電磁學(xué)教學(xué)新模式的探索與實(shí)踐

李智華 熊曹水 項(xiàng)林川 陸培祥

(華中科技大學(xué)物理學(xué)院 湖北 武漢 430074)

1 前言

電磁學(xué)是物理學(xué)非常重要的一門基礎(chǔ)課，是物理與很多學(xué)科如光電、機(jī)械、信息等領(lǐng)域交叉的重要基礎(chǔ)課，電磁學(xué)課程教學(xué)除了讓學(xué)生掌握電磁學(xué)理論基本知識，還擔(dān)負(fù)著培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維方法，激發(fā)學(xué)生主動探索精神的任務(wù)．電磁學(xué)基礎(chǔ)打得是否扎實(shí)直接影響學(xué)生今后其他課程學(xué)習(xí)，甚至影響他們今后的科研或工作能力與成績．電磁學(xué)也是一門與實(shí)驗(yàn)密切關(guān)聯(lián)的課程，電磁學(xué)課程教學(xué)要結(jié)合相關(guān)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)是必然的，也是必須的[1，2]．如何將電磁學(xué)課程的理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)結(jié)合起來，有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動探索精神，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的思維方法和創(chuàng)新思維，提高教學(xué)質(zhì)量和效果，顯得尤為重要．

鑒于此，在電磁學(xué)教學(xué)過程中，我們對電磁學(xué)教學(xué)創(chuàng)新模型進(jìn)行了嘗試、探索和實(shí)踐，筆者將在此和大家分享探討，其中重點(diǎn)介紹電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)如何與理論教學(xué)的有效配合，以及不同層次電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)的重要作用，以求拋磚引玉．

2 大學(xué)階段電磁學(xué)“教”與“學(xué)”與中學(xué)階段的銜接

作為物理學(xué)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，電磁學(xué)大學(xué)課程教學(xué)與高中相關(guān)內(nèi)容的教與學(xué)的方式及目的存在很大差異，這大家都比較清楚.但畢竟學(xué)生在高中階段已經(jīng)接觸到了電與磁的相關(guān)知識，因此大學(xué)教師在上電磁學(xué)課時(shí)，為了在課堂上抓住學(xué)生的注意力，不讓學(xué)生覺得有“炒現(xiàn)飯”的嫌疑，保證有好的教學(xué)效果，讓學(xué)生在原有相關(guān)知識的基礎(chǔ)上學(xué)到新知識、新方法，教師是非常有必要重視在教學(xué)的過程中，充分注意教學(xué)方式以及知識點(diǎn)的銜接[3，4]．在學(xué)生已有的知識背景下，找到相關(guān)知識的銜接點(diǎn)，再擴(kuò)展延伸出新知識的內(nèi)容，這也是符合有效地、牢固地消化吸收知識的方法論的．比如在電磁學(xué)的靜電學(xué)部分，我們會介紹庫侖平方反比實(shí)驗(yàn)定律，顯然學(xué)生在中學(xué)階段已經(jīng)初步接觸該定律，并用它去解決一些電荷間靜電力的問題．在大學(xué)電磁學(xué)課堂上講授這部分內(nèi)容的時(shí)候，如果還是直接把這個(gè)結(jié)果灌輸給學(xué)生就欠妥了．若是采取反問和質(zhì)疑的方式讓學(xué)生思考效果會如何呢？比如提出“平方反比關(guān)系一定成立嗎？如果不成立會怎樣？”“如果是兩個(gè)尺寸不能忽略的帶電球間，相互間的靜電力又如何？”學(xué)生就會想“高中時(shí)不一直這樣用的嗎？難道書本上的知識還有錯(cuò)要質(zhì)疑？”還可以結(jié)合實(shí)驗(yàn)演示，用實(shí)驗(yàn)事實(shí)來回答相關(guān)問題．這樣的教學(xué)方式，讓學(xué)生帶著問題去學(xué)習(xí)，既有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也有助于培養(yǎng)學(xué)生主動思考和敢于質(zhì)疑的精神，當(dāng)然有助于提高課堂的教學(xué)效果了．電磁學(xué)教學(xué)過程中還有很多類似需要注意與中學(xué)階段銜接的問題和內(nèi)容，此處就不一一枚舉了．

3 電磁學(xué)理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的探索與實(shí)踐

由電磁學(xué)的發(fā)展歷史來看，從電磁學(xué)的基本實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象到基本電磁規(guī)律，電磁學(xué)的理論知識無不與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)緊密相連．在電磁學(xué)的教學(xué)過程中，必然要遵從人們對電磁自然現(xiàn)象認(rèn)識的基本規(guī)律，純粹進(jìn)行電磁學(xué)理論教學(xué)而脫離實(shí)驗(yàn)，顯然是不科學(xué)的．如何將電磁學(xué)課程的理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)結(jié)合起來，有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動探索精神，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的思維方法和創(chuàng)新思維，提高教學(xué)質(zhì)量和效果，培養(yǎng)具有扎實(shí)電磁學(xué)基礎(chǔ)知識的理工科人才當(dāng)然非常重要了．因此在電磁學(xué)的教學(xué)過程中，我們對教學(xué)模式做了如下探索.

