普通本科院校“電磁學”課程設計探討

【摘 要】本文論述普通本科院校“電磁學”課程的設計，認為科學研究和教學活動相結合并共同服務于大學人才的培養，是新時代提高本科教育水平的重要人才培養模式，提出優化普通本科院校物理學專業“電磁學”課程的教學設計、課程評價體系設計，以推進“電磁學”課程的教學與科研相結合，加強本科生的思維、實踐、創新等能力的訓練，以提高學生的創新能力和科研能力。

【關鍵詞】科教融合 高校人才培養 電磁學

【中圖分類號】G ?【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2021）11-0147-03

2018年教育部第一次召開了關于專門研究部署高等學校本科教育工作的全國會議，明確強調了本科必須從“本科教學”向“本科教育”轉變。自2018年以來，自治區教育廳為了貫徹落實新時代全國高等學校本科教育工作會議精神，制定了一系列政策，加快構建振興本科教育的長效機制和保障措施，推進深入培養學生創新創業、科學研究的能力，大力促進科研和教學協調育人。教學與科研相結合的人才培養模式是新時代全面提高本科教育水平的重要舉措和改革方向。在本科院校推進科研與教學融合，需要讓學生盡早參與和融入科研、早進實驗室等，提高學生實踐能力和創新創業能力。

“電磁學”是物理學專業的基礎課程，通過這類課程的學習，需要培養學生掌握描述、解決電磁場相關問題的基本理論和方法，具有扎實的物理基礎、較強的創新能力、較強運用知識和學習新知識的能力，能在物理學和相關的技術領域中從事科研、教學、技術和相關的管理工作。電磁場類課程也是物理學專業中較為古老、較為重要的基礎學科之一。電磁場相關理論的建立、發展以及廣泛應用的過程，充分體現了實踐是檢驗真理的唯一標準的認識論和真理觀，處處彰顯了“嚴密的實驗—理論假設和數理推理—實驗檢驗”循環往復不斷完善的科學研究的方法論，弘揚了銳意進取、勇于創新的科學精神。在全面提高本科教育水平的過程中，亟須本科院校加強本科生的思維、實踐、創新等能力的訓練，積極鼓勵學生銳意進取、勇于創新。

國內名牌高校物理專業基礎課程的先進人才培養模式和改革舉措值得普通本科院校借鑒，但是在資源、環境等方面，普通本科院校與著名高校存在比較大的差別，不能完全生搬硬套著名高校的經驗，必須有所取舍和改進。在這樣的背景下，本文探討普通本科院校物理學專業“電磁學”課程的教學設計、課程評價體系設計，推進“電磁學”課程的教學與科研相結合，加強本科生的思維、實踐、創新等能力的訓練，提高學生的創新能力和科研能力。

一、課程教學設計

“電磁學”是本科物理學專業的基礎課程，課程總課時設計為64個學時。學生通過“電磁學”的學習，能夠掌握電磁場的基本規律、基本概念和基本思維方式，深刻理解電磁場的物質屬性及其存在與運動形態，掌握電磁相互作用的基本規律，了解近代物理與電磁規律的內在聯系，并在思維能力、計算能力、科學素質方面都有很大提高。課程設計分為兩大模塊，即課堂講授模塊和課外訓練模塊，其中課堂講授模塊是基礎，課外訓練模塊是課堂模塊的重要拓展。

（一）課堂教學的設計

普通高校物理學本科專業的“電磁學”課程教學內容主要包括靜電場、有導體時的靜電場、靜電場中的電介質、恒定電流、恒定電流的磁場、電磁感應、磁介質、時變電磁場和電磁波，此部分總課時設計為56個學時。

1.靜電場，共12個學時。教學內容和要求：（1）理解庫侖定律及其適用條件、場的概念、場強的迭加原理及其物理意義，理解電通量的概念、靜電場的環流定律、高斯定理的物理意義以及它們在電磁場中的重要地位，理解引入電勢概念的條件、電勢的相對性以及電勢迭加原理;（2）掌握應用高斯定理計算電場分布條件和方法，以及掌握用電勢定義求空間電勢分布方法;（3）熟練運用場強迭加原理計算簡單、典型帶電體及其組合體的電場分布，熟練運用電勢迭加原理計算簡單、典型帶電體及其組合體的電勢分布，以及熟練運用高斯定理求解有特定對稱性分布的電荷所產生的電場的場強分布。

