“電磁場(chǎng)理論”課程興趣教學(xué)的探討

摘要：“電磁場(chǎng)理論”這門課程的概念抽象，公式和推理繁多，計(jì)算復(fù)雜，不容易讓學(xué)生產(chǎn)生學(xué)習(xí)興趣。在教學(xué)中，嘗試著將復(fù)雜的東西用最簡(jiǎn)單的話說(shuō)出來(lái)，對(duì)抽象的公式做最為形象的描述，圍繞物理定律講一個(gè)跌宕起伏的故事，再結(jié)合各種悖論、前沿和未知，來(lái)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，取得了良好的效果。

關(guān)鍵詞：電磁場(chǎng)理論；興趣；教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642#8195；#8195；#8195；#8195；#8195；文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A#8195；#8195；#8195；#8195；#8195；文章編號(hào)：1007-0079（2014）18-0046-02

電磁場(chǎng)理論是電氣工程的一門核心課程，也是理解和掌握電氣領(lǐng)域其他專業(yè)課程的物理基礎(chǔ)，更是探索電氣工程前沿必須具備的基本知識(shí)，在電氣工程的課程體系中占有重要的地位。因此“電磁場(chǎng)理論”課程教學(xué)質(zhì)量的好壞，直接關(guān)系到學(xué)生對(duì)其他專業(yè)知識(shí)的理解和吸收，甚至?xí)绊懙綄W(xué)生在本領(lǐng)域的創(chuàng)新能力。

電磁場(chǎng)理論這門課程具有公式和推理繁多、計(jì)算復(fù)雜、前后關(guān)聯(lián)緊密，并且內(nèi)容極為抽象等特點(diǎn)，如果不能使學(xué)生對(duì)電磁場(chǎng)理論的學(xué)習(xí)產(chǎn)生興趣，很難取得良好的教學(xué)效果。本文結(jié)合電磁場(chǎng)理論的教學(xué)內(nèi)容，探討一些提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的教學(xué)方法。

一、從簡(jiǎn)單的知識(shí)說(shuō)起

學(xué)生只愿意聽(tīng)他們能聽(tīng)得懂的東西。就筆者而言，不管是聽(tīng)課還是聽(tīng)報(bào)告，只要演講者開(kāi)始的幾句話聽(tīng)不懂，哪怕是有幾個(gè)難懂的專業(yè)術(shù)語(yǔ)，就會(huì)瞬間失去聽(tīng)下去的興趣。相反，通俗、簡(jiǎn)單的開(kāi)始總會(huì)給人親近的感覺(jué)，讓人更加專注地聽(tīng)接下來(lái)的內(nèi)容。

電磁場(chǎng)理論的第一節(jié)課，可以從物理學(xué)最基本的概念——“力”開(kāi)始講起。力是物體與物體的相互作用，其作用的結(jié)果是使物體的狀態(tài)發(fā)生改變。學(xué)過(guò)的力有很多：重力、庫(kù)侖力、摩擦力、彈力等等，但是基本的力只有三種：萬(wàn)有引力、電磁力和強(qiáng)核力，這三種基本的力也被稱為基本相互作用。萬(wàn)有引力負(fù)責(zé)讓行星繞太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)，而電磁相互作用負(fù)責(zé)讓電子和原子核形成原子，再讓原子最終構(gòu)成世界上所有的物質(zhì)；強(qiáng)（核）相互作用負(fù)責(zé)讓質(zhì)子和中子構(gòu)成原子核。一種原子的具有怎樣的化合價(jià)，它能和哪種原子組成化合物，這種化合物是導(dǎo)體還是絕緣體，它是什么顏色的，強(qiáng)度和韌性怎樣……，TNT為什么會(huì)爆炸，光合作用是怎么進(jìn)行的……， 這些都是電磁相互作用的結(jié)果，可以說(shuō)這個(gè)世界上90%以上的現(xiàn)象都與電磁相互作用有關(guān)，而現(xiàn)在要學(xué)的電磁場(chǎng)理論就是研究電磁相互作用的一門科學(xué)。

這樣簡(jiǎn)單的開(kāi)始，既讓學(xué)生明白電磁場(chǎng)理論講的是什么，又拉近了電磁場(chǎng)理論和學(xué)生的距離，如果一開(kāi)始就講梯度、散度和旋度，恐怕還沒(méi)有搞清楚什么是場(chǎng)，就已經(jīng)陷入對(duì)復(fù)雜的矢量分析的恐懼中了。

