以提高物理學(xué)專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量為目標(biāo)的電動力學(xué)課程群研究

常云峰 王 飛 吳科軍 曹敦厚

（三峽大學(xué)理學(xué)院，湖北 宜昌 443002）

1 研究現(xiàn)狀

2018 年教育部出版的 《普通高等學(xué)校本科專業(yè)類教學(xué)質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)》[1]明確提出：樹立人才培養(yǎng)在高校的中心地位，鞏固本科教學(xué)地位，不斷提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。 《電動力學(xué)》作為物理學(xué)專業(yè)必修核心課程，它能夠引導(dǎo)學(xué)生從實驗出發(fā)，經(jīng)過嚴(yán)格的數(shù)學(xué)推理演繹出電磁場理論的核心內(nèi)容，并在此基礎(chǔ)上引出現(xiàn)代物理的重要基礎(chǔ)：狹義相對論。 《電動力學(xué)》是科學(xué)引導(dǎo)學(xué)生從歸納法到演繹法的科學(xué)思維第一課。 目前，各高校雖然一方面肯定《電動力學(xué)》課程為提高學(xué)生科學(xué)思維和實踐能力的重要核心課程，并明確《電動力學(xué)》課程需要以《電磁學(xué)》和《數(shù)學(xué)物理方法》為先修和重要輔助課程，但另一方面在《電動力學(xué)》的實際教學(xué)中，其在提高人才培養(yǎng)中的作用并沒有得到充分發(fā)揮，課程教學(xué)改革研究僅停留在精品課程、在線慕課、第二課堂等單課程研究階段。關(guān)于《電動力學(xué)》的課程群建設(shè)尚未見研究。

隨著對人才培養(yǎng)質(zhì)量的進(jìn)一步提高要求， 對于《電動力學(xué)》這種與其他課程密切相關(guān)的課程，通過課程群建設(shè)，把關(guān)系緊密的《電磁學(xué)》和《數(shù)學(xué)物理方》課程與之聯(lián)系起來，從《電磁學(xué)》的鋪墊，到《數(shù)學(xué)物理方法》的應(yīng)用，可以很好地提高學(xué)生的科學(xué)思維和實踐能力，進(jìn)而提高物理學(xué)專業(yè)人才的培養(yǎng)質(zhì)量。

2 電動力學(xué)課程群建設(shè)思路

課程群是指以現(xiàn)代教育理念為基礎(chǔ)，對教學(xué)中相互影響、相互依靠的相關(guān)課程進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃、設(shè)計和構(gòu)建的課程體系，是集教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容密切關(guān)聯(lián)的若干單門課程為一體的課程有機(jī)集合體[2-3]。以課程群建設(shè)為切入點，全面提升課程建設(shè)質(zhì)量已經(jīng)成為當(dāng)前高等教育領(lǐng)域教育教學(xué)改革的基本共識之一。課程設(shè)計在很大程度上決定和影響著人才培養(yǎng)目標(biāo)的實現(xiàn)，只對某一門課程進(jìn)行改革與設(shè)計早已不能滿足目前社會對綜合型高素質(zhì)人才的需求[4]。因此，強(qiáng)化各學(xué)科之間的融合，發(fā)揮群體優(yōu)勢，通過合理的設(shè)計與科學(xué)的組織構(gòu)建科學(xué)、合理、高效的課程集群，對高等教育教學(xué)改革至關(guān)重要，有利于提高教學(xué)質(zhì)量，彰顯辦學(xué)特色。

