“電動力學(xué)”課程教學(xué)改革的實踐探究*

萬 勇 李山東 云茂金 劉眉潔

（青島大學(xué) 物理科學(xué)學(xué)院，山東青島，266071）

“電動力學(xué)”課程教學(xué)改革的實踐探究*

萬 勇 李山東 云茂金 劉眉潔

（青島大學(xué) 物理科學(xué)學(xué)院，山東青島，266071）

“電動力學(xué)”是四大理論物理課之一。在問卷調(diào)查的基礎(chǔ)上，文章從分析學(xué)生的認(rèn)知過程出發(fā)，就“電動力學(xué)”課程對教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式和網(wǎng)絡(luò)多媒體教學(xué)等進行了多方面的改革，以適應(yīng)新形勢下人才培養(yǎng)的需要，并為課程改革提供借鑒。實踐證明，該課程教學(xué)改革取得了一定的成效，但也存在一些有待進一步解決的問題。

電動力學(xué)；理論物理；認(rèn)知過程；教學(xué)改革

引言

“電動力學(xué)”是四大理論物理課之一，主要內(nèi)容包括電磁場的基本屬性和運動規(guī)律、電磁場和帶電物質(zhì)的相互作用以及狹義相對論等[1]。該課程對學(xué)生掌握電磁場的基本規(guī)律，加深對電磁場和時空觀的理解，獲得分析基本電磁場問題的能力，提高學(xué)生的科研能力等方面都具有重要意義[2][3]。因此，“電動力學(xué)”是理論物理、凝聚態(tài)物理、材料科學(xué)、電子科學(xué)等專業(yè)的一門必修課。

“電動力學(xué)”課程知識體系非常系統(tǒng)，而且諧振腔、波導(dǎo)、天線等知識與實際應(yīng)用有緊密的聯(lián)系。但是，有不少學(xué)生覺得該課程偏難[4]。在該課程的學(xué)習(xí)過程中，一些學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣不高，聽課的注意力不集中，課后不能認(rèn)真預(yù)習(xí)和及時復(fù)習(xí)，甚至還有個別學(xué)生照抄別人的作業(yè)，最終其學(xué)習(xí)效果大打折扣。所以，需要從學(xué)生學(xué)習(xí)“電動力學(xué)”課程的認(rèn)知過程出發(fā)，對課程教學(xué)進行改革探索[5][6]。

一 問題分析

自2011年起，本研究連續(xù)四年對青島大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院應(yīng)用物理、光信息、微電子、新材料、新能源五個專業(yè)的學(xué)生進行了相關(guān)“電動力學(xué)”課程的跟蹤問卷調(diào)查:第一次問卷的側(cè)重點是學(xué)生學(xué)習(xí)“電動力學(xué)”的方法和習(xí)慣；第二次問卷的側(cè)重點是多媒體和網(wǎng)絡(luò)在“電動力學(xué)”教學(xué)中的應(yīng)用；第三次問卷的側(cè)重點是“電動力學(xué)”與其它物理課程的聯(lián)系。問卷調(diào)查所得結(jié)果主要包括如下幾個方面:

1 大部分學(xué)生覺得“電動力學(xué)”課程比較難學(xué)。

讓學(xué)生感到“電動力學(xué)”學(xué)習(xí)困難的主要因素有:矢量計算不適應(yīng)，數(shù)學(xué)推導(dǎo)較難，一些物理概念抽象，了解原理、但不會解題，記不住公式等。

2 學(xué)生對先行課的掌握水平差異較大。

“電動力學(xué)”課程的先行課有“高等數(shù)學(xué)”、“電磁學(xué)”和“數(shù)學(xué)物理方法”三門。有些學(xué)生對這三門課的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)不牢，特別是“數(shù)學(xué)物理方法”課，很多學(xué)生覺得該課程抽象，不清楚數(shù)學(xué)方程對應(yīng)的物理問題、不知道多種數(shù)學(xué)問題解法的目的等，這對“電動力學(xué)”課程的學(xué)習(xí)影響較大。

3 多數(shù)學(xué)生希望傳統(tǒng)教學(xué)和多媒體教學(xué)相結(jié)合。

問卷調(diào)查結(jié)果顯示，單純喜歡“黑板+粉筆”教學(xué)方式或喜歡完全采用多媒體教學(xué)方式的學(xué)生都不超過1/3。另外，學(xué)生們很希望通過網(wǎng)絡(luò)平臺學(xué)習(xí)、了解“電動力學(xué)”課程及其相關(guān)的內(nèi)容，并通過網(wǎng)絡(luò)及時發(fā)布信息、進行相互交流。