首先，采取“理論教學(xué)+實(shí)驗(yàn)+討論+小論文”靈活多樣的多元化教學(xué)模式．理論教學(xué)輔以實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)密切為理論教學(xué)服務(wù)；采用啟發(fā)式、問題式的教學(xué)方法讓學(xué)生積極思考并參與討論，既活躍課堂氣氛又激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也有助于提高教學(xué)效果；此外，學(xué)生還可以根據(jù)自己的興趣自由自主選題，靈活應(yīng)用所學(xué)的電磁學(xué)理論知識開展電磁學(xué)相關(guān)問題的研究，鼓勵創(chuàng)新并形成小論文．運(yùn)用問卷調(diào)查方法了解學(xué)生對教學(xué)的意見和建議，不斷在教學(xué)實(shí)踐中完善多元化教學(xué)模式．

其次，電磁學(xué)課堂演示實(shí)驗(yàn)為電磁學(xué)理論教學(xué)服務(wù)．演示實(shí)驗(yàn)部分是電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的第一層次[5]．密切結(jié)合理論課程的教學(xué)進(jìn)度，認(rèn)真選擇、精心設(shè)計(jì)、適時(shí)安排演示實(shí)驗(yàn)來配合理論教學(xué)．這些演示實(shí)驗(yàn)分為靜電學(xué)和靜磁學(xué)兩個(gè)部分，靜電學(xué)部分用于課堂演示的實(shí)驗(yàn)包括：摩擦起電和感應(yīng)起電演示、范氏起電機(jī)和韋氏起電機(jī)演示、尖端放電現(xiàn)象演示與避雷針、靜電平衡導(dǎo)體電荷分布演示、電介質(zhì)的極化演示、靜電植絨和靜電除塵演示、電容器的儲能演示、溫差電池、化學(xué)電池和光電池演示、靜電屏蔽演示；靜磁學(xué)部分用于課堂演示的實(shí)驗(yàn)包括：奧斯特實(shí)驗(yàn)、通電導(dǎo)線安培力演示實(shí)驗(yàn)、磁感線分布演示實(shí)驗(yàn)、洛倫茲力演示、直流交流發(fā)電機(jī)演示、鐵磁體的居里溫度演示、巴克豪森效應(yīng)演示、法拉第電磁感應(yīng)現(xiàn)象演示、電磁阻尼與電磁驅(qū)動演示、渦流熱效應(yīng)演示、趨膚效應(yīng)演示、暫態(tài)電路弛豫時(shí)間演示、RLC共振電路演示、電磁波特性及其發(fā)射與接收等演示．這些演示實(shí)驗(yàn)的引入，有效地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性、熱情與主動性，啟發(fā)學(xué)生如何從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的感知到現(xiàn)象背后本質(zhì)物理規(guī)律認(rèn)識，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的思維方法和主動的探索精神，有助于幫助學(xué)生深刻理解和牢固掌握電磁學(xué)基本理論知識．

第三，開設(shè)學(xué)生可進(jìn)實(shí)驗(yàn)室自己動手的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，這是電磁學(xué)第二層次實(shí)驗(yàn)，也分為靜電學(xué)和靜磁學(xué)兩個(gè)部分．以小班為單位組織學(xué)生進(jìn)實(shí)驗(yàn)室自己動手實(shí)驗(yàn)，靜電學(xué)和靜磁學(xué)兩部分各安排2學(xué)時(shí)．此外，電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)室還對學(xué)生定期開放，有興趣的學(xué)生還可以在開放時(shí)間段內(nèi)自主到實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)．這部分的實(shí)驗(yàn)涵蓋了部分的演示實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)儀器較重不適合用于演示的實(shí)驗(yàn)以及同一實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象衍生出的多種實(shí)驗(yàn)等．比如“怒發(fā)沖冠”演示靜電屏蔽的實(shí)驗(yàn)儀器比較龐大，將其搬到課堂上演示的難度大，在課堂教學(xué)的過程中可以僅僅呈現(xiàn)往屆某某學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證此實(shí)驗(yàn)時(shí)拍攝的照片．學(xué)生們看了往屆學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)的照片，興趣很快被激發(fā)出來，三五成群約好到我們的電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)室來做實(shí)驗(yàn)．這就是較典型的示范作用了，而且實(shí)驗(yàn)效果很震撼．相信他們這一輩子都忘不了這個(gè)實(shí)驗(yàn)，能牢牢掌握現(xiàn)象背后靜電屏蔽的本質(zhì)規(guī)律．這樣的教學(xué)方式和效果自然也能得到學(xué)生的認(rèn)可和好評．

