“以學生為主體”教學理念的電動力學改革初探

高平 舒鵬麗 孫燕芬 吳雙娥

摘 ?要：面對電動力學課程知識抽象不易理解，公式推導冗長枯燥，學生厭學情緒嚴重，考試掛科率居高不下等現象，文章開展“以學生為主體”教學理念的探究式教學，從課前教學設計、課堂教學引導、課后教學評價三方面入手，旨在提升學生課程學習的積極性和參與度，挖掘課程思政的教學元素，提高教學效果。

關鍵詞：電動力學；以學生為主體；探究式教學；課程思政

中圖分類號：G642 ? ?文獻標識碼：A ? ?文章編號：1673-7164（2024）11-0086-04

電動力學是高校物理學專業的一門重要的核心課程，課程內容覆蓋面大，實用性強，與實際生產生活結合緊密。通過課程的學習，學生應全面系統地掌握電磁基礎理論和規律，課程中物理方法及物理思想的理解對提升學生個人素質大有裨益。然而，在實際教學中，存在學生抱怨課程知識抽象不易理解，公式推導冗長繁瑣，內容枯燥脫離實際等問題，諸多問題的產生導致學生學習興趣低下，遲到、早退現象突出，考試掛科率居高不下。對于教師來講，傳統單一的講授式教學模式也讓教師感到辛苦和無奈。因此，課程的教學改革迫在眉睫，亟須探索新的教學模式和教學方法。

在教育部大力提倡高等學校課程教學改革的大背景及全面推進課程思政的新形勢下，電動力學課程也加入教學改革隊伍。教學改革宗旨秉承OBE教育教學理念，堅持“以學生為主體，以教師為主導”的思想，［1］圍繞學生的學習產出進行設計，更加注重學生學了什么而非教師教了什么；除了要求學生對專業知識的掌握以外，還應關注學生在能力素質方面的培養，通過適時恰當地引入課程思政元素，幫助學生樹立正確的人生觀和價值觀，實現立德樹人的根本教育任務。通過此次課程教學改革，學生的學習主動性、學習興趣得到了提高，取得了初步的成效。

一、立足學生學情，注重課前教學設計

講授一門課程，從課前教學設計、課堂教學引導到課后教學評價，環環相扣，自成系統，其中，課前的精心設計是上好一門課的關鍵。學生是課堂學習的主體，只有充分了解學生，方能預設出適合學生的教學設計。

（一）采用顛倒式教學法，凸顯學生主體作用

顛倒式教學法是在摒棄了常規的教師先教，學生后學的基礎上，采用學生先學，教師后教的教學方法。［2］呂梁學院物理學專業的電動力學課程安排在大三的上學期，鑒于學生已經先修了電磁學、數學物理方法等課程，因此，在電動力學課程中學生需學習有一定基礎的內容章節時采用提前布置作業，課堂上通過學生講解的方式進行教學。具體來講，在前一節課結束前，將下節課需要提前預習的內容以問題的形式告知學生，學生課后分組預習查找資料，上課時隨機邀請學生登臺分享見解。［3］例如在“分離變量法求解拉普拉斯方程”一節中，學生通過查閱資料理解什么是分離變量法，運用的條件是什么，運算過程中需要注意哪些問題，這在一定程度上培養了學生運用數學方法分析問題的能力，培養了學生團結協作的精神，最后，再由教師做出必要補充。值得注意的是，由于課程特點及學生的知識結構，適合自學的內容較為局限，通常選取學生較為熟悉的電磁場的基本規律作為講解內容，而對于電磁波的傳播輻射等較難理解的部分，仍以教師課堂講授為主。

（二）注重問題導向式教學法，引導學生主動學習

“以學生為主體”的教學理念中，教師不再是單純的知識傳授者，更注重加強對學生的引導，幫助學生理清思路，如何更快地自主學習，有效學習，對此，問題導向法是一種適合的教學方法。［4］例如在“電磁波在導體中的傳播”一節中，教師首先和學生共同推出導體中的電磁波解，然后引出問題，讓學生思考該解具有什么特點，電矢量和磁矢量的振幅有何關系，相位有何關系，在良導體中如何傳播，在不良導體中又如何傳播等，系列問題可以提綱的形式列于黑板上，讓學生帶著問題去找答案。本環節還可安排小組討論，比如5分鐘的時間快速討論，找1—2位學生做交流分享。在此過程中，著重引導學生對知識點的串聯、架構及學會分析問題的方法，培養學生自主學習能力和團結協作能力。

