普通本科院校“電磁學(xué)”課程設(shè)計(jì)探討

【摘 要】本文論述普通本科院校“電磁學(xué)”課程的設(shè)計(jì)，認(rèn)為科學(xué)研究和教學(xué)活動相結(jié)合并共同服務(wù)于大學(xué)人才的培養(yǎng)，是新時(shí)代提高本科教育水平的重要人才培養(yǎng)模式，提出優(yōu)化普通本科院校物理學(xué)專業(yè)“電磁學(xué)”課程的教學(xué)設(shè)計(jì)、課程評價(jià)體系設(shè)計(jì)，以推進(jìn)“電磁學(xué)”課程的教學(xué)與科研相結(jié)合，加強(qiáng)本科生的思維、實(shí)踐、創(chuàng)新等能力的訓(xùn)練，以提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和科研能力。

【關(guān)鍵詞】科教融合 高校人才培養(yǎng) 電磁學(xué)

【中圖分類號】G ?【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【文章編號】0450-9889（2021）11-0147-03

2018年教育部第一次召開了關(guān)于專門研究部署高等學(xué)校本科教育工作的全國會議，明確強(qiáng)調(diào)了本科必須從“本科教學(xué)”向“本科教育”轉(zhuǎn)變。自2018年以來，自治區(qū)教育廳為了貫徹落實(shí)新時(shí)代全國高等學(xué)校本科教育工作會議精神，制定了一系列政策，加快構(gòu)建振興本科教育的長效機(jī)制和保障措施，推進(jìn)深入培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)、科學(xué)研究的能力，大力促進(jìn)科研和教學(xué)協(xié)調(diào)育人。教學(xué)與科研相結(jié)合的人才培養(yǎng)模式是新時(shí)代全面提高本科教育水平的重要舉措和改革方向。在本科院校推進(jìn)科研與教學(xué)融合，需要讓學(xué)生盡早參與和融入科研、早進(jìn)實(shí)驗(yàn)室等，提高學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力。

“電磁學(xué)”是物理學(xué)專業(yè)的基礎(chǔ)課程，通過這類課程的學(xué)習(xí)，需要培養(yǎng)學(xué)生掌握描述、解決電磁場相關(guān)問題的基本理論和方法，具有扎實(shí)的物理基礎(chǔ)、較強(qiáng)的創(chuàng)新能力、較強(qiáng)運(yùn)用知識和學(xué)習(xí)新知識的能力，能在物理學(xué)和相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域中從事科研、教學(xué)、技術(shù)和相關(guān)的管理工作。電磁場類課程也是物理學(xué)專業(yè)中較為古老、較為重要的基礎(chǔ)學(xué)科之一。電磁場相關(guān)理論的建立、發(fā)展以及廣泛應(yīng)用的過程，充分體現(xiàn)了實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)識論和真理觀，處處彰顯了“嚴(yán)密的實(shí)驗(yàn)—理論假設(shè)和數(shù)理推理—實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)”循環(huán)往復(fù)不斷完善的科學(xué)研究的方法論，弘揚(yáng)了銳意進(jìn)取、勇于創(chuàng)新的科學(xué)精神。在全面提高本科教育水平的過程中，亟須本科院校加強(qiáng)本科生的思維、實(shí)踐、創(chuàng)新等能力的訓(xùn)練，積極鼓勵學(xué)生銳意進(jìn)取、勇于創(chuàng)新。

國內(nèi)名牌高校物理專業(yè)基礎(chǔ)課程的先進(jìn)人才培養(yǎng)模式和改革舉措值得普通本科院校借鑒，但是在資源、環(huán)境等方面，普通本科院校與著名高校存在比較大的差別，不能完全生搬硬套著名高校的經(jīng)驗(yàn)，必須有所取舍和改進(jìn)。在這樣的背景下，本文探討普通本科院校物理學(xué)專業(yè)“電磁學(xué)”課程的教學(xué)設(shè)計(jì)、課程評價(jià)體系設(shè)計(jì)，推進(jìn)“電磁學(xué)”課程的教學(xué)與科研相結(jié)合，加強(qiáng)本科生的思維、實(shí)踐、創(chuàng)新等能力的訓(xùn)練，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和科研能力。

一、課程教學(xué)設(shè)計(jì)

“電磁學(xué)”是本科物理學(xué)專業(yè)的基礎(chǔ)課程，課程總課時(shí)設(shè)計(jì)為64個學(xué)時(shí)。學(xué)生通過“電磁學(xué)”的學(xué)習(xí)，能夠掌握電磁場的基本規(guī)律、基本概念和基本思維方式，深刻理解電磁場的物質(zhì)屬性及其存在與運(yùn)動形態(tài)，掌握電磁相互作用的基本規(guī)律，了解近代物理與電磁規(guī)律的內(nèi)在聯(lián)系，并在思維能力、計(jì)算能力、科學(xué)素質(zhì)方面都有很大提高。課程設(shè)計(jì)分為兩大模塊，即課堂講授模塊和課外訓(xùn)練模塊，其中課堂講授模塊是基礎(chǔ)，課外訓(xùn)練模塊是課堂模塊的重要拓展。