4 學(xué)生的學(xué)習(xí)方式影響知識結(jié)構(gòu)的形成。

根據(jù)問卷調(diào)查結(jié)果，可知:超過 50%的學(xué)生沒有養(yǎng)成預(yù)習(xí)和及時復(fù)習(xí)的習(xí)慣；聽課時認(rèn)真記筆記的學(xué)生也只占總數(shù)的1/3；只有近1/5的學(xué)生能夠全部獨立完成老師布置的作業(yè)，大部分學(xué)生只是基本上能夠獨立完成作業(yè)，有近1/5的學(xué)生不能獨立完成作業(yè)。學(xué)生的這種學(xué)習(xí)方式，嚴(yán)重地影響了他們知識結(jié)構(gòu)的形成。

為了更好地解決這些問題，需要追根溯源，從學(xué)生學(xué)習(xí)物理的認(rèn)知過程出發(fā)，找到“電動力學(xué)”課程學(xué)習(xí)過程的一般性和特殊性，并針對學(xué)生和學(xué)科的特點，在該課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、網(wǎng)絡(luò)和多媒體教學(xué)等環(huán)節(jié)進行教學(xué)嘗試和改進。

二 由物理認(rèn)知模式分析“電動力學(xué)”的學(xué)習(xí)過程

學(xué)生的物理認(rèn)知是指與物理知識學(xué)習(xí)密切相關(guān)的宏觀心理過程，包括學(xué)生原有物理知識的準(zhǔn)備，對新物理知識內(nèi)容的感知、理解和應(yīng)用，新、舊物理知識在頭腦中的組織，以及感知、理解和應(yīng)用物理知識習(xí)慣等。物理認(rèn)知結(jié)構(gòu)是學(xué)生自己頭腦中形成的物理知識結(jié)構(gòu)，是學(xué)生對物理知識體系內(nèi)容的理解和組織。學(xué)生相關(guān)物理認(rèn)知的學(xué)習(xí)模式如圖1所示。

圖1 學(xué)生的物理認(rèn)知學(xué)習(xí)模式

由圖 1可以看出，學(xué)生的物理認(rèn)知學(xué)習(xí)模式是比較復(fù)雜的。物理認(rèn)知學(xué)習(xí)開始于物理環(huán)境對學(xué)生的刺激。但需要注意的是，物理認(rèn)知學(xué)習(xí)效果的影響因素不僅取決于物理概念和規(guī)律本身，還取決于學(xué)生的學(xué)習(xí)動機和學(xué)習(xí)興趣的激發(fā)。思維加工是認(rèn)知過程的中心，它始終與學(xué)生的物理認(rèn)知結(jié)構(gòu)有關(guān)，所以對于改善學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)也非常重要。

1 學(xué)生學(xué)習(xí)動機和興趣的激發(fā)，是學(xué)習(xí)“電動力學(xué)”必要的心理準(zhǔn)備

學(xué)生要正確把握物理現(xiàn)象和規(guī)律，首先需通過觀察、聽講、閱讀等方式感知物理情景。但當(dāng)一些同學(xué)對“電動力學(xué)”越學(xué)越有興趣時，卻也有不少同學(xué)對該課程漸漸失去了學(xué)習(xí)的興趣。究其原因，主要就在于后者缺乏主動學(xué)習(xí)的動機，認(rèn)為“電動力學(xué)”的數(shù)學(xué)推導(dǎo)太多、物理意義難于理解、對現(xiàn)實生活和科技沒有實際意義等。之所以如此，在于他們對該課程的知識體系、知識背景缺乏真正的了解，因此需要教師創(chuàng)設(shè)相應(yīng)的情境來激發(fā)他們的學(xué)習(xí)動機和興趣。

2 具體感知與抽象思維是實現(xiàn)第一次認(rèn)知飛躍的基礎(chǔ)

圖1顯示，思維加工過程分為感知物理現(xiàn)象、形成概念和掌握規(guī)律、解決物理問題三個階段。其中，感知物理現(xiàn)象就是讓學(xué)生對物理事實、物理現(xiàn)象和物理過程形成清晰而明確的認(rèn)識，為其進一步的思維活動提供線索和依據(jù)。然后，思維加工進入形成概念和掌握規(guī)律的階段，學(xué)生的認(rèn)識由感性上升為理性、由具體變?yōu)槌橄螅纱藢崿F(xiàn)了認(rèn)知的第一次飛躍。