二、將復(fù)雜的東西簡(jiǎn)單化，將抽象的東西形象化

將復(fù)雜的東西簡(jiǎn)單化，將抽象的東西形象化，不但會(huì)獲得更多的聽(tīng)眾，而且會(huì)加深他們對(duì)所講內(nèi)容的理解。一節(jié)課上，筆者讓3個(gè)人走出教室，然后問(wèn)大家教室里少了幾個(gè)人，大家一時(shí)不知老師到底要說(shuō)什么。然后筆者告訴大家：如果把一個(gè)人看成是一個(gè)電荷，把教室看做一個(gè)閉合的高斯面，從高斯面出來(lái)電荷量，等于高斯面內(nèi)減少的電荷量，這時(shí)大家就明白筆者在講電荷守恒。從高斯面里出來(lái)的電荷量，可以用電流密度的閉曲面積分來(lái)表示，而高斯面內(nèi)電荷量的減少就是電荷量對(duì)時(shí)間偏微分的負(fù)值，二者相等正是電荷守恒的積分公式。如果過(guò)高斯面所包含的體積是個(gè)非常小的單位體積，那么從高斯面里出來(lái)的電荷量，可以用電流密度的散度表示，而高斯面內(nèi)電荷量的減少就是電荷密度對(duì)時(shí)間偏微分的負(fù)值，二者相等正是電荷守恒的微分公式。這樣，學(xué)生只要理解了閉曲面積分和散度，就能明白電荷守恒以及其微分和積分公式的含義。

電磁場(chǎng)理論中的公式繁多，不容易記住。有時(shí)候做一些形象地類比，對(duì)記憶公式頗有益處。一個(gè)小球所具有的動(dòng)能1/2mv2，可以理解為二分之一倍的小球的固有屬性——質(zhì)量乘以小球的可變狀態(tài)屬性——速度的平方；而一個(gè)電容器所帶有的電能1/2CU2，可以理解為二分之一倍的電容器的固有屬性——電容乘以電容器的可變狀態(tài)屬性——電壓的平方；而一個(gè)電感器所帶有的能量1/2LI2，可以理解為二分之一倍的電感器的固有屬性——電感乘以電感器的可變狀態(tài)屬性——電流的平方。同樣的道理，真空中單位體積的靜電場(chǎng)具有的能量，是二分之一倍的固有屬性——真空介電常數(shù)ε0乘以電場(chǎng)的可變狀態(tài)屬性——電場(chǎng)強(qiáng)度E的平方，而真空中單位體積的靜磁場(chǎng)具有的能量，是二分之一倍的固有屬性——ε0C2乘以磁場(chǎng)的可變狀態(tài)屬性——磁感應(yīng)強(qiáng)度B的平方，這樣類比著記憶，不但容易記住公式本身，而且可以加深學(xué)生對(duì)公式的理解，也擴(kuò)展了相關(guān)領(lǐng)域的知識(shí)。

三、圍繞課程講一個(gè)跌宕起伏的小故事

對(duì)學(xué)生們來(lái)說(shuō)，聽(tīng)故事比聽(tīng)課更具有吸引力。一個(gè)好的故事通常有起因、發(fā)展、高潮和結(jié)局，如果一節(jié)課在保持簡(jiǎn)單性的原則下，能夠像故事一樣講得跌宕起伏、引人入勝，也不失為一種好的教學(xué)方法。

在麥克斯韋的四個(gè)方程中，有兩個(gè)是描述電場(chǎng)的散度和旋度的方程，有兩個(gè)是描述磁場(chǎng)的散度和旋度的方程，而且變化的電場(chǎng)產(chǎn)生帶有旋度的磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生帶有旋度的電場(chǎng)。從某種角度來(lái)看，電場(chǎng)和磁場(chǎng)是同一事物的兩個(gè)方面——就像“手心”和“手背”，并且具有很高的對(duì)稱性。但是這種對(duì)稱性并不完美——發(fā)散的電場(chǎng)來(lái)自于電荷，而發(fā)散的磁場(chǎng)是不存在的，也就是說(shuō)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)磁荷（磁單極子）這種東西。難道目前沒(méi)有發(fā)現(xiàn)，就代表著宇宙中沒(méi)有這種東西么？有沒(méi)有可能磁荷是存在的，只是離地球比較遠(yuǎn)而沒(méi)有被發(fā)現(xiàn)呢？出于對(duì)物理中對(duì)稱美的追求和向往，很多物理學(xué)家寧愿相信上帝在創(chuàng)造電荷的同時(shí)也創(chuàng)造了磁荷。物理學(xué)家狄拉克早在1931年就利用數(shù)學(xué)公式預(yù)言了磁荷的存在，之后許多實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家致力于在太空中尋找磁荷，甚至有報(bào)道稱發(fā)現(xiàn)磁荷存在證據(jù)，但是遺憾的是，這些實(shí)驗(yàn)都無(wú)法重復(fù)，到目前為止都沒(méi)有確鑿的證據(jù)最終證明磁荷存在與否，這仍然是自然界中的未解謎題之一。