（一）課堂教學(xué)的設(shè)計(jì)

普通高校物理學(xué)本科專業(yè)的“電磁學(xué)”課程教學(xué)內(nèi)容主要包括靜電場、有導(dǎo)體時(shí)的靜電場、靜電場中的電介質(zhì)、恒定電流、恒定電流的磁場、電磁感應(yīng)、磁介質(zhì)、時(shí)變電磁場和電磁波，此部分總課時(shí)設(shè)計(jì)為56個學(xué)時(shí)。

1.靜電場，共12個學(xué)時(shí)。教學(xué)內(nèi)容和要求：（1）理解庫侖定律及其適用條件、場的概念、場強(qiáng)的迭加原理及其物理意義，理解電通量的概念、靜電場的環(huán)流定律、高斯定理的物理意義以及它們在電磁場中的重要地位，理解引入電勢概念的條件、電勢的相對性以及電勢迭加原理;（2）掌握應(yīng)用高斯定理計(jì)算電場分布條件和方法，以及掌握用電勢定義求空間電勢分布方法;（3）熟練運(yùn)用場強(qiáng)迭加原理計(jì)算簡單、典型帶電體及其組合體的電場分布，熟練運(yùn)用電勢迭加原理計(jì)算簡單、典型帶電體及其組合體的電勢分布，以及熟練運(yùn)用高斯定理求解有特定對稱性分布的電荷所產(chǎn)生的電場的場強(qiáng)分布。

2.有導(dǎo)體時(shí)的靜電場，共6個學(xué)時(shí)。教學(xué)內(nèi)容和要求：（1）理解靜電平衡導(dǎo)體上電荷分布的特點(diǎn)，電容的物理意義，電容器儲能的概念，帶電體的概念，以及靜電屏蔽現(xiàn)象及應(yīng)用;（2）掌握導(dǎo)體的靜電平衡條件，帶電體組的靜電能及其計(jì)算方法，計(jì)算電容器及電容器組電容的方法，以及計(jì)算電容器的儲能方法;（3）熟練運(yùn)用導(dǎo)體的靜電平衡條件，求解規(guī)則形狀導(dǎo)體靜電平衡時(shí)的電荷分布與電場分布問題。

3.靜電場中的電介質(zhì)，共5個學(xué)時(shí)。教學(xué)內(nèi)容和要求：（1）理解極化強(qiáng)度矢量的物理意義、電介質(zhì)極化的微觀解釋、極化強(qiáng)度與極化電荷面密度的關(guān)系，理解電位移矢量及有介質(zhì)時(shí)的高斯定理物理意義，理解電場的能量、電場能量密度概念;（2）掌握電場的邊界條件，掌握極化強(qiáng)度、電場強(qiáng)度以及極化率之間的關(guān)系，掌握計(jì)算有對稱性的非均勻電場能量的方法;（3）熟練運(yùn)用高斯定理求解有介質(zhì)存在時(shí)，具有一定對稱性的電場的分布問題。

4.恒定電流，共9個學(xué)時(shí)。教學(xué)內(nèi)容和要求：（1）理解電流密度矢量的概念，電動勢的基本概念，金屬導(dǎo)電的經(jīng)典物理圖像和理論;（2）掌握電流強(qiáng)度與電流密度矢量的關(guān)系，以及電流的連續(xù)性方程，掌握電流的穩(wěn)恒條件、穩(wěn)恒電場的基本性質(zhì)，掌握歐姆定律、歐姆定律的微分形式、一段含源電路和閉合電路的歐姆定律。

5.恒定電流磁場，共10個學(xué)時(shí)。教學(xué)內(nèi)容和要求：（1）理解磁感應(yīng)強(qiáng)度的物理意義，磁通量的概念，穩(wěn)恒磁場的高斯定理和安培環(huán)路定律的物理意義，以及磁矩的定義;（2）掌握畢奧-薩伐爾定律，掌握洛侖磁力和安培力，以及其計(jì)算方法，掌握計(jì)算平面載流線圈在磁場中所受的磁力矩方法;（3）熟練掌握求解載流導(dǎo)體規(guī)則分布時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度方法、計(jì)算非均勻磁場中通過簡單幾何形狀平面的磁通量的方法，熟練掌握應(yīng)用安培環(huán)路定律計(jì)算磁感應(yīng)強(qiáng)度的條件和方法，并求解具有一定對稱性的電流的磁場分布問題。