在實現(xiàn)第一次認(rèn)知飛躍的這一過程中，首先要建立物理表象，它是具體感知與抽象思維的必要過渡。建立具體的物理表象容易，建立一般的物理表象如電磁場、光速不變性、時空相對性等則比較困難，其過程是首先必須利用一些特殊的物理現(xiàn)象作鋪墊，待建立特殊表象后再推廣到一般情況。在原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)的支持下，表象通過分類、概括、抽象等思維加工過程，就可以形成物理概念和規(guī)律。也就是說，不僅要清楚概念的內(nèi)涵、外延和本質(zhì)屬性，還要明確概念建立的依據(jù)，明確它與其它概念之間的區(qū)別與聯(lián)系，以重新組合自己的“電動力學(xué)”認(rèn)知結(jié)構(gòu)。

3 知識結(jié)構(gòu)的形成和變通是實現(xiàn)第二次認(rèn)知飛躍的基礎(chǔ)

只實現(xiàn)了第一次認(rèn)知飛躍，并沒有完成物理的學(xué)習(xí)過程。因為只有解決了物理問題，才能鞏固、深化、活化物理概念和規(guī)律，才能對新的物理環(huán)境做出正確的反應(yīng)，這個過程就是思維從抽象到具體、知識由理解變?yōu)闀?yīng)用的過程，也就是認(rèn)知的第二次飛躍。對于熟悉類型的簡單應(yīng)用，需要學(xué)生從已有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)中提取相關(guān)的物理知識和方法并將其運用到新的物理環(huán)境中。但對于較難的“電動力學(xué)”題目，則需要學(xué)生將學(xué)過的物理概念、原理和方法加以重新組合，形成新的模式，生成新的知識組塊，有時還需要進行復(fù)雜的邏輯推理和判斷。因此，學(xué)生不僅要正確掌握相關(guān)的物理概念和規(guī)律，還要掌握物理知識之間的聯(lián)系，避免先入為主、粗心大意和思維的片面性，要善于改變方式思考問題。

由圖 1可知，思維加工的每一階段都同物理認(rèn)知結(jié)構(gòu)密切相連。學(xué)生要建立自己的物理認(rèn)知結(jié)構(gòu)，首先要在頭腦里建立起物理概念和規(guī)律之間的聯(lián)系，即弄清各個物理概念和規(guī)律在同一個物理體系中的地位，以及它們是如何結(jié)合起來實現(xiàn)物理知識的整體功能的。只有這樣，學(xué)過的物理知識才不會雜亂無章地堆積在大腦中，而會以一定的結(jié)構(gòu)方式和邏輯關(guān)系存在著，使知識呈現(xiàn)出一種有序的狀態(tài)?！半妱恿W(xué)”知識的有序性要變成學(xué)生自己知識結(jié)構(gòu)的有序性，是學(xué)生下一步認(rèn)知活動的必要準(zhǔn)備，也是學(xué)生提升能力的重要基礎(chǔ)。

4 “電動力學(xué)”認(rèn)知過程中的兩個突出特點

（1）“電動力學(xué)”認(rèn)知結(jié)構(gòu)的建立過程是復(fù)雜的。它不僅需要本身的物理概念、規(guī)律和方法組成相互關(guān)系，還需要下位數(shù)學(xué)知識、普通物理知識作支撐。也就是說，“電動力學(xué)”的學(xué)習(xí)，需要“高等數(shù)學(xué)”、“電磁學(xué)”、“數(shù)學(xué)物理方法”等學(xué)科知識組成的認(rèn)知結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)；如果數(shù)學(xué)、普通物理等的知識基礎(chǔ)不牢，就會對“電動力學(xué)”的學(xué)習(xí)產(chǎn)生負面影響。

（2）“電動力學(xué)”認(rèn)知結(jié)構(gòu)的建立還反映在物理觀念的變革上。如經(jīng)典力學(xué)中關(guān)于機械論的物質(zhì)觀念和時空觀念、電磁場理論中關(guān)于場的觀念、相對論中關(guān)于時空的相對性等，都是形成“電動力學(xué)”認(rèn)知結(jié)構(gòu)的前提。

