新知識、新技術，預測和解決未來出現的新問題;在技術上過硬，又同時懂得經濟、社會和管理，兼具良好的人文素養[5，6]。目前，我國工科院校在人才培養方面目標定位尚不清晰，工科教學理科化，存在通識教育與工程教育、實踐教育與實驗教學之間的模糊認識，人才綜合素質和知識結構方面與社會需求脫鉤等問題。面對現代化新產業和新經濟，高等工科院校必須深化課程教學體系改革，強調面向服務“新經濟”、“以能力為中心”的人才培養模式，本文闡述了科學方法教育思想在新工科教育中的作用，并以電磁場理論課程中的科學方法教學與教育思想，形成與新工科要求相適應的教學及育人思路。

科學方法在科學技術發展史上發揮了重要的作用。通過科學方法教育可以引導學生自覺地運用科學方法不斷地學習和創新，從而掌握新知識和新技術?？茖W方法可以促進科學領域及人才的可持續發展?？茖W方法比知識本身更具有普遍適用性，并可以遷移到相關的學科領域，在學習和研究過程中獲得靈感，提升創新思維能力[7]。在傳統電磁場理論課程的教學中，對電磁學中科學方法的滲透不夠，教學不僅要傳授知識，更要培養學生在探索知識的過程能夠創造知識。因此，教育教學改革應更加關注科學探究、科學方法和科學過程的教學，在科學探究過程中，應用和創新科學方法，將科學方法滲透于教學實踐環節和評價體系中。在教學中創造學生體驗科學思維的機會和條件，使其了解和掌握科學研究的方法，激發科學探究的熱情。

電磁場理論與科學方法交織發展，一方面，電磁理論的發展促進了科學方法的形成和完善，科學方法的完善也推動了電磁場理論的發展和進步[7]。因此，在電磁場教學中實施科學方法教育，能夠使學生了解電磁理論演化的歷史面貌，激發學生在學習過程中的主觀能動性。在電磁場理論課程教學中，突出電磁理論與科學方法之間的內在關系，結合新工科建設研究科學方法在教學改革實踐中的應用。

電磁場與電磁波課程是電子信息類專業的重要專業基礎課程，直接關系到學生能力及素質的培養。在電磁場與電磁波課程的教學實踐中，通過滲透科學方法教育，認真分析電磁場理論中的顯性和隱性科學方法因素，結合物理學史和電磁場理論的知識體系結構，根據新工科建設對學生思維和能力培養的需要，整合教學內容，優化教學方法，以實現科學方法教育在電磁場與電磁波課程中的貫徹和應用。

二、結合電磁理論發展史挖掘科學方法要素

在教學過程中滲透科學方法是實施科學方法教育的主要形式。首先要對電磁場理論形成過程中的科學方法要素進行提煉、總結和分析。梳理電磁場理論中知識點的產生、發展和演繹過程，以物理學史實為依托，凝練電磁理論發展中的研究方法，挖掘、提煉電磁理論概念和原理中蘊含的科學方法要素。

電磁理論中的知識點反映了人們在探索和發展這部分知識過程中的科學方法要素。例如，在分析庫侖定律時，人們通過利用引力和電力的相似性用類比方法進行推測，平方反比關系自始至終對庫侖的實驗起著指導作用;安培遵循牛頓的研究路線，仿照力學的理論體系創建了電動力學，給出了安培定律，即電流之間的相互作用力公式;在分析畢奧-薩伐爾定律時，可以了解畢奧和薩伐爾在實驗中通過消除地磁的影響，克服了載流導體有限長帶來的問題，并通過設計磁針周期振蕩實驗及合理地處理數據等發現了電流對磁場的作用定律。

