以提高物理學專業人才培養質量為目標的電動力學課程群研究

常云峰 王 飛 吳科軍 曹敦厚

（三峽大學理學院，湖北 宜昌 443002）

1 研究現狀

2018 年教育部出版的 《普通高等學校本科專業類教學質量國家標準》[1]明確提出：樹立人才培養在高校的中心地位，鞏固本科教學地位，不斷提高人才培養質量。 《電動力學》作為物理學專業必修核心課程，它能夠引導學生從實驗出發，經過嚴格的數學推理演繹出電磁場理論的核心內容，并在此基礎上引出現代物理的重要基礎：狹義相對論。 《電動力學》是科學引導學生從歸納法到演繹法的科學思維第一課。 目前，各高校雖然一方面肯定《電動力學》課程為提高學生科學思維和實踐能力的重要核心課程，并明確《電動力學》課程需要以《電磁學》和《數學物理方法》為先修和重要輔助課程，但另一方面在《電動力學》的實際教學中，其在提高人才培養中的作用并沒有得到充分發揮，課程教學改革研究僅停留在精品課程、在線慕課、第二課堂等單課程研究階段。關于《電動力學》的課程群建設尚未見研究。

隨著對人才培養質量的進一步提高要求， 對于《電動力學》這種與其他課程密切相關的課程，通過課程群建設，把關系緊密的《電磁學》和《數學物理方》課程與之聯系起來，從《電磁學》的鋪墊，到《數學物理方法》的應用，可以很好地提高學生的科學思維和實踐能力，進而提高物理學專業人才的培養質量。

2 電動力學課程群建設思路

課程群是指以現代教育理念為基礎，對教學中相互影響、相互依靠的相關課程進行統一規劃、設計和構建的課程體系，是集教學目標和教學內容密切關聯的若干單門課程為一體的課程有機集合體[2-3]。以課程群建設為切入點，全面提升課程建設質量已經成為當前高等教育領域教育教學改革的基本共識之一。課程設計在很大程度上決定和影響著人才培養目標的實現，只對某一門課程進行改革與設計早已不能滿足目前社會對綜合型高素質人才的需求[4]。因此，強化各學科之間的融合，發揮群體優勢，通過合理的設計與科學的組織構建科學、合理、高效的課程集群，對高等教育教學改革至關重要，有利于提高教學質量，彰顯辦學特色。

物理學本科專業課程《電磁學》和《電動力學》（經典電動力學）是密切相關的兩門課程，兩者在研究對象和內容上幾乎一致。但是從研究方法上來說，《電磁學》偏重于經典電磁現象的實驗研究，從廣泛的電磁現象研究中歸納出電磁學的基本規律，最后總結出麥克斯韋方程組，但不系統研究具體如何求解；而《電動力學》則偏重于理論推導和演繹，它首先從實驗定律和介質方程出發，推導出一般形式的麥克斯韋方程組和洛倫茲力公式，然后以麥克斯韋方程組和洛倫茲力為基礎，通過嚴密的數學推導得到電磁場、電磁波的基本特征，電磁波的激發、輻射和傳播特征，以及帶電粒子與電磁場的相互作用等電磁問題。《電磁學》的各種實驗結論與《電動力學》的關系，某種程度上可以類比于開普勒三定律與牛頓萬有引力定律之間的關系。

《數學物理方法》 是物理類學生的一門重要基礎課，課程所涉及的內容不僅是后續專業課程的基礎，同時在理論和實際研究工作中有廣泛應用。 它將數學和物理聯系起來，最后服務于物理學。《數學物理方法》主要內容包括復變函數、數學物理方程、積分變換和特殊函數， 牢固掌握數學物理方法能夠讓學生更加深入地理解物理學的本質， 為物理學基礎研究和應用帶來極大的方便。因此，《數學物理方法》的學習質量可以直接影響學生對后續專業課程的學習效果， 以及學生分析問題和解決問題的能力。 這也使《數學物理方法》成了一門廣為人知的“難教、難學、難懂”的課程。