三 “電動力學(xué)”教學(xué)改革實踐

綜上所述，“電動力學(xué)”認(rèn)知過程確實有其獨特之處。在教學(xué)實踐和改革的過程中，教師首先必須改變觀念，既要分析教材內(nèi)容，又要分析學(xué)生的認(rèn)知過程，以選擇合適的教學(xué)方法，同時還要注意以下問題:

1 了解學(xué)生的學(xué)前準(zhǔn)備情況

學(xué)前準(zhǔn)備包括認(rèn)知準(zhǔn)備和動機準(zhǔn)備兩個方面。在認(rèn)知準(zhǔn)備方面，教師要了解學(xué)生的原有知識水平，注意學(xué)習(xí)內(nèi)容與原有認(rèn)知水平之間的差異，不論是數(shù)學(xué)知識的不足還是“電動力學(xué)”概念的不清，都應(yīng)該了解清楚、查缺補漏。而在動機準(zhǔn)備方面，教師可以在講課的時候，對電磁場概念予以生動形象的描述，重在說明其物理意義，而不是只是簡單地進行公式運算；教師可以增加與“電動力學(xué)”密切相關(guān)的各種知識如生活中的電磁現(xiàn)象、電磁理論在高新技術(shù)中的應(yīng)用等的講解；另外，老師不要一味地只顧講解，還可以采用討論課或運用動畫模擬等形式開展教學(xué)，并增加網(wǎng)絡(luò)教育等課外環(huán)節(jié)來激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動機和學(xué)習(xí)興趣。

2 “電動力學(xué)”學(xué)習(xí)也要注意建立物理表象

隨著“電動力學(xué)”推導(dǎo)的增多，許多學(xué)生只注意數(shù)學(xué)結(jié)果，而不注意其物理意義。如麥克斯韋方程組包含極其豐富的電磁場理論知識，學(xué)生學(xué)習(xí)時不應(yīng)只記住公式本身，還應(yīng)該理解它在穩(wěn)恒場、迅變場和相對論條件下的不同形式。再如相對論，學(xué)生學(xué)習(xí)時也不應(yīng)只記住其公式，更應(yīng)該知道其時空觀與經(jīng)典理論的本質(zhì)區(qū)別。

3 應(yīng)注意糾正學(xué)生解決問題時所用的一些錯誤方法

“電動力學(xué)”的相對計算要求較高，但學(xué)生應(yīng)注意:對該課程中所涉基本概念和規(guī)律的理解是基礎(chǔ)，不應(yīng)只追求結(jié)果，而忽視物理過程、空間關(guān)系和數(shù)量關(guān)系的分析；應(yīng)及時復(fù)習(xí)和預(yù)習(xí)，不要機械地套用公式和例題，而應(yīng)該根據(jù)題意，有效利用學(xué)過的知識，靈活調(diào)整解題的步驟；要善于尋找隱蔽的條件、限制條件等，為解決問題打開突破口。

4 將多媒體教學(xué)與傳統(tǒng)教學(xué)相結(jié)合

教師在講授“電動力學(xué)”課程時，既要注意板書的應(yīng)用，也要充分利用多媒體和網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢。如教師可以將課程中相關(guān)一般電磁波傳播、天線和波導(dǎo)電磁場分布等許多抽象的物理圖像通過動畫或模擬圖像的形式展現(xiàn)出來，以幫助學(xué)生更好更快地理解相關(guān)概念；可以將多媒體課件按照學(xué)習(xí)目標(biāo)、預(yù)備知識、知識展開、鞏固練習(xí)和總結(jié)等教學(xué)過程展開，并通過網(wǎng)絡(luò)將課件發(fā)給學(xué)生以隨時隨地進行預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)；可以利用網(wǎng)絡(luò)平臺跟學(xué)生交流各種問題，形成良好互動。

5 在教學(xué)改革中，發(fā)揮教師教學(xué)的個性特點和主動性

教師不僅可以利用物理學(xué)史、實驗、計算機模擬等多種途徑講授“電動力學(xué)”內(nèi)容，還可以根據(jù)教學(xué)設(shè)計的原則和自己的教學(xué)特點進行相關(guān)內(nèi)容設(shè)計。如每章學(xué)習(xí)結(jié)束后，讓學(xué)生自己進行章節(jié)小結(jié)；把習(xí)題課變?yōu)槔蠋熀蛯W(xué)生的共同討論課；積極倡導(dǎo)學(xué)生開展課程論文寫作；引導(dǎo)學(xué)生更多地了解“電動力學(xué)”知識在當(dāng)代科技中的具體應(yīng)用等。