2.有導體時的靜電場，共6個學時。教學內容和要求：（1）理解靜電平衡導體上電荷分布的特點，電容的物理意義，電容器儲能的概念，帶電體的概念，以及靜電屏蔽現象及應用;（2）掌握導體的靜電平衡條件，帶電體組的靜電能及其計算方法，計算電容器及電容器組電容的方法，以及計算電容器的儲能方法;（3）熟練運用導體的靜電平衡條件，求解規則形狀導體靜電平衡時的電荷分布與電場分布問題。

3.靜電場中的電介質，共5個學時。教學內容和要求：（1）理解極化強度矢量的物理意義、電介質極化的微觀解釋、極化強度與極化電荷面密度的關系，理解電位移矢量及有介質時的高斯定理物理意義，理解電場的能量、電場能量密度概念;（2）掌握電場的邊界條件，掌握極化強度、電場強度以及極化率之間的關系，掌握計算有對稱性的非均勻電場能量的方法;（3）熟練運用高斯定理求解有介質存在時，具有一定對稱性的電場的分布問題。

4.恒定電流，共9個學時。教學內容和要求：（1）理解電流密度矢量的概念，電動勢的基本概念，金屬導電的經典物理圖像和理論;（2）掌握電流強度與電流密度矢量的關系，以及電流的連續性方程，掌握電流的穩恒條件、穩恒電場的基本性質，掌握歐姆定律、歐姆定律的微分形式、一段含源電路和閉合電路的歐姆定律。

5.恒定電流磁場，共10個學時。教學內容和要求：（1）理解磁感應強度的物理意義，磁通量的概念，穩恒磁場的高斯定理和安培環路定律的物理意義，以及磁矩的定義;（2）掌握畢奧-薩伐爾定律，掌握洛侖磁力和安培力，以及其計算方法，掌握計算平面載流線圈在磁場中所受的磁力矩方法;（3）熟練掌握求解載流導體規則分布時的磁感應強度方法、計算非均勻磁場中通過簡單幾何形狀平面的磁通量的方法，熟練掌握應用安培環路定律計算磁感應強度的條件和方法，并求解具有一定對稱性的電流的磁場分布問題。

6.電磁感應，共9個學時。教學內容和要求：（1）理解動生電動勢的產生，理解自感和互感的物理意義、自感磁能和互感磁能的物理意義，理解感生電場的物理意義、性質，以及感生電場與靜電場的區別;（2）掌握計算動生電動勢的方法，以及計算自感系數和互感系數的方法;（3）熟練掌握并運用法拉第電磁感應定律和楞次定律。

7.磁介質、時變電磁場和電磁波，共5個學時。教學內容和要求：（1）理解磁介質磁化的微觀解釋、磁場強度矢量的定義、磁化強度、磁場能量、磁場能量密度概念，理解麥克斯韋兩個基本假設的中心思想、麥克斯韋方程組各方程的物理意義和方程中各物理量的物理意義，理解平面電磁波的基本性質、能流密度的概念、坡印亭矢量的物理意義，以及偶極振子輻射電磁波的物理過程和物理圖像;（2）掌握磁化強度與磁化電流的關系、磁場強度和磁化電流之間的關系，掌握有介質時安培環路定律、求解具有一定對稱性的磁場分布的方法，以及計算具有對稱性的磁場的能量的方法。

（二）課外科研素養訓練的設計

課外訓練模塊是課堂模塊的重要拓展，是為學生便于發揮自主性學習“電磁學”而設計的一個重要平臺，課堂引導課時設計為8個學時。課外科研素養訓練內容主要包括“電磁學”課程的基本原理和普遍規律，并有相應的補充和拓展，彌補課堂教學因課時緊張對講授內容的約束，可以滿足不同層次學生的學習要求，達到培養邏輯思維能力、科研實踐能力、數學推演能力。此部分以專題形式開展訓練，內容覆蓋電磁學的多個重難點，其中部分內容屬于電動力學的范疇。訓練過程注重概念的準確性，以及邏輯推理過程的嚴謹性。訓練內容主要包括：