6.電磁感應(yīng)，共9個學(xué)時(shí)。教學(xué)內(nèi)容和要求：（1）理解動生電動勢的產(chǎn)生，理解自感和互感的物理意義、自感磁能和互感磁能的物理意義，理解感生電場的物理意義、性質(zhì)，以及感生電場與靜電場的區(qū)別;（2）掌握計(jì)算動生電動勢的方法，以及計(jì)算自感系數(shù)和互感系數(shù)的方法;（3）熟練掌握并運(yùn)用法拉第電磁感應(yīng)定律和楞次定律。

7.磁介質(zhì)、時(shí)變電磁場和電磁波，共5個學(xué)時(shí)。教學(xué)內(nèi)容和要求：（1）理解磁介質(zhì)磁化的微觀解釋、磁場強(qiáng)度矢量的定義、磁化強(qiáng)度、磁場能量、磁場能量密度概念，理解麥克斯韋兩個基本假設(shè)的中心思想、麥克斯韋方程組各方程的物理意義和方程中各物理量的物理意義，理解平面電磁波的基本性質(zhì)、能流密度的概念、坡印亭矢量的物理意義，以及偶極振子輻射電磁波的物理過程和物理圖像;（2）掌握磁化強(qiáng)度與磁化電流的關(guān)系、磁場強(qiáng)度和磁化電流之間的關(guān)系，掌握有介質(zhì)時(shí)安培環(huán)路定律、求解具有一定對稱性的磁場分布的方法，以及計(jì)算具有對稱性的磁場的能量的方法。

（二）課外科研素養(yǎng)訓(xùn)練的設(shè)計(jì)

課外訓(xùn)練模塊是課堂模塊的重要拓展，是為學(xué)生便于發(fā)揮自主性學(xué)習(xí)“電磁學(xué)”而設(shè)計(jì)的一個重要平臺，課堂引導(dǎo)課時(shí)設(shè)計(jì)為8個學(xué)時(shí)。課外科研素養(yǎng)訓(xùn)練內(nèi)容主要包括“電磁學(xué)”課程的基本原理和普遍規(guī)律，并有相應(yīng)的補(bǔ)充和拓展，彌補(bǔ)課堂教學(xué)因課時(shí)緊張對講授內(nèi)容的約束，可以滿足不同層次學(xué)生的學(xué)習(xí)要求，達(dá)到培養(yǎng)邏輯思維能力、科研實(shí)踐能力、數(shù)學(xué)推演能力。此部分以專題形式開展訓(xùn)練，內(nèi)容覆蓋電磁學(xué)的多個重難點(diǎn)，其中部分內(nèi)容屬于電動力學(xué)的范疇。訓(xùn)練過程注重概念的準(zhǔn)確性，以及邏輯推理過程的嚴(yán)謹(jǐn)性。訓(xùn)練內(nèi)容主要包括：

第一專題，客體與模型問題：模型的使用范圍，同一客體建立多個模型，孤立體和孤立體系模型，構(gòu)建模型中的主要矛盾和次要矛盾問題。

第二專題，無限遠(yuǎn)問題：數(shù)學(xué)無限遠(yuǎn)與物理無限遠(yuǎn)的共性和差異。

第三專題，電場線和磁場線問題：場線的描繪，場強(qiáng)度和方向的定性討論。

第四專題，靜電平衡問題：利用電場線討論靜電場分布和靜電平衡，導(dǎo)體電荷面密度與曲率的關(guān)系。

第五專題，靜電唯一性定理：靜電唯一性定理的證明，有介質(zhì)的唯一性定理及其應(yīng)用，靜電唯一性定理在靜電疊加、靜電屏蔽中的應(yīng)用。

第六專題，靜電屏蔽和磁屏蔽問題：兩種屏蔽的基本原理及其異同，兩種屏蔽在實(shí)際問題中的具體應(yīng)用。

第七專題，電像法和分離變數(shù)法求解靜電場的問題：電像的構(gòu)建及其基本物理問題，分離變數(shù)中的數(shù)學(xué)理念和具體推演。

第八專題，電容和電容器問題：有規(guī)則孤立導(dǎo)體的電容，導(dǎo)體組的電容和電容系數(shù)，任意形狀導(dǎo)體的電容，多電容器的組合，電容器中的靜電感應(yīng)，“一板兩壁”的特殊電容器，電容器的“電庫”功能。