四 反思和總結(jié)

青島大學(xué)近幾年的“電動力學(xué)”課程改革始終從學(xué)生的認(rèn)知過程出發(fā)，以學(xué)生的全面發(fā)展和個性化成才為目標(biāo)。同時，為適應(yīng)素質(zhì)教育和創(chuàng)新的新形勢，該課程還在具體教學(xué)內(nèi)容方面做了很多改革，如融合多種教學(xué)方式，以彌補集中教學(xué)的不足；設(shè)計并應(yīng)用多種“電動力學(xué)”教學(xué)課件，充分發(fā)揮多媒體和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在教學(xué)中的作用等。該課程的教學(xué)改革，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)“電動力學(xué)”課程的興趣，形成了比較完善的“電動力學(xué)”知識結(jié)構(gòu)，并能在實踐中順利地應(yīng)用“電動力學(xué)”相關(guān)的基本知識。2012年，該課程被評為了山東省精品課程。

但是，該課程的教學(xué)改革也還存在著一些有待進一步解決的問題。如學(xué)生的基礎(chǔ)參差不齊，對“電動力學(xué)”學(xué)習(xí)的負面影響不能完全消除；雖然通過預(yù)先講解矢量計算、每節(jié)課提前做好課前準(zhǔn)備、課后認(rèn)真預(yù)習(xí)并及時復(fù)習(xí)等方法，可能會使這一負面影響有所緩解，但由于學(xué)習(xí)“電動力學(xué)”需要多門課的知識儲備，因此還有個別同學(xué)不能達到“電動力學(xué)”課程的學(xué)習(xí)要求；在我國的教育評價系統(tǒng)中，學(xué)生仍然必須記住公式和規(guī)律，學(xué)校考試也仍然注重卷面考試，而學(xué)生的平日表現(xiàn)、作業(yè)和課程論文等內(nèi)容在總成績中所占比重過少……這些問題的解決，將成為“電動力學(xué)”課程教學(xué)改革今后的努力方向，并推動著整個教學(xué)改革的進一步發(fā)展。

[1]楊薇.信息技術(shù)與電動力學(xué)課程整合的理論和實踐[D].武漢:華中師范大學(xué),2007:7-26.

[2]鄭偉,呂嫣.電動力學(xué)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺建設(shè)的研究[J].沈陽師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2013,(4):531-534.

[3]馮云光.物理專業(yè)電動力學(xué)教學(xué)改革的探索[J].才智,2014,(19):90.

[4]劉佳.“電磁學(xué)”與“電動力學(xué)”課程體系創(chuàng)新研究[J].科技信息,2013,(11):44.

[5]萬勇,王美.普通物理教學(xué)改革的幾個熱點[J].中國大學(xué)教學(xué),2007,(9):37-38.

[6]葉愛敏,鄭曉麗.基于混合式學(xué)習(xí)的“電視節(jié)目編導(dǎo)與制作”實踐教學(xué)改革[J].現(xiàn)代教育技術(shù),2012,(2):111-116.

編輯:小米

Research on Teaching Methods for Electrodynamics Curriculum

Wan Yong Li Shan-dong Yun Mao-jin Liu Mei-jie
(Department of Physics, Qingdao University, Qingdao, Shandong, China 266071)

Electrodynamics curriculum is the obligatory course for science and engineering students. Based on years’teaching practice and questionnaire survey, the paper, starting from the analysis of cognitive process of students,conducted the teaching reform of electrodynamics curriculum in the aspects of content, teaching methods, internet and multimedia courseware to adopt to the new situations and requirements of cultivating talents. Although there are some problems to be solved further, the anticipated effect has obtained in the teaching practice which will provide helpful suggestion on the electrodynamics curriculum teaching reform.

electrodynamics; theoretical physics; congnitive process;teaching reform

G40-057

A 【論文編號】1009—8097（2015）09—0122—05

10.3969/j.issn.1009-8097.2015.09.019

本文為山東省高等學(xué)校省級精品課程“凝聚態(tài)物理基礎(chǔ)課程‘電動力學(xué)’”（課程批準(zhǔn)號：2012-111）的階段性研究成果。

萬勇，副主任，教授，博士，研究方向為光子晶體缺陷中的電磁波傳輸規(guī)律，郵箱為wanyongqd@hotmail.com。

2015年2月28日