本課程群研究根據以上所述三門課程的特點，圍繞《電動力學》展開，通過課程群建設突出《電磁學》的科學歸納法和《電動力學》的科學演繹法的對比，提高學生的科學思維能力；同時，通過《電動力學》課程突出《數學物理方法》課程在科學計算和科學發展中的作用，提高學生的科學建模和計算能力，最終提高物理學專業的人才培養質量。課程群建設思路及課程之間的關系如圖1 所示。

圖1 課程群建設思路與課程關系

3 課程群教學內容設計與教學方法改革

課程群的建設是提高本科人才培養質量的有效途徑。以課程群建設為切入點，通過教學內容的銜接、對比，可以提升課程質量，提高學生的科學思維和科研計算能力，培養科研興趣和科研創新精神。 所以在《電動力學》課程群的建設過程中，需要以課程間的知識、方法、問題等邏輯聯系為結合點，通過對相關課程內容和教學方法進行再設計，提高教學質量、改善學習效果，從而全面提升課程質量和人才培養質量。 具體設計和改革的內容如下：

（1）改革教學內容。 通過教學內容之間的相互銜接，整合并優化教學內容，構建相互銜接、相互支撐的課程教學過程。 例如，介質的電磁性質可以完全放入《電磁學》課程，而唯一性定理、電像法、磁像法等可以完全放入《電動力學》課程，把《電動力學》的星號拓展內容[5]放入《數學物理方法》課程作為數學基礎應用。通過合理規劃三門課程的教學內容，逐步推進，激發學生的學習興趣。

（2）加強專業課師資隊伍梯隊建設。 調整教學模式，探索更好的教學合作模式，提高教師的綜合教學能力。 重點是根據物理學專業課程設置和專業特點，突出課程群內課程之間的相互輔助作用，凝練和培養高水平的教學團隊，提高教學水平和教學質量。例如，在《電磁學》教學中突出歸納法在科學發展過程中的作用，強化學生對基本概念、物理規律的理解和思考。在《電動力學》教學中突出演繹法在科學發展過程中的作用，進一步提高學生的科學思維能力和科學實踐能力。 在《數學物理方法》教學中突出數學形式對照、分離變量法、復變函數、格林函數法等數學手段在科學發展過程中的作用，進一步提高學生的科學建模和科學計算能力。

（3）改進教學方法。增加課堂互動，既要重視基礎知識的掌握，又要加強應用技能的培養。 例如，有了《電磁學》課程的鋪墊，改革后的《電動力學》課程非常適合引入刻意練習教學法， 可以適當采用預習—提問—被提問的教學模式， 通過部分內容引入小組討論，讓學生參與到課堂教學中來。 這不僅可以加深學生對知識的理解， 提高學生的主動性和學習效率，還有助于發現不同學生的學習特征和掌握情況，進行個性化指導。

（4）改革考核內容和方式，發揮課程群導向作用。考核內容多樣化、全面化，增強學生對物理概念和原理的理解，注重創新能力的培養。例如，在《電磁學》的考核中注重實驗觀察和基礎知識，在《電動力學》的考核中要強調理論解析和技能培育，在《數學物理方法》考核中強調實際問題的建模、求解能力。

4 總結

本文圍繞物理學專業核心課程《電動力學》展開，擬建立以《電動力學》為中心，《電磁學》《數學物理方法》為兩翼的課程群，以課程群建設為切入點，通過整合、優化教學內容，全面提升課程質量。 通過本研究，可以探索物理學專業通過《電動力學》特色課程，發展和完善新時期教學改革新的思路，培養學生的科研興趣和科學創新精神，達到提高物理學專業人才培養質量的目的。 后續，筆者期望通過更多地圍繞《電動力學》課程地位和特征展開研究，探索地方綜合性大學物理學科本科高層次精品課程群的建設思路，提高學生的科學素養和科學實踐能力，為培養符合更高層次人才發展需求的，基礎牢、素質高、能力強的物理學專業人才奠定基礎。