（三）采用滲透式方法進行輔助教學

常規的教學方法，大多按照循規蹈矩，按部就班的程序進行，旨在讓學生循序漸進地獲取知識，促使學生掌握的知識更系統、更完整，但也容易導致學生的認知被束縛被局限，創新思維不足。滲透式方法是指教師首先提出某個物理概念，［5］學生可能前期知識積累存在欠缺，但通過課前查閱資料文獻，課中科普視頻等形式，知識的點滴滲透在不經意間獲得。［6］例如，在講介質的電磁性質時，課前將學生進行分組并安排任務，學生在課中分享超導材料的實際工程應用，之后教師進行原理的分析以加深認識，如圖1所示為學生的展示分享PPT。再例如，每次上課前五分鐘，安排一個“課前知識小風暴”的環節，學生選擇與本章節知識點相似的話題與同學交流，可以是自己的疑惑，可以是某個概念或某個實驗現象等，通過知識的交叉碰撞，拓寬學生的視野，提高學生的學習興趣。

二、增加信息量，給課堂注入活力

（一）利用Matlab輔助教學，實現科研教學結合

優質的課堂不應是教師的“一言堂”，應充分發揮信息技術的龐大功能，實現課堂的可聽、可看、可操作性和可觀賞性。Matlab是一款具有強大的數據計算功能和圖形模擬功能的工程軟件，對學生基礎要求不高，并且學生在此之前已修過這門課程，更易上手操作演練，因此，將Matlab引入課堂教學，利用Matlab的計算及繪圖功能進行仿真模擬具有可行性。例如在講矢量分析部分時，用Matlab仿真模擬電磁場的空間分布特征，包括對電場、磁場分布曲線的描繪；利用Matlab仿真模擬電磁場的梯度、散度、旋度（簡稱“三度”）運算，通過圖形仿真來幫助學生更直觀形象的認識電磁場的基本特性及場的“三度”所蘊含的物理含義，引導學生以矢量場論的思維方式看待電磁場問題。如圖2所示的電偶極子在空間的電場分布，可以看出，穿過包圍正電荷的任一閉合曲面的電通量大于零，即有電場線從該閉合面內發出，這表明，正電荷是發出電場線的源；同理，穿過包圍負電荷的任一閉合曲面的電通量小于零，即有電場線穿入該閉合面，表明負電荷是終止電場線的匯，即靜電場是有源場。這種通過現場演示模擬圖形的方法，不僅激發了學生的探索求知欲，對于學生開展探究性學習也具有極大的幫助。

（二）采用線上線下相結合的方式教學，實現資源共享

在新時代背景下，充分利用網絡及多媒體資源，將線上教學貫穿于課前、課中、課后，能有效發揮“線上”與“線下”教學的優勢互補作用。［7］以運用超星學習通平臺為例，將國家精品課程資源上傳至學習通，讓學生課前觀看預習，課堂中選取優質的視頻資源進行集體觀看，并讓學生參與討論。例如在講“相對論的時空理論”前，讓學生用一個關鍵詞概括自己對狹義相對論的理解，并運用超星學習通投影于大屏幕，展示學生的認知力和想象力，促進同學間相互交流，也使課堂增添了樂趣和活力。再如對涉及概念、公式較多的章節，利用隨堂練習功能編輯測試題，讓學生現場作答或搶答，并隨機抽查學生談談各自的看法，教師再解答疑惑，查漏補缺，及時發現并解決問題。課后，針對本節課布置的思考題，學生可在討論區展開討論，全天候無間斷地保持學習及有效互動。

（三）融入課程思政，實現全方位育人

課程思政作為一種教育教學理念，承載著培養學生世界觀、人生觀的作用，在潤物細無聲中給學生以精神指引。［8］自然貼切的思政元素需要教師精心挖掘和提煉，為了思政而思政的教學方式難以實現教育任務。因此，針對提煉課程內容中蘊含的人文元素實施課程思政至關重要。例如在講波導這節內容時，首先向學生明確波導是用以傳輸電磁能量的中空金屬管，金屬波導問題實則是電磁場的邊值問題，［9］只需求解一定頻率下電磁波所滿足的亥姆霍茲方程的解。求解的過程中，由于波導的幾何尺寸充當邊界條件，因此決定了波解具有不同形式，即對應于波不同的傳播模式。人的一生亦如求一個方程的定解，他的出生及成長經歷等是其自身應服從的規律，而外部環境，如努力、機遇等則是決定其成功與否的重要影響因素。通過類似的比喻，不僅加深了學生對內容的理解，也讓學生意識到不虛度年華，堅持努力奮斗的重要性。通過電磁波的傳播引申到我國的5G及北斗導航系統所處的領先地位及面臨的巨大挑戰，以此來激勵學生要樹立遠大的目標和理想，為我國的科技進步貢獻自己的力量。

再比如對以太物質的認知上，歷史上很長一段時間都被“以太說”統治，認為它無處不在甚至是真空。然而，邁克爾遜-莫雷實驗中并沒有測出地球相對以太介質的速度，即否定了以太的存在。即本以尋找以太為目標的實驗反而成了驗證愛因斯坦相對論的直接證據，于是，才有了后來愛因斯坦狹義相對論及洛倫茲變換的誕生。可見，任何真理的建立需要大膽的設想以及不斷的實驗驗證，偉大的成就除了天才的想法外，更多地依賴于科學家們嚴謹的治學態度及頑強的拼搏精神，這都值得借鑒與學習。