法拉第研究了電介質對電力作用的影響，利用場的概念提出了力線的思想，形成了近距理論的核心內容[8]。湯姆孫運用類比方法，將法拉第力線思想轉變為定量的表述，為麥克斯韋方程組的建立提供了非常有益的經驗。麥克斯韋發展了湯姆孫的類比方法，用不可壓縮的流體的流線類比于法拉第力線，把流線的數學表達式用到靜電理論中。面對電磁現象與流體力學現象的巨大差別，以及電現象和磁現象的差異性，幾何上的類比無法洞察事物的本質，麥克斯韋又借助于蘭金的“分子渦流假設”提出了“分子渦旋”模型和位移電流假設。他受到法拉第力線思想的鼓舞，并得到湯姆孫運用類比方法的啟發，深刻地洞察了以紐曼和韋伯為代表的大陸派電動力學的困難和不協調因素，敏銳地抓住了位移電流和電磁波這兩個關鍵概念，運用模型理論對力線的分布及其應力性質給予了機理性說明[8]。麥克斯韋正是站在法拉第和湯姆孫等科學家的肩膀上，面對眾說紛紜的電磁理論，以深邃的洞察力建立了麥克斯韋方程組，開創了物理學的新領域。然而，麥克斯韋理論沒有解決光的反射和折射，光的色散及吸收問題，后來洛倫茲巧妙地將超距的電動力學與電磁理論綜合到一起，人們逐漸地解決了這個問題。

綜上所述，可以從這些史實中分析出科學研究的實驗方法、數學方法和邏輯方法等，在教學實踐中滲透科學方法。

三、從電磁理論知識類型中提煉科學方法要素

電磁理論知識涵蓋概念、規律、實驗和應用等類型，它們所運用的科學方法各異且相互聯系[7]。在電磁概念的建立中經常用到理想模型法、比值定義法、分類法等，例如，在分析點電荷、電偶極子、磁偶極子、電流元、磁荷、理想導體等運用了理想模型法;在分析電場強度、磁感應強度、電流強度、極化強度、磁化強度等運用了比值定義法;在分析導體、電介質、磁介質的性質，分析電磁波的反射與折射現象等運用了分類法。

在概念辨析中經常用到比較法。比較法可以將學科領域范疇內相關的、相似的、對稱的、易混淆的概念進行比較，避免混淆。電磁理論中，許多電現象與磁現象有相似性。例如電介質的極化現象與磁介質的磁化現象，極化電荷與磁化電流，電偶極子與磁偶極子，庫侖定律與安培力定律;各種電磁場中的矢量線概念，通量與環量，標量電位與矢量磁位，靜態電磁場與時變電磁場，近區場與遠區場等等。在這些內容的教學過程中，比較是一個很有效的方法和實施環節。

在總結規律時常用到歸納法、演繹法、假說方法、比擬等[7]，例如庫侖定律、歐姆定律、畢奧-薩伐爾定律、法拉第電磁感應定律等運用了歸納法，高斯定理、斯托克斯定理、安培環路定理、電流連續性方程、基爾霍夫定律等就運用了演繹法，位移電流的引入運用了假說方法，導致了麥克斯韋方程組完整體系的建立。在實驗設計時，經常用到比較法、轉換法、近似法和疊加平均法等，例如在高斯定律和畢奧-薩伐爾定律、庫侖定律與安培力定律的實驗對比中運用了比較法;在鏡像法運用了轉換法將電荷分布未知問題轉換為已知電荷分布;靈敏電流計、檢波器等儀器儀表基本上都運用了放大法來顯示結果;在磁偶極子輻射，電偶極子產生的近場、遠場分析中運用了近似法，在波導波長的測量實驗中用到了疊加平均法來處理數據。在靜電場和恒定電場性質的對比中采用比擬法，靜電場中的D、？著、q和恒定電場中相應的J、？滓、I存在比擬關系，利用靜電場的方程和邊界條件就轉換成恒定電場的方程，反之亦然。

在電磁理論應用中，數學演繹和數學建模的方法運用得較多，比如建立點電荷、面電荷、線電荷模型，體電流、面電流、線電流模型等，利用疊加原理求空間電磁場的分布;根據電磁場對稱性分布的特點運用高斯定理或環路定理求解電磁場等;利用分離變量法求解區域電磁場分布等。概念和原理等知識點只能體現某些類型的科學方法，而知識點的產生、發展、成熟到應用往往是多種科學方法綜合運用的結果，例如麥克斯韋方程組的建立就是運用了多種科學方法綜合的結果，因此不能將科學方法與知識類型分離出來研究。