第四，學(xué)生自主設(shè)計(jì)電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)是電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)的最高層次．在電磁學(xué)理論教學(xué)過程中，有意識地準(zhǔn)備和拋出一些問題[6]，引導(dǎo)學(xué)生思考相應(yīng)的物理圖像，鼓勵學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)去直觀反映物理現(xiàn)象或圖像．學(xué)生在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)及儀器的過程中，既要非常了解實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象背后的原理，還要考慮實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置是否合理、做出來的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是否明顯等多方面的因素，這不僅有助于培養(yǎng)學(xué)生提出問題和解決問題的能力，當(dāng)然也培養(yǎng)了學(xué)生的動手能力，而且學(xué)生做出來都是實(shí)驗(yàn)的原型裝置，不是黑匣子式的、商品化的實(shí)驗(yàn)儀器．

如圖1是2011級學(xué)生設(shè)計(jì)制作高速電動機(jī)模型和測速裝置演示時(shí)的場景，雖然轉(zhuǎn)速目前僅達(dá)到120 r/s，但設(shè)計(jì)裝置的過程中，他們既用到了電磁學(xué)理論課上獲得的安培力相關(guān)的知識，也利用了他們在單片機(jī)課堂上學(xué)到的知識，而且仔細(xì)分析影響轉(zhuǎn)速的因素，接下來如何提高轉(zhuǎn)速的思路也就有了．

圖1 高轉(zhuǎn)速電動機(jī)模型設(shè)計(jì)與測速

圖2是2011級應(yīng)用物理班學(xué)生制作的非均勻磁場中磁介質(zhì)磁化受力和運(yùn)動演示儀．設(shè)計(jì)前學(xué)生必須相當(dāng)了解非均勻磁場中磁介質(zhì)的磁化和受力及運(yùn)動規(guī)律．再者，為讓實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，工作電流的選取、銅線粗細(xì)的選擇必須結(jié)合考慮，電流太大銅線太細(xì)時(shí)，銅線易發(fā)熱燒斷甚至短路，電流太小磁介質(zhì)受力太小，會導(dǎo)致運(yùn)動規(guī)律不明顯等等．只有思考并解決了這些問題，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的效果才會明顯．

圖2 非均勻磁場中磁介質(zhì)的受力和運(yùn)動演示

從上面兩例子可以看出，提倡學(xué)生自主思考設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、搭建實(shí)驗(yàn)儀器，提供學(xué)生更多的自主發(fā)揮空間，既有助于學(xué)生掌握電磁學(xué)理論基本知識，又培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維方法，激發(fā)學(xué)生主動探索精神,這種教學(xué)方式后的效果要優(yōu)于直接買來發(fā)電機(jī)模型向?qū)W生演示是不言而喻的了．此外，如果把往屆同學(xué)制作的實(shí)驗(yàn)裝置展現(xiàn)在下屆同學(xué)的面前時(shí)，對下屆的同學(xué)著實(shí)能起到很好的觸動和范式作用，筆者在課堂教學(xué)過程中有親身體會，不管是往屆學(xué)生還是當(dāng)屆的學(xué)生，看到他們親手制作的實(shí)驗(yàn)裝置展現(xiàn)在眼前，并能演示出很好的效果，在自己的內(nèi)心深處產(chǎn)生一種強(qiáng)烈的成就感，也是做為教師最快樂的時(shí)刻.鼓勵自己有激情和信心繼續(xù)在第三層次的電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)上開展一些有意義的教學(xué)工作．

4 電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)問卷調(diào)查與分析

為更好地加強(qiáng)和改進(jìn)電磁學(xué)課程教學(xué)，我們對采取的新舉措的效果和支持度在2010級物理學(xué)院普通班和啟明班中做了問卷調(diào)查，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如下(相應(yīng)括號中的比例為調(diào)查啟明班的結(jié)果).

(1)認(rèn)為電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)對理解電磁學(xué)的相關(guān)理論和知識很有幫助的占25%(33%)，認(rèn)為有幫助的占64%(57%)，認(rèn)為可有可無的占3%(10%)．見圖3所示.

