淺談物理圖像在《電磁學(xué)》教學(xué)中的應(yīng)用

沈嬌艷++程新利

【摘要】《電磁學(xué)》是物理專業(yè)一門十分重要的基礎(chǔ)課，涉及較多的后續(xù)課程。通過(guò)多年來(lái)的教學(xué)實(shí)踐，筆者發(fā)現(xiàn)建立物理圖像，抓住物理本質(zhì)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣對(duì)于《電磁學(xué)》教學(xué)質(zhì)量的提升具有十分重要的意義。

【關(guān)鍵詞】物理圖像 電磁學(xué) 教學(xué)方法改革

【中圖分類號(hào)】G633.7 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2016）09-0171-02

近年來(lái)隨著就業(yè)壓力的增大，填報(bào)物理師范專業(yè)志愿的學(xué)生越來(lái)越少，生源的素質(zhì)有所下降。此外，為了提高師范生的就業(yè)技能，留出更多的時(shí)間用于教育和生產(chǎn)實(shí)習(xí)，許多原本屬于高年級(jí)的課程下放到低年級(jí)學(xué)習(xí)。在這樣的背景下，教師的授課難度越來(lái)越大?！峨姶艑W(xué)》是一門物理學(xué)專業(yè)的核心必修課，涉及較多的后續(xù)課程，例如《電動(dòng)力學(xué)》、《電介質(zhì)物理和器件》和《電路分析基礎(chǔ)》等。通過(guò)多年來(lái)的教學(xué)實(shí)踐，筆者發(fā)現(xiàn)建立物理圖像，抓住物理本質(zhì)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣對(duì)于《電磁學(xué)》教學(xué)質(zhì)量的提升具有十分重要的意義。

什么是物理圖像？不同的學(xué)者對(duì)這一概念的理解各有偏差。在大學(xué)物理中，物理圖像不僅指兩個(gè)物理量之間的函數(shù)關(guān)系，還指數(shù)學(xué)公式的物理內(nèi)涵或物理過(guò)程演繹的規(guī)律性。通俗來(lái)講，是指在學(xué)習(xí)物理公式的過(guò)程中腦子里建立的“畫面感”——就是把事物之間的聯(lián)系從理性認(rèn)識(shí)變成感性認(rèn)識(shí)最后固化成物理直覺(jué)。對(duì)于剛剛學(xué)了高等數(shù)學(xué)，并利用微積分等數(shù)學(xué)知識(shí)來(lái)演繹物理規(guī)律的學(xué)生而言，建立物理圖像是很困難的。為了使低年級(jí)本科學(xué)生建立起清晰的物理圖像，我們認(rèn)為應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)以下幾個(gè)方面的工作：

一、物理規(guī)律與數(shù)學(xué)知識(shí)的有機(jī)結(jié)合

作為一名學(xué)習(xí)物理的學(xué)生，不應(yīng)當(dāng)將物理當(dāng)成應(yīng)用數(shù)學(xué)。數(shù)學(xué)是為了表達(dá)物理量之間的關(guān)系而引入的，而不是為了做計(jì)算引入的。例如，電磁場(chǎng)的麥克斯韋方程組，積分形式、微分形式乃至張量形式，從數(shù)學(xué)角度來(lái)說(shuō)是截然不同的東西。從物理角度來(lái)說(shuō)，盡管所用的數(shù)學(xué)語(yǔ)言越來(lái)越抽象，實(shí)際上表達(dá)的都是電場(chǎng)磁場(chǎng)的內(nèi)在聯(lián)系，物理圖像上沒(méi)有什么差別。物理學(xué)是實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)規(guī)律的總結(jié)，在授課過(guò)程中，教師應(yīng)當(dāng)盡可能先展示實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，讓學(xué)生自己去總結(jié)物理規(guī)律，以建立初步的物理圖像，這樣才不會(huì)迷失于越來(lái)越復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)。舉例來(lái)說(shuō)，在學(xué)習(xí)磁場(chǎng)的過(guò)程中，通過(guò)實(shí)驗(yàn)展示，學(xué)生很快會(huì)發(fā)現(xiàn)每一條磁感線都是閉合的。他們很容易接受“磁場(chǎng)是無(wú)源場(chǎng)”這一概念。然后在推導(dǎo)高斯定理時(shí)，因?yàn)榇艌?chǎng)的無(wú)源性，對(duì)于一個(gè)封閉的曲面，不存在“磁單極子”接收磁感線，進(jìn)去一條磁感線，必然會(huì)出來(lái)一條磁感線，因此磁場(chǎng)的高斯通量為零。然后通過(guò)嚴(yán)格的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，將高斯定理的積分形式轉(zhuǎn)變?yōu)槲⒎中问?，即磁?chǎng)的散度為零。以后，學(xué)生在聽(tīng)到“散度為零”時(shí)，他就懂得里面存在一個(gè)無(wú)源的矢量場(chǎng)。這樣，本來(lái)是基于實(shí)驗(yàn)得到的物理圖像就變成基于數(shù)學(xué)公式聯(lián)想到的物理圖像，達(dá)到數(shù)學(xué)與物理有機(jī)結(jié)合的目地。從認(rèn)知規(guī)律的角度，這是一種認(rèn)知層次的提升。