三、重視課后教學評價，實現全過程監控

課程教學改革中，教學評價具有激勵和調節的重要作用，其中，學生學習過程評價最直接的方式就是考核。在“以學生為主體”教學理念的探究式教學中，更加關注對學生整個學習過程的考核，［10］主要包括課堂表現、課后作業、隨堂測驗、課程總結等方面，個別項目從線上和線下兩個維度協同考核，［11-12］既保證了成績的相對公平，也滿足了學生的個性化學習需求。

（一）考核方式

1. 課堂表現

本課程更加關注課堂教學中學生與教師、學生與學生間的互動。例如小組討論中，代表發言者可獲得最高分值，積極參與討論者次高，普通組員一般分值。課堂中教師會通過線上及線下方式隨機提問，根據學生的回答情況酌情加減分。另外，還可引入課堂競爭機制，即凡是答對問題者在課堂表現成績中均有相應加分，答錯不扣分，或者采取連續多節課都提問一位學生回答問題。久而久之，學生學習的主動性得到了增強，原本沉悶的課堂也變得活躍起來，師生交流互動的次數增多，教學效果也得到了提升。

2. 課后作業

作業環節包括線上發布的隨機作業和定期的線下作業。線上作業主觀題通常采用生生互評方式，學生在點評他人作業的過程中，開闊思路，汲取別人的優秀經驗，彌補自身不足。線下重點考查學生能否獨立完成作業，采取上交作業前學生先自己評閱的方法。即倘若作業是學生在沒有參考資料的前提下自己獨立完成的，學生自評為A；若借助參考資料或是他人作業完成，自評為B；若完全抄襲別人的成果，自評為C。而后由教師統一批閱，根據作業情況給出綜合成績。通過自評，可以判斷學生對該部分內容的掌握情況，短期激勵其更好完成作業還可以培養學生實事求是的品格。但該方式考核效果并不太理想，后期學生易產生倦怠，持續激勵作用不明顯，并不適用于作業考核全過程。

3. 隨堂測驗

通過線上開卷考試完成隨堂測驗，考試時間為45分鐘。其中客觀題大多為平時練習的章節測驗題，主觀題為開放型題，例如通過已有的學習，寫出本課程中掌握最好的一部分或者哪部分掌握最差等。通過測驗，能更有效地反饋學生學習的整體效果，為后續階段的教學提供一定的參考。

4. 課程總結

在每章內容結束時，要求學生用最少的字數對本章重點內容做思維導圖式總結。通過章節總結，使學生更好地理解知識脈絡，理清課程框架體系，提高概括總結能力。最后，教師對優秀的具有代表性樣本進行展示傳閱，促進學生之間的相互學習和進步。

（二）成績評定

本課程最后成績由期末卷面成績（70%）與平時成績（30%）構成。其中，平時成績以百分制計算，課堂表現占比40%，課后作業30%，隨堂測驗20%，課程總結10%。需要說明的是，以上各環節考核并非每次上課都用到，而是根據具體的學習內容和目標選擇適合的考核項目。

四、結語

根據問卷調查結果匯總，近兩年來通過對本校電動力學的教學改革，大部分學生認為新的教學模式更利于他們獲取知識，能更多地參與到課程學習中，甚至有學生感慨正是通過本門課程的學習讓其對物理專業產生了濃厚興趣。但這種“以學生為主體”教學理念的探究式教學仍存在很多問題，例如課程內容在深度及廣度方面延展不夠需進一步拓展，教師的工作量加大等仍須在進一步的實踐教學中加以探索優化。

參考文獻：

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［11］ 姜貴文，郭俊萍，劉保華，等. “新工科”背景下大學物理教學現狀及改革措施［J］. 上饒師范學院學報，2020，40（06）：20-23.

［12］ 王青，郭應壽. 《費曼物理學Ⅱ》和《電動力學》混合式線上教學實踐［J］. 物理與工程，2020，30（03）：3-10.

（薦稿人：劉艷娥，呂梁學院副教授）

（責任編輯：黃文波）

基金項目：2021年山西省高等學校教學改革創新項目“Matlab在電學類課程教學中的應用研究 ”（項目編號：J2021719）；2021年山西省高等學校教學改革創新項目“微控制器類課程的建設與改革——以《單片機原理及應用》課程為例 ”（項目編號：J2021718）。

作者簡介：高平（1985—），女，碩士，呂梁學院物理系講師，研究方向為電磁學、電動力學的教學與研究工作；舒鵬麗（1985—），女，博士在讀，呂梁學院物理系講師，研究方向為量子力學、熱力學與統計物理學的教學與研究工作；孫燕芬（1985—），女，碩士，呂梁學院物理系講師，研究方向為電磁學、電動力學的教學與研究工作；吳雙娥（1986—），女，碩士，呂梁學院物理系講師，研究方向為電磁場與電磁波、微機原理及應用等的教學與研究工作。