大學物理電磁學教學與中學物理的銜接探研

李娜 虞學紅 巫志玉

摘要：電磁學內容是物理學課程的重要組成之一，是大學物理課程的重點部分，也是中學物理課程的重中之重。大學生認為電磁學部分難學是普遍的觀點，解決電磁學部分的難點問題尤為重要。為提高大學物理課程的教與學的質量，文章以電磁學部分為研究對象，從教學內容的對比、教學方式的改進、物理思維方法的應用三個角度探討大學物理課程與中學物理課程的銜接途徑，以提高大學物理教學質量，完善學生物理知識體系。

關鍵詞：大學物理；電磁學；中學物理；課程銜接

中圖分類號：G642文獻標志碼：A文章編號：1008-3561（2022）21-0017-04

基金項目：本文系海南大學教育教改項目“大學物理與中學物理課程銜接研究”（項目編號：hdjy2043）研究成果

一、前言

大學物理課程是高等院校理工類各專業的一門非常重要的必修基礎課，對學生的物質觀、運動觀和時空觀的培養具有重要意義。大學物理課程一般安排在大一的下學期或大二上學期，是大學生初入大學校門的課程之一，也是高中物理課程的延續。梁昆淼曾表示：中學物理課程與大學課程對學生的要求很不同，剛入大學的一年級大學生還保留不少中學生的特點，不能立刻適應大學物理課程的要求。那么如何使學生盡快適應這門課程的學習呢？筆者認為在教學實踐上，可以利用學生已掌握的中學物理知識，創設一些深度學習的情境，從而架設一條通往大學物理教學的橋梁。為此，做好大學物理與中學物理的比較研究，找到兩部分的銜接之處是架設“橋梁”的關鍵。本文以大學物理中電磁學的教學內容為例，對大學物理教學和中學物理教學的銜接進行探討。

二、大學物理與中學物理內容的比較

下面，將大學物理教材與高中物理教材內容中的電磁學部分進行對比。

大學物理教材靜電場內容有：電荷及守恒定律，庫侖定律和靜電力的疊加原理，電場、電場強度電通量和靜電場的高斯定理，安培環路定理，電場力的功和電勢，電場強度與電勢的微分關系；靜電場中的導體，靜電場中的電介質，靜電場的電容和電容器，電場的能量。

穩恒磁場內容有：電流，電動勢，磁現象的本質，磁場，畢奧—薩伐爾定律，幾種常見的磁場定量計算，磁通量，磁場中的高斯定理，安培環路定理，磁場對一般載流導體的作用，磁場對運動電荷的作用，磁介質。

電磁感應內容有：法拉第電磁感應定律，動生和感生電動勢，自感和互感，磁場的能量，位移電流，麥克斯韋方程組。

高中物理教材靜電場內容包含：電荷及守恒定律，庫侖定律，電場強度，電勢能和電勢，電勢與電場的關系，帶電粒子在電場中的運動，靜電現象，電容。

穩恒磁場內容包含：磁現象和磁場，磁感應強度，幾種常見的磁場定性分布，洛倫茲力和安培力。

電磁感應內容包含：楞次定律，法拉第電磁感應定律，電磁感應現象的兩類情況，互感和自感，渦流、電磁阻尼和電磁驅動。

顯然，通過大學課程與中學課程的具體內容知識點的對比和分析，可知中學物理是大學物理的基礎，大學物理相對中學物理知識結構、知識層次、研究方法是螺旋式上升，而不是簡單的重復。從中學物理知識過渡到大學課堂教學中，會讓學生既沒有陌生感，又感覺不是中學的重復，能激發學生繼續學習的興趣。

三、教學方式的改進

中學階段，學時多，知識點少，物理教學主要側重訓練學生的解題技巧，對于物理概念、規律及內涵的理解，各個知識之間的聯系很少涉及。進入大學階段，物理內容多又難，課時少，在教學方式上更注重學生獨立學習能力，知識面的廣度、深度，思維方式，科學素養等方面的培養。因此，在大學階段需要通過適當改變教學方式來使大學物理教學和中學物理教學有效銜接。