這樣圍繞一個(gè)物理知識(shí)講一個(gè)小故事，不但改善了課堂內(nèi)容枯燥的弊病，而且容易引起學(xué)生的好奇心，并且加深學(xué)生對(duì)麥克斯韋方程的理解。筆者甚至在期末考試中出過(guò)這樣一道題：如果在2085年，科學(xué)家在太空中探索到了磁荷的存在，請(qǐng)問(wèn)麥克斯韋方程需要如何改寫？

四、敢于觸碰前沿、悖論和未知

大學(xué)生都是20多歲的年輕人，他們喜歡新鮮的事物，并且對(duì)新鮮事物有著天然的敏感性和好奇心，如果每天講課的內(nèi)容都是上百年的“舊知識(shí)”，他們自然是沒(méi)有興趣。在課堂上，每講一個(gè)知識(shí)點(diǎn)，再結(jié)合相關(guān)領(lǐng)域的前沿、悖論和未知，會(huì)激發(fā)學(xué)生的好奇心，促進(jìn)他們獨(dú)立思考，并開(kāi)闊他們的眼界。

超導(dǎo)是電氣工程中一個(gè)方興未艾的前沿領(lǐng)域，并涉及電磁場(chǎng)理論的各個(gè)方面。課堂上，可以從超導(dǎo)體被發(fā)現(xiàn)的曲折歷史故事開(kāi)始講起，讓學(xué)生知道這世界上除了絕緣體、半導(dǎo)體和導(dǎo)體之外，還有一種電阻為絕對(duì)的零的“超”導(dǎo)體。這種超導(dǎo)體被做成電纜，可以不產(chǎn)生焦耳熱，損耗為零；做成電動(dòng)機(jī)（或發(fā)電機(jī)）可以將體積減小一半以上，可以作為軍艦和潛艇的動(dòng)力；超導(dǎo)線圈可以產(chǎn)生很強(qiáng)的磁場(chǎng)，可以做成醫(yī)療上使用的核磁共振儀。此外超導(dǎo)體還有抗磁性，使超導(dǎo)體在磁場(chǎng)中懸浮起來(lái)，這樣可以讓火車懸浮起來(lái)，貼地“飛行”；也可以讓陀螺懸浮起來(lái)，讓它作為導(dǎo)彈或者宇宙飛船的“指南針”；超導(dǎo)體甚至可以做成計(jì)算芯片，等等。但是超導(dǎo)體目前面臨的最大困難是，要想讓超導(dǎo)體電阻為零或產(chǎn)生抗磁性，需要把它冷卻到一個(gè)很低的溫度，但是有沒(méi)有不需要冷卻的超導(dǎo)體呢？很多研究人員在朝這個(gè)方向努力，但是誰(shuí)都不知道答案，目前甚至連很多已知的超導(dǎo)體電阻為什么是零都不知道。

除了前沿領(lǐng)域，還有很多悖論和未知可以在課堂上提出來(lái)。比如電子是不是一個(gè)點(diǎn)電荷？球形閃電是怎么產(chǎn)生的？沒(méi)有電磁相互作用而只有引力相互作用的暗物質(zhì)和暗能量、雙生子繆佯等等。

五、給學(xué)生留下問(wèn)題

學(xué)生最缺乏的就是獨(dú)立思考和解決問(wèn)題的能力。筆者有時(shí)候甚至認(rèn)為，大學(xué)老師主要任務(wù)應(yīng)該是提出問(wèn)題，讓學(xué)生獨(dú)立思考和解決，而不是告訴他們答案。所以在課堂上可以提出很多問(wèn)題，但是最好不要給出所有問(wèn)題的答案，留一些問(wèn)題，讓有興趣的同學(xué)獨(dú)立思考，和別人討論，對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)更有意義。大學(xué)教育應(yīng)該注重學(xué)生的興趣，這是學(xué)生獨(dú)立思考和創(chuàng)新的動(dòng)力源泉。

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（責(zé)任編輯：王意琴）