物理學(xué)本科專業(yè)課程《電磁學(xué)》和《電動力學(xué)》（經(jīng)典電動力學(xué)）是密切相關(guān)的兩門課程，兩者在研究對象和內(nèi)容上幾乎一致。但是從研究方法上來說，《電磁學(xué)》偏重于經(jīng)典電磁現(xiàn)象的實驗研究，從廣泛的電磁現(xiàn)象研究中歸納出電磁學(xué)的基本規(guī)律，最后總結(jié)出麥克斯韋方程組，但不系統(tǒng)研究具體如何求解；而《電動力學(xué)》則偏重于理論推導(dǎo)和演繹，它首先從實驗定律和介質(zhì)方程出發(fā)，推導(dǎo)出一般形式的麥克斯韋方程組和洛倫茲力公式，然后以麥克斯韋方程組和洛倫茲力為基礎(chǔ)，通過嚴(yán)密的數(shù)學(xué)推導(dǎo)得到電磁場、電磁波的基本特征，電磁波的激發(fā)、輻射和傳播特征，以及帶電粒子與電磁場的相互作用等電磁問題?！峨姶艑W(xué)》的各種實驗結(jié)論與《電動力學(xué)》的關(guān)系，某種程度上可以類比于開普勒三定律與牛頓萬有引力定律之間的關(guān)系。

《數(shù)學(xué)物理方法》 是物理類學(xué)生的一門重要基礎(chǔ)課，課程所涉及的內(nèi)容不僅是后續(xù)專業(yè)課程的基礎(chǔ)，同時在理論和實際研究工作中有廣泛應(yīng)用。 它將數(shù)學(xué)和物理聯(lián)系起來，最后服務(wù)于物理學(xué)?！稊?shù)學(xué)物理方法》主要內(nèi)容包括復(fù)變函數(shù)、數(shù)學(xué)物理方程、積分變換和特殊函數(shù)， 牢固掌握數(shù)學(xué)物理方法能夠讓學(xué)生更加深入地理解物理學(xué)的本質(zhì)， 為物理學(xué)基礎(chǔ)研究和應(yīng)用帶來極大的方便。因此，《數(shù)學(xué)物理方法》的學(xué)習(xí)質(zhì)量可以直接影響學(xué)生對后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)效果， 以及學(xué)生分析問題和解決問題的能力。 這也使《數(shù)學(xué)物理方法》成了一門廣為人知的“難教、難學(xué)、難懂”的課程。

本課程群研究根據(jù)以上所述三門課程的特點，圍繞《電動力學(xué)》展開，通過課程群建設(shè)突出《電磁學(xué)》的科學(xué)歸納法和《電動力學(xué)》的科學(xué)演繹法的對比，提高學(xué)生的科學(xué)思維能力；同時，通過《電動力學(xué)》課程突出《數(shù)學(xué)物理方法》課程在科學(xué)計算和科學(xué)發(fā)展中的作用，提高學(xué)生的科學(xué)建模和計算能力，最終提高物理學(xué)專業(yè)的人才培養(yǎng)質(zhì)量。課程群建設(shè)思路及課程之間的關(guān)系如圖1 所示。

圖1 課程群建設(shè)思路與課程關(guān)系

3 課程群教學(xué)內(nèi)容設(shè)計與教學(xué)方法改革

課程群的建設(shè)是提高本科人才培養(yǎng)質(zhì)量的有效途徑。以課程群建設(shè)為切入點，通過教學(xué)內(nèi)容的銜接、對比，可以提升課程質(zhì)量，提高學(xué)生的科學(xué)思維和科研計算能力，培養(yǎng)科研興趣和科研創(chuàng)新精神。 所以在《電動力學(xué)》課程群的建設(shè)過程中，需要以課程間的知識、方法、問題等邏輯聯(lián)系為結(jié)合點，通過對相關(guān)課程內(nèi)容和教學(xué)方法進(jìn)行再設(shè)計，提高教學(xué)質(zhì)量、改善學(xué)習(xí)效果，從而全面提升課程質(zhì)量和人才培養(yǎng)質(zhì)量。 具體設(shè)計和改革的內(nèi)容如下：

（1）改革教學(xué)內(nèi)容。 通過教學(xué)內(nèi)容之間的相互銜接，整合并優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，構(gòu)建相互銜接、相互支撐的課程教學(xué)過程。 例如，介質(zhì)的電磁性質(zhì)可以完全放入《電磁學(xué)》課程，而唯一性定理、電像法、磁像法等可以完全放入《電動力學(xué)》課程，把《電動力學(xué)》的星號拓展內(nèi)容[5]放入《數(shù)學(xué)物理方法》課程作為數(shù)學(xué)基礎(chǔ)應(yīng)用。通過合理規(guī)劃三門課程的教學(xué)內(nèi)容，逐步推進(jìn)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