教學有多種形式，如翻轉課堂、混合式教學模式等，大學教師要通過不同的教學模式激發學生的自主學習意識。在設計課堂教學的過程中，大學教師可在課前提出討論課題內容，鼓勵學生利用各種手段查找相關的資料、論著，或者提前發一些材料、相關教學視頻給學生，讓學生提前查閱、整理材料，提出觀點或找出疑點，以提高學生的自主學習能力和思考能力。還可在課堂中通過提問、分組討論等方式對學生進行引導，并以中學的知識作為切入點，依據教學情境，讓學生從中學的“舊概念或規律”逐漸擴展到大學的“新概念或規律”。

物理學中，電磁學各個概念之間不是孤立的，比如沒有電場的思想，就沒有電場強度、電勢的概念。學生如果脫離了概念之間的聯系來學習概念，會導致自身對整個電磁學體系乃至物理體系不能完整掌握。中學階段，學生建立的物理體系是有限的、離散的物質世界，進入大學階段，為了幫助學生建立起知識體系之間的聯系，筆者曾嘗試在翻轉課堂中設立教學情境。例如，在教學靜電場的過程中，筆者安排學生分組探討如何建立電場強度、電勢之間的聯系，如何建立起由庫侖定律推導出點電荷及點電荷系的電場強度公式，如何由電場強度電場的迭加原理推導出真空中電場的高斯定理和環量定理。

物理學是一門實驗科學，物理規律的發現和物理理論的建立，必須以實驗為基礎。無論中學或大學物理課程在教學過程中都安排了物理實驗。在物理課程中，物理實驗具有其他教學手段無法代替的作用，實驗可幫助學生直觀理解一些晦澀難懂的物理概念或物理規律。在中學階段，各個地區各個中學的條件、硬件設備不同，部分學生從沒有或很少接觸到物理實驗，導致他們在學習物理概念或物理規律時往往死記硬背。在高校中，物理實驗條件、設備有了保障，學生可以充分進行實驗。如在混合式課堂教學中，教師可將物理實驗實踐課和物理理論課相結合，使學生直觀觀察、體驗具體的抽象的物理過程。

電磁學部分內容相對抽象難懂，如電磁場中“場”的概念和思想、靜電場中電勢的概念，教師在演示實驗時利用幾種典型的模型如點電荷、等量異號電荷，可以讓學生觀察靜電場分布現象，引導學生結合實驗原理解釋實驗現象。再如尖端放電和避雷針演示實驗，能讓學生理解靜電平衡時導體的電荷分布與導體形狀實驗原理的曲率半徑有關的結論。又如電磁阻尼是渦電流在磁場中所受安培力，筆者曾設計了電磁阻尼課堂實驗，利用波爾振動實驗的磁阻尼振動來研究電磁阻尼，教學反饋效果較好。

四、物理思維方法的應用

物理思維，是指具有意識的人腦對客觀事物的本質屬性、內部規律性及物理事物間的聯系和相互關系的間接的、概況的和能動的反映。趙紅認為：教師除了向學生傳授知識，更重要的是培養學生發現問題、分析問題、解決問題的思維方式和思維能力。

物理學的思維方法有很多，包括比較和分類法、類比法、歸納法、演繹法、圖像與圖示法等。類比法是根據兩個或兩類對象之間在某方面屬性相同或相似而推出其他屬性上也可能相同或相似的一種推理方法。夏志廣認為：找出新舊知識的聯系，通過類比講解，可引導學生由中學熟悉的知識聯系到新知識，幫助學生盡快接受新知識。以帶電體相互作用力的習題為例，面積為S的空氣平行板電容器，極板上分別帶電量±q，若不考慮邊緣效應，問兩極板間的相互作用力為多少？每次總有學生答為q2/s著0。此處，學生將靜電場兩帶電體之間的作用力和電場疊加混淆，引用了中學課本帶電粒子在電場中的運動思維，而電場又重疊考慮了疊加原理。在課堂中，筆者引用兩個點電荷之間的庫侖力相互作用進行類比，電荷A對電荷B的作用力，就是電荷A的電場對電荷B的作用，平行電容板之間的作用力也應如此，為q2/2s著0。學生們茅塞頓開，在電磁學學習過程中逐漸形成類比的思維方式。