四、從知識結構的邏輯關系中挖掘蘊含的科學方法要素

電磁理論知識體系具有嚴密邏輯架構，電磁理論的知識點結構之間具有一定的邏輯關系，各個知識點之間也具有較強的邏輯通道[7]，反映了知識內容的循序漸近性和螺旋上升性，這種邏輯關系是學生掌握新知識的重要途徑。這些邏輯要素構成了科學方法的主要架構，可以通過分析理論知識體系的邏輯關系挖掘科學方法要素。

例如，可以通過通量和環量分析電場和磁場在媒質分界面的邊界條件，并由此得到這樣的規律：對于通量密度矢量（D、B、J等），利用通量研究其法向分量的連續性;而對于場強度矢量（E、H等），利用環量研究其切向分量的連續性。麥克斯韋方程組第一方程及第二方程的積分形式和微分形式是通過斯托克斯定理聯系在一起的，麥克斯韋方程組第三方程及第四方程的積分形式和微分形式是通過高斯（散度）定理聯系在一起的;電磁場的矢量場和源之間存在左手或者右手螺旋關系，揭示了場和源的邏輯關系。從高斯（散度）定理和斯托克斯定理來分析麥克斯韋方程組積分和微分形式的內部邏輯關系是自洽的。對偶原理反映了點和磁的對偶性，進一步揭示了電和磁的邏輯關系，并由此可以進一步得出邊界條件的對偶性。

分析電磁理論中所蘊含的科學方法要素并不局限于教材本身，應該以教材和參考書為綱，以物理學史為線，根據知識結構的特點和類型，尋求科學方法教育的知識和史實背景，梳理對電磁理論知識的衍變規律，為在教學中滲透科學方法教育思想提供理論和事實支撐。

五、將科學方法教育思想應用于創新實踐環節

在電磁場理論教學和創新實踐中自覺地運用科學方法是滲透科學方法教育思想的最基本的形式[7]，可以幫助學生自發地將科學方法遷移到創新思維方式上?？茖W方法教育的目的不是灌輸給學生生硬的科學方法概念和要素，而是在于結合解決具體問題的實際，合理地選擇適當的科學方法來解決問題。在具體的教學環節和創新實踐中，將知識本身所蘊含的科學方法自然地傳授給學生，達到科學方法教育的目的。

教學環節是針對相應的教學任務而言，在教學過程中的實施的某項教學活動。對于一堂課的教學來說，課程內容的引入與界定、物理概念的理解與辨析、電磁規律的探索與應用、課堂的總結與引申、課后練習與實驗、創新實踐等都是教學環節。將科學方法應用于電磁理論教學環節，利用科學方法優化和促進教學活動，實現在教學過程中潛移默化地實施科學方法教育思想。

基于科學發展知識、人文知識，圍繞電磁理論應用，以基本功能系統、單一功能簡單系統、多功能簡單系統、單一功能復雜系統、多功能復雜系統為演進主線，在教學實踐中將信息通信、電子控制、軟件設計等新技術與電磁場、射頻微波工業技術緊密結合，以航空航天復雜系統、大健康復雜系統的應用為突破口，探索基于科學方法教育思想的協同創新人才培養新模式。圍繞電磁場與微波技術在民用、軍事、航空航天工程等領域的應用，結合物聯網、人工智能、網絡安全、新材料、大健康等新經濟領域的需求，開展科學方法在通識教育與工程教育、實踐教育與實驗教學中的應用，著力培養實踐能力強、創新能力強、具備國際競爭力的高素質復合型“新工科”人才。

六、結束語

分析和闡述了在電磁場理論課程教學環節中實施科學方法教育的必要性和重要性。提出了結合電磁理論的發展史實挖掘科學方法要素，從電磁理論知識類型中提煉科學方法要素，從知識結構的邏輯關系中挖掘蘊含的科學方法要素，并將科學方法教育思想應用于創新實踐環節，和通識教育相結合，培養綜合素質高、實踐能力強、創新能力強、科學素養強，具備國際競爭力的高素質復合型“新工科”人才。

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