第一專題，客體與模型問題：模型的使用范圍，同一客體建立多個模型，孤立體和孤立體系模型，構建模型中的主要矛盾和次要矛盾問題。

第二專題，無限遠問題：數學無限遠與物理無限遠的共性和差異。

第三專題，電場線和磁場線問題：場線的描繪，場強度和方向的定性討論。

第四專題，靜電平衡問題：利用電場線討論靜電場分布和靜電平衡，導體電荷面密度與曲率的關系。

第五專題，靜電唯一性定理：靜電唯一性定理的證明，有介質的唯一性定理及其應用，靜電唯一性定理在靜電疊加、靜電屏蔽中的應用。

第六專題，靜電屏蔽和磁屏蔽問題：兩種屏蔽的基本原理及其異同，兩種屏蔽在實際問題中的具體應用。

第七專題，電像法和分離變數法求解靜電場的問題：電像的構建及其基本物理問題，分離變數中的數學理念和具體推演。

第八專題，電容和電容器問題：有規則孤立導體的電容，導體組的電容和電容系數，任意形狀導體的電容，多電容器的組合，電容器中的靜電感應，“一板兩壁”的特殊電容器，電容器的“電庫”功能。

第九專題，電介質和磁介質的極化和磁化問題：極化和磁化的具體物理過程，以及它們的相似性。

第十專題，地球與無限遠的電勢問題：接地電勢和無限遠電勢的深度討論。

第十一專題，任意截面螺線管內部和外部磁場問題：內部和外部磁場強度和分布的證明及其具體應用。

第十二專題，任意閉合線圈在均勻磁場中的安培力矩問題：安培力矩的計算方法及推廣。

第十三專題，場矢量和標量分析問題：標量場的梯度，矢量場的散度和旋度，電磁場的邊值關系和麥氏方程的微分形式。

第十四專題，麥氏方程問題：麥氏方程組與洛倫茲力公式，演化方程和約束方程。

第十五專題：庫侖電場和感生電場問題：縱場和橫場，庫侖規范和洛倫茨規范，靜電場、恒定電場和庫侖電場。

第十六專題，電磁場的能量和動量問題：電磁場的能量和能流密度，電磁場的動量和動量密度，不接觸物體間的“作用力”和“反作用力”。

第十七專題，磁單極問題：磁荷存在性與磁單極子存在性，狄拉克的磁單極子，含磁荷的麥氏方程組，原始麥氏方程組的成立前提。

此部分以課外訓練為主，課堂引導為輔，以學生為主，教師為輔。在課程結束前，每一名學生必須獨立或者組織小團隊完成至少2個專題，并對完成的專題進行答辯。

二、課程評價體系設計

本科生學習課程的主要目的不是為了應付考試，而是需要能靈活運用課程的理論知識解決實際問題，以及進行各種創新活動;需要把理論和實踐相結合，提高科研實踐能力、創新能力以及科研素養等。課程考核是了解學生掌握課程知識情況，是檢驗學生對知識的靈活運用能力、創新能力等重要方式，也是檢驗教學效果、保證教學質量、促進教學目標實現的重要措施。“電磁學”課程分為課堂講授和課堂外訓練兩大模塊，為了能夠更好檢驗課程設計效果，改革后的課程考核方式應該有別于傳統的以期中考試和期末考試為主的考核方式，應該以更加靈活的方式考查學生的各種能力，以考核學生掌握課程體系知識、創新能力、應用能力為主，盡量避免死記硬背、答案標準化和唯一化，科學合理測評學生的學習效果?？傮w上，“電磁學”課程考核分為課程本體知識掌握情況的考核與科研素養訓練效果的考核。

（一）課程本體知識掌握情況的考核，占課程總成績的70%

課程本體知識的考核，需要注重學生學習的參與性，以及學生對本體知識運用的靈活性等綜合素質考查，盡量避免出現臨時抱佛腳、死記硬背、應付式考試的傾向，盡量避免一試（期末考試）定總成績的情況。此部分的具體考查方式，可由出勤、課后作業、階段測試以及期末考試四部分組成，每部分考核結果占據此部分成績一定的比重，如圖1所示。