再如，畢奧—薩伐爾定律對于學生來說是新知識，他們會在理解上存在困難。筆者在課堂上同樣利用類比思維，將畢奧—薩伐爾定律公式與庫侖定律公式進行對比，相同點都是與距離平方成反比，與電流元大小成正比（電荷電量成正比）；不同點是一方面系數不同，電場強度系數是真空介電常數，磁感應強度系數是真空磁導率，另一方面兩者方向的判斷方法不同，庫侖力的方向沿兩點電荷的連線方向，而畢奧—薩伐爾定律確定磁感應強度方向利用右手螺旋定則。這樣的類比思維的應用，能讓學生很快接受并掌握新知識。

圖像法是通過坐標系將變量間的函數用圖像的方式表示出來的方法，圖像的幾何要素與一定的物理量相聯系。圖示法是用圖的方式將物理概念、物理現象或物理規律等表示出來的方法，是將物理與數學相結合，抽象與形象相結合，具有形象、直觀的特點。圖像圖示法在物理學中是常用的思維方法。靜電場的高斯定理是電磁學重要定理之一，應用高斯定理可快速簡潔定量計算電荷分布球對稱、軸對稱、平面對稱的電場。高斯定理的證明及應用在課堂中往往需要結合圖像圖示法。如均勻帶電球面的電場計算，首先應分析均勻帶電球面的電場分布，對比物理中最典型模型之一———點電荷的電場分布，引導學生想象均勻帶電球面的電場分布，并畫出其電力線圖，選擇直角坐標系并確定坐標原點位于球心，下一步如何選取合適的高斯面問題就迎刃而解了。最后利用高斯定理，可快速地算出均勻帶電球面的電場類似點電荷的電場分布。

五、結語

綜上所述，在大學物理具體教學實施過程中，運用對比法對兩個階段的教學內容和教學要求進行比較研究，可以幫助教師理清兩個階段的教學內容銜接關系；采用形式多樣的教學方式創設教學情境，可以使學生從大學物理和中學物理教學的銜接中順利走向大學物理的深度學習；在大學物理和中學物理教學的銜接中，加強物理思維方法的教學，十分有益于提高學生的思維能力。教學實踐表明，在大學物理教學中注重大學物理和中學物理教學內容上的對比、教學方式上的改進以及物理思維方法的應用，可以在有限的教學學時內最大程度地提高教學質量，進而幫助學生適應大學物理課程，助力他們成長成才。

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Research on the Connection between College Physics Electromagnetism Teaching and Senior Middle School Physics

Li Na *， Yu Xuehong， Wu Zhiyu

（SchoolofScience，HainanUniversity，Haikou，Hainan570228，China）

Abstract： The content of electromagnetism is one of the important components of physics curriculum. It is not only the key part of college physics curriculum， but also the most important learning content of senior middle school physics curriculum. College students believe that it is a common view that electromagnetism is difficult to learn， and it is particularly important to solve the difficult problems of electromagnetism. In order to improve the teaching and learning quality of college physics courses， this paper takes the electromagnetics part as the research object， and discusses the connection ways between college physics courses and middle school physics courses from three perspectives： the comparison of teaching contents， the improvement of teaching methods and the application of physical thinking methods， so as to improve the teaching quality of college physics and improve the students physical knowledge system.

Key words： collegephysics；electromagnetics； senior middleschoolphysics；curriculumconnection