二、物理抽象規(guī)律和過(guò)程的“可視化”

在學(xué)習(xí)電磁學(xué)的過(guò)程中，電場(chǎng)和磁場(chǎng)因?yàn)榉謩e引入了電場(chǎng)線和磁感線作為形象化的手段，學(xué)生比較容易想象物理量的大小和方向。但是有些物理量比如能量，既看不見(jiàn)也摸不著也沒(méi)有“能量線”之類的輔助手段，在授課過(guò)程中又如何讓學(xué)生較好地掌握其物理圖像呢？電磁學(xué)關(guān)于能量的學(xué)習(xí)一直是難點(diǎn)之一，涉及的能量種類繁多，包括點(diǎn)電荷體系的自能和互能、導(dǎo)體組的能量、電容器的儲(chǔ)能以及通電線圈的儲(chǔ)能等。例如賈起民等編著的《電磁學(xué)》一書中有近十處章節(jié)提及能量的問(wèn)題[1]，其它如趙凱華版[2]和梁燦彬版[3]的《電磁學(xué)》也多次提及能量的問(wèn)題，而且這些章節(jié)遍布全書。如果學(xué)生不明確每種能量說(shuō)明的物理圖像，不了解這些物理圖像之間的聯(lián)系和差別，只是死記硬背公式，一定會(huì)弄得頭昏腦脹，甚至張冠李戴。因此，我們?cè)鴩L試依照循序漸進(jìn)的規(guī)律，不拘泥于課本安排的授課順序，將電場(chǎng)能量和磁場(chǎng)能量分別作為兩個(gè)單獨(dú)的體系，從學(xué)生熟悉的知識(shí)點(diǎn)——力作功和能量守恒定律出發(fā)，得到各種電荷體系的靜電能量的場(chǎng)源表示形式，再經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)推論得到能量密度的表示形式并推廣到極化電場(chǎng)的情形，從中揭示了電場(chǎng)能量的物理本質(zhì)。對(duì)于磁場(chǎng)能量也作了類似處理，最后水到渠成得到了電磁場(chǎng)的能量密度及能流的坡印亭矢量。在授課過(guò)程中，因?yàn)獒槍?duì)的是同一個(gè)知識(shí)點(diǎn)的變遷和演化，學(xué)生通過(guò)類比，容易針對(duì)每一種能量建立清晰的物理圖像，而且在教學(xué)過(guò)程中，培養(yǎng)了學(xué)生的物理分析能力和數(shù)學(xué)邏輯思維能力，已初步取得了良好的教學(xué)效果。

綜上所述，研究物理圖像對(duì)本科教學(xué)的促進(jìn)作用，將抽象的物理概念和規(guī)律具體化，使學(xué)生更好地掌握和理解電磁學(xué)的概念和規(guī)律是值得思考和有意義的問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)

[1]賈起民，鄭永令，陳暨耀.電磁學(xué)（第二版）[M].北京：高等教育出版社，2001.

[2]趙凱華，陳熙謀.電磁學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2003.

[3]梁燦彬，秦光戎，梁竹鍵.（第二版）[M].北京：高等教育出版社，2004.

基金項(xiàng)目：

江蘇省教育廳教學(xué)改革研究重點(diǎn)項(xiàng)目（2015JSJG058），蘇州科技學(xué)院校級(jí)重點(diǎn)專業(yè)應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)建設(shè)項(xiàng)目（2013ZYXZ-08）。endprint