出勤情況是考查學生參與學習的重要手段之一，也是考查學生組織紀律性的重要措施之一。學生無故缺勤需要扣分，無故缺勤達到一定次數，可以對課程總成績進行一票否決，取消課程考試資格，并按學校有關規定處理?？记诘姆绞?，在班級人數較少的情況下，可以采用清點學生總人數或者課堂點名的方式進行，在班級總人數較多的情況下，可以采用隨機點名并結合課堂隨機提問的方式進行。

課后作業需要覆蓋所學課程本體知識的主要內容，難易程度應該適當，并包括一部分開放性題目，以便更好考查學生對課程本體知識掌握的情況，并有利于鍛煉學生靈活運用課程本體知識的能力、創新能力以及科研實踐能力等。對非開放性題目，需要考查學生答題的整潔性、規范性、正確性;對開放性題目，不設置標準答案，主要考查學生邏輯推演的嚴謹性、理解概念的準確性等。

階段性測試是了解學生掌握階段性課程知識情況的重要措施之一，是檢驗階段性教學效果的重要手段之一，也是保證教學質量、促進實現教學目標的重要策略之一。測試的內容，重點包括學習階段的課程本體知識的重點內容和基礎理論等，可采用閉卷形式或開卷形式進行。

期末考試考查的內容，需要涵蓋課程的基礎知識點和重點知識點，難易程度需要合理，可以結合課后作業、階段測試、課堂練習等進行命題。為了更好考查學生對課程本體知識掌握情況，以及對課程本體知識的運用情況，考試內容可以包括一部分的開放性題目。對開放性題目，注重考查學生理解概念的準確性、邏輯推演的嚴謹性以及創新性等，不設定標準答案。

（二）科研素養訓練情況的考核，占課程總成績的30%

科研素養訓練考核，主要考查學生參與程度、參與途徑和方式，以及考查學生處理問題的邏輯思維能力、科研創新能力、組織協助能力等。考核的方式，以完成專題小論文以及對完成專題的答辯情況為主。每名學生或者每個小組，都必須完成所選擇的專題撰寫小論文，并對完成的過程、結果進行答辯。專題小論文，注重考查學生理解概念的準確性，邏輯推演的嚴謹性，推理過程的正確性、創新性等，注重論文的完整性、邏輯性、合理性等，以及注重學生解決問題的綜合素養。專題小論文的答辯，注重考查學生語言組織能力、表達能力、PPT制作能力，以及邏輯思維水平等。

總之，電磁場類課程是物理學專業中較為古老、較為重要的基礎學科之一，是本科物理學專業的基礎課程。為了能在電磁學課程中有效地開展科研素養訓練，加強本科生的思維、實踐、創新等能力的訓練，本文探索“電磁學”的課程教學設計和評價體系設計，基于不降低課程本體知識的要求，又有利于開展科研素養訓練，從課堂教學和課外訓練入手，分別考查學生本體知識的掌握情況和技能水平層次，以及考查科研素養訓練的成效。通過推動科教融合在“電磁學”課程中的實施，將有利于提高學生的邏輯思維能力、創新能力和科研能力。

【參考文獻】

[1]林彥紅.科教融合理念的創新與實踐[J].研究生教育研究，2015（4）.

[2]周光禮，姜嘉樂，王孫禺，等.高?？蒲械慕逃浴平倘诤侠Ь撑c公共政策調整[J].高等工程教育研究，2018（1）.

[3]周光禮，周祥，秦惠民，等.科教融合 學術育人[J].中國高教研究，2018（8）.

[4]梁燦彬，秦光戎，梁竹健.電磁學（第三版）[M].北京：高等教育出版社，2012.

[5]梁燦彬，曹周鍵，陳陟陶.電磁學（拓展篇）[M].北京：高等教育出版社，2018.

[6]趙凱華，陳熙謀.電磁學（第二版）[M].北京：高等教育出版社，2006.

[7]郭碩鴻，電動力學（第三版）[M].北京：高等教育出版社，2008.

注：2020年度廣西高等教育本科教學改革工程項目“在電磁場類課程教學中強化科研素養訓練的探索與實踐”（2020JGB172）

【作者簡介】陳志福（1981— ），男，廣西藤縣人，廣西民族大學數學與物理學院副研究員，研究方向為天體物理學。

（責編 龔維玲）