圖3 您認(rèn)為在電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)對您理解電磁學(xué)相關(guān)理論和知識有幫助嗎？

(2)認(rèn)為電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)芗由顚﹄姶艑W(xué)概念的認(rèn)識和規(guī)律理論的理解，對物理規(guī)律的實(shí)際應(yīng)用有較深的體會，能有助于培養(yǎng)自己分析問題和解決問題的能力，有助于培養(yǎng)自己的創(chuàng)新意識和能力的占100%(100%)，沒有同學(xué)認(rèn)為電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)沒必要，學(xué)好電磁學(xué)理論知識就能去理解電磁學(xué)的現(xiàn)象了.

(3)在學(xué)完電磁學(xué)后，如果給學(xué)生機(jī)會進(jìn)實(shí)驗(yàn)室去了解相關(guān)靜電學(xué)和靜磁學(xué)實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為很有必要、很樂意去的同學(xué)占了55%(67%)，認(rèn)為有必要會參與的同學(xué)占42%(33%)，認(rèn)為可有可無的同學(xué)占4%(0%)．統(tǒng)計(jì)見圖4.

圖4 學(xué)完相關(guān)電磁學(xué)理論知識后，如果給您機(jī)進(jìn)實(shí)驗(yàn)室去了解相關(guān)靜電學(xué)和靜磁學(xué)實(shí)驗(yàn)，您覺得有必要嗎？您會參加嗎？

圖5 對于電磁學(xué)演示實(shí)驗(yàn)的量的建議

(4)對于電磁學(xué)課堂上添加的演示實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為少了，可以再加入一些典型電磁現(xiàn)象的演示實(shí)驗(yàn)的同學(xué)占到了66%(71%)；認(rèn)為現(xiàn)有的演示實(shí)驗(yàn)數(shù)量基本夠了的占25%(29%)；認(rèn)為多了，可以少用一些演示實(shí)驗(yàn)，節(jié)約出一些時(shí)間詳細(xì)講解電磁學(xué)理論知識占9%(0%)．統(tǒng)計(jì)圖見圖5.

通過這次問卷調(diào)查，同學(xué)們對電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)出了很高的熱情和積極性，對比啟明班與普通班的反應(yīng)差異，很明顯對電磁學(xué)教學(xué)采取的新舉措，啟明班的同學(xué)表現(xiàn)出更高的積極性和贊同度．

5 結(jié)束語

電磁學(xué)是一門與實(shí)驗(yàn)密切關(guān)聯(lián)的課程，電磁學(xué)理論課程教學(xué)應(yīng)該密切結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)．在電磁學(xué)教學(xué)過程中，我們對電磁學(xué)教學(xué)創(chuàng)新模型進(jìn)行了嘗試、探索和實(shí)踐，深入思考電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的三個(gè)不同層次，以及不同層次的電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要作用，形成電磁學(xué)理論教學(xué)與三層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合的新教學(xué)模式，并在本校物理學(xué)院多屆學(xué)生中實(shí)踐．新的教學(xué)模式提供學(xué)生更多的自主發(fā)揮空間，有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)主動性，有助于培養(yǎng)學(xué)生提出問題、解決問題的能力，有助于培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的思維方法、主動的探索精神和動手能力，有助于幫助學(xué)生深刻理解和牢固掌握電磁學(xué)理論知識，對下屆的同學(xué)著實(shí)也能起到很好的觸動和范式作用．同學(xué)們對采用的教學(xué)模式展現(xiàn)了很高的熱情和贊同．

參 考 文 獻(xiàn)

1 胡成華，史玲娜.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新模式的探索與實(shí)踐.物理與工程，2012，22(1)：44～46

2 陳惠敏，武永慎.電磁學(xué)教學(xué)必須重視演示實(shí)驗(yàn).物理與工程，2008，18(4)：26～28

3 宋國利，梁紅，蘇春艷.大學(xué)物理課程與中學(xué)物理課程有效銜接方式的研究.物理與工程，2012，22(1)：56～58

4 孫九林.有效設(shè)計(jì) 提高實(shí)驗(yàn)效果.物理教師，2012，33(7)：40～41

5 張晚云，陸彥文，曾交龍.淺談如何在大學(xué)物理課堂教學(xué)中發(fā)揮好演示實(shí)驗(yàn)的作用.高等教育研究學(xué)報(bào)，2011，34(增刊)：49～51

6 其木格，林海河，郭繼成.物理演示實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：以問題為導(dǎo)向.內(nèi)蒙古師范大學(xué)學(xué)報(bào)(教育科學(xué)版)，2007，20(12)：93～95