課堂之美

馮志芳 戰(zhàn)可濤 邵曉紅

【摘? 要】《大學(xué)物理》是所有理工科專業(yè)的基礎(chǔ)課程，對本科生后續(xù)學(xué)習(xí)方法的形成、科學(xué)素養(yǎng)的提高、專業(yè)基礎(chǔ)知識的掌握都起著非常重要的作用。結(jié)合多年一線教學(xué)經(jīng)驗，作者在教學(xué)過程中嘗試了一種新的教學(xué)方法，即“像麥克斯韋一樣做推理-預(yù)測-證明”的方法。通過多次在課堂上使用該方法，發(fā)現(xiàn)該方法可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，提高學(xué)生的課堂參與度，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力，激發(fā)學(xué)生對未知知識的探求欲。

【關(guān)鍵詞】大學(xué)物理;麥克斯韋;推理

中圖分類號：G633.7? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? 文章編號：0493-2099（2020）24-0103-02

【Abstract】 "College Physics" is a basic course for all science and engineering majors. It plays a very important role in the formation of undergraduates' follow-up learning methods， the improvement of scientific literacy， and the mastery of professional basic knowledge. Combining many years of front-line teaching experience， the author tried a new teaching method in the teaching process， that is， "do inference-prediction-proof like Maxwell". Through the use of this method in the classroom many times， it is found that this method can stimulate students' interest in learning， improve students' classroom participation， cultivate students' scientific thinking ability， and stimulate students' desire to explore unknown knowledge.

【Keywords】College physics; Maxwell; Reasoning

我主講的課程是《大學(xué)物理》，通過多年一線教學(xué)經(jīng)驗的積累，以及對課程中“電磁學(xué)”部分知識點(diǎn)的詳細(xì)分析與比較，我總結(jié)出了一套適合電磁學(xué)部分的課堂講授方法，為了紀(jì)念在電磁學(xué)理論建立過程中做出突出貢獻(xiàn)的、偉大的物理學(xué)家麥克斯韋，我把這種方法稱為“像麥克斯韋一樣做推理-預(yù)測-證明”。通過多次在課堂實際操作、應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)該方法確實是一種行之有效的講授方法，不僅可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，提高學(xué)生的課堂參與度，還可以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力，激發(fā)學(xué)生對未知知識的探求欲。

一、“像麥克斯韋一樣做推理-預(yù)測-證明”方法介紹

麥克斯韋通過閱讀大量電磁學(xué)方面的材料，結(jié)合其在物理學(xué)、數(shù)學(xué)方面深厚的理論功底，通過大量理論推導(dǎo)、研究，給出有關(guān)電磁學(xué)的兩個非常重要的預(yù)言——有旋電場和位移電流。結(jié)合多年一線教學(xué)的經(jīng)驗，我對“電磁學(xué)”部分的知識點(diǎn)做了全面的總結(jié)、對比后提出了“像麥克斯韋一樣做推理-預(yù)測-證明”的課堂教學(xué)法，該方法分為四個階段：第一階段復(fù)習(xí)相關(guān)知識點(diǎn)，第二階段分析-推理-預(yù)測，第三階段證明，第四階段進(jìn)行前后知識點(diǎn)的對比。參與這四個階段學(xué)習(xí)的學(xué)生，其收獲是多方面、多層次的，如進(jìn)一步加深了對前面知識點(diǎn)的理解和掌握;建立了前后知識點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)性;對新的知識的理解、掌握變得更加容易;培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)思維能力、探尋未知知識的欲望;學(xué)生充分體會到了物理之美，激發(fā)了學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)物理的興趣等。

二、課堂實例——勻速運(yùn)動電荷的磁場

第一階段：復(fù)習(xí)相關(guān)知識點(diǎn)

第二階段：分析-推理-預(yù)測階段

第三階段：證明

接著我?guī)ьI(lǐng)學(xué)生以畢奧-薩伐爾定律為基礎(chǔ)開始證明學(xué)生的預(yù)測。第一步，引導(dǎo)學(xué)生分析了電流元內(nèi)部的構(gòu)成，指出電流元是由一個個定向運(yùn)動的電荷形成的;接著引導(dǎo)學(xué)生分析每一個運(yùn)動電荷運(yùn)動的特點(diǎn)，如運(yùn)動速度是否相同、每個電荷到計算點(diǎn)的距離是否相同等。分析完成后，引導(dǎo)學(xué)生做比較，分析存在差異的物理量該如何處理，是否可以忽略這些差異等。

第四階段：對比階段

證明完成后，我讓學(xué)生對兩個公式做分析、比較、總結(jié)，給出如表1所示結(jié)果，對公式中不同位置用正方形邊框做標(biāo)注。

表1畢奧-薩伐爾定律和勻速運(yùn)動電荷磁場的比較

三、課堂實例二——位移電流

與其他知識點(diǎn)相比較，對位移電流概念進(jìn)行理解、掌握是學(xué)生的難點(diǎn)，我采用同樣的方法引導(dǎo)學(xué)生，讓學(xué)生更加容易接受、理解位移電流的概念。我首先帶著學(xué)生詳細(xì)地復(fù)習(xí)了有旋電場相關(guān)的知識點(diǎn)，分析了反映兩者之間關(guān)系的公式（1）建立的詳細(xì)過程。

總結(jié)出以下幾點(diǎn)：（1）求解磁通量，計算其隨時間的變化率 （2）[Ev]與[B]隨時間的變化率相關(guān)。基于此，我嘗試引導(dǎo)學(xué)生預(yù)測變化電場與磁場之間的關(guān)系。通過分析、類比，了解到：（1）可能需要求解電通量;（2）可能需要通過計算電通量隨時間的變化率;（3）[H]可能與[D]隨時間的變化率相關(guān)。基于上述分析，預(yù)測出可能的關(guān)系式為下面的（2）式。

其中，有沒有負(fù)號暫時無法確定，暫且保留。預(yù)測完成后，我?guī)е鴮W(xué)生以平行板電容器為例，經(jīng)過一系列推導(dǎo)、證明后，給出了如下面（3）式的結(jié)果。

比較發(fā)現(xiàn)：（3）式與（2）式之間僅差一個負(fù)號，兩者近乎一致;且（1）和（3）兩式竟然具有如此完美的相似性。這一堂課，學(xué)生快速地理解了位移電流的概念，了解到了變化電場可以激發(fā)磁場;同時還激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣及探究未知領(lǐng)域的欲望。

四、結(jié)語

我提出了“像麥克斯韋一樣做推理-預(yù)測-證明”的教學(xué)方法，經(jīng)過多次課堂實際應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)該方法確實起到了讓課堂變得更美、更生動的效果，且可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，提高學(xué)生的課堂參與度，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力，激發(fā)學(xué)生對未知知識的探求欲等。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫玲.麥克斯韋的科學(xué)貢獻(xiàn)與科學(xué)方法[D].中國社會科學(xué)院，1990.

作者簡介：馮志芳（1974-），女，山西省汾陽人，北京化工大學(xué)數(shù)理學(xué)院副教授，博士，主要從事：大學(xué)物理教學(xué)。

（責(zé)任編輯? 范娛艷）