（2）加強(qiáng)專業(yè)課師資隊伍梯隊建設(shè)。 調(diào)整教學(xué)模式，探索更好的教學(xué)合作模式，提高教師的綜合教學(xué)能力。 重點是根據(jù)物理學(xué)專業(yè)課程設(shè)置和專業(yè)特點，突出課程群內(nèi)課程之間的相互輔助作用，凝練和培養(yǎng)高水平的教學(xué)團(tuán)隊，提高教學(xué)水平和教學(xué)質(zhì)量。例如，在《電磁學(xué)》教學(xué)中突出歸納法在科學(xué)發(fā)展過程中的作用，強(qiáng)化學(xué)生對基本概念、物理規(guī)律的理解和思考。在《電動力學(xué)》教學(xué)中突出演繹法在科學(xué)發(fā)展過程中的作用，進(jìn)一步提高學(xué)生的科學(xué)思維能力和科學(xué)實踐能力。 在《數(shù)學(xué)物理方法》教學(xué)中突出數(shù)學(xué)形式對照、分離變量法、復(fù)變函數(shù)、格林函數(shù)法等數(shù)學(xué)手段在科學(xué)發(fā)展過程中的作用，進(jìn)一步提高學(xué)生的科學(xué)建模和科學(xué)計算能力。

（3）改進(jìn)教學(xué)方法。增加課堂互動，既要重視基礎(chǔ)知識的掌握，又要加強(qiáng)應(yīng)用技能的培養(yǎng)。 例如，有了《電磁學(xué)》課程的鋪墊，改革后的《電動力學(xué)》課程非常適合引入刻意練習(xí)教學(xué)法， 可以適當(dāng)采用預(yù)習(xí)—提問—被提問的教學(xué)模式， 通過部分內(nèi)容引入小組討論，讓學(xué)生參與到課堂教學(xué)中來。 這不僅可以加深學(xué)生對知識的理解， 提高學(xué)生的主動性和學(xué)習(xí)效率，還有助于發(fā)現(xiàn)不同學(xué)生的學(xué)習(xí)特征和掌握情況，進(jìn)行個性化指導(dǎo)。

（4）改革考核內(nèi)容和方式，發(fā)揮課程群導(dǎo)向作用?？己藘?nèi)容多樣化、全面化，增強(qiáng)學(xué)生對物理概念和原理的理解，注重創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。例如，在《電磁學(xué)》的考核中注重實驗觀察和基礎(chǔ)知識，在《電動力學(xué)》的考核中要強(qiáng)調(diào)理論解析和技能培育，在《數(shù)學(xué)物理方法》考核中強(qiáng)調(diào)實際問題的建模、求解能力。

4 總結(jié)

本文圍繞物理學(xué)專業(yè)核心課程《電動力學(xué)》展開，擬建立以《電動力學(xué)》為中心，《電磁學(xué)》《數(shù)學(xué)物理方法》為兩翼的課程群，以課程群建設(shè)為切入點，通過整合、優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，全面提升課程質(zhì)量。 通過本研究，可以探索物理學(xué)專業(yè)通過《電動力學(xué)》特色課程，發(fā)展和完善新時期教學(xué)改革新的思路，培養(yǎng)學(xué)生的科研興趣和科學(xué)創(chuàng)新精神，達(dá)到提高物理學(xué)專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量的目的。 后續(xù)，筆者期望通過更多地圍繞《電動力學(xué)》課程地位和特征展開研究，探索地方綜合性大學(xué)物理學(xué)科本科高層次精品課程群的建設(shè)思路，提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和科學(xué)實踐能力，為培養(yǎng)符合更高層次人才發(fā)展需求的，基礎(chǔ)牢、素質(zhì)高、能力強(qiáng)的物理學(xué)專業(yè)人才奠定基礎(chǔ)。