第九專題，電介質(zhì)和磁介質(zhì)的極化和磁化問題：極化和磁化的具體物理過程，以及它們的相似性。

第十專題，地球與無限遠(yuǎn)的電勢問題：接地電勢和無限遠(yuǎn)電勢的深度討論。

第十一專題，任意截面螺線管內(nèi)部和外部磁場問題：內(nèi)部和外部磁場強(qiáng)度和分布的證明及其具體應(yīng)用。

第十二專題，任意閉合線圈在均勻磁場中的安培力矩問題：安培力矩的計(jì)算方法及推廣。

第十三專題，場矢量和標(biāo)量分析問題：標(biāo)量場的梯度，矢量場的散度和旋度，電磁場的邊值關(guān)系和麥?zhǔn)戏匠痰奈⒎中问健?/p>

第十四專題，麥?zhǔn)戏匠虇栴}：麥?zhǔn)戏匠探M與洛倫茲力公式，演化方程和約束方程。

第十五專題：庫侖電場和感生電場問題：縱場和橫場，庫侖規(guī)范和洛倫茨規(guī)范，靜電場、恒定電場和庫侖電場。

第十六專題，電磁場的能量和動量問題：電磁場的能量和能流密度，電磁場的動量和動量密度，不接觸物體間的“作用力”和“反作用力”。

第十七專題，磁單極問題：磁荷存在性與磁單極子存在性，狄拉克的磁單極子，含磁荷的麥?zhǔn)戏匠探M，原始麥?zhǔn)戏匠探M的成立前提。

此部分以課外訓(xùn)練為主，課堂引導(dǎo)為輔，以學(xué)生為主，教師為輔。在課程結(jié)束前，每一名學(xué)生必須獨(dú)立或者組織小團(tuán)隊(duì)完成至少2個專題，并對完成的專題進(jìn)行答辯。

二、課程評價(jià)體系設(shè)計(jì)

本科生學(xué)習(xí)課程的主要目的不是為了應(yīng)付考試，而是需要能靈活運(yùn)用課程的理論知識解決實(shí)際問題，以及進(jìn)行各種創(chuàng)新活動;需要把理論和實(shí)踐相結(jié)合，提高科研實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力以及科研素養(yǎng)等。課程考核是了解學(xué)生掌握課程知識情況，是檢驗(yàn)學(xué)生對知識的靈活運(yùn)用能力、創(chuàng)新能力等重要方式，也是檢驗(yàn)教學(xué)效果、保證教學(xué)質(zhì)量、促進(jìn)教學(xué)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的重要措施?！半姶艑W(xué)”課程分為課堂講授和課堂外訓(xùn)練兩大模塊，為了能夠更好檢驗(yàn)課程設(shè)計(jì)效果，改革后的課程考核方式應(yīng)該有別于傳統(tǒng)的以期中考試和期末考試為主的考核方式，應(yīng)該以更加靈活的方式考查學(xué)生的各種能力，以考核學(xué)生掌握課程體系知識、創(chuàng)新能力、應(yīng)用能力為主，盡量避免死記硬背、答案標(biāo)準(zhǔn)化和唯一化，科學(xué)合理測評學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。總體上，“電磁學(xué)”課程考核分為課程本體知識掌握情況的考核與科研素養(yǎng)訓(xùn)練效果的考核。

（一）課程本體知識掌握情況的考核，占課程總成績的70%

課程本體知識的考核，需要注重學(xué)生學(xué)習(xí)的參與性，以及學(xué)生對本體知識運(yùn)用的靈活性等綜合素質(zhì)考查，盡量避免出現(xiàn)臨時(shí)抱佛腳、死記硬背、應(yīng)付式考試的傾向，盡量避免一試（期末考試）定總成績的情況。此部分的具體考查方式，可由出勤、課后作業(yè)、階段測試以及期末考試四部分組成，每部分考核結(jié)果占據(jù)此部分成績一定的比重，如圖1所示。

出勤情況是考查學(xué)生參與學(xué)習(xí)的重要手段之一，也是考查學(xué)生組織紀(jì)律性的重要措施之一。學(xué)生無故缺勤需要扣分，無故缺勤達(dá)到一定次數(shù)，可以對課程總成績進(jìn)行一票否決，取消課程考試資格，并按學(xué)校有關(guān)規(guī)定處理?？记诘姆绞剑诎嗉壢藬?shù)較少的情況下，可以采用清點(diǎn)學(xué)生總?cè)藬?shù)或者課堂點(diǎn)名的方式進(jìn)行，在班級總?cè)藬?shù)較多的情況下，可以采用隨機(jī)點(diǎn)名并結(jié)合課堂隨機(jī)提問的方式進(jìn)行。

課后作業(yè)需要覆蓋所學(xué)課程本體知識的主要內(nèi)容，難易程度應(yīng)該適當(dāng)，并包括一部分開放性題目，以便更好考查學(xué)生對課程本體知識掌握的情況，并有利于鍛煉學(xué)生靈活運(yùn)用課程本體知識的能力、創(chuàng)新能力以及科研實(shí)踐能力等。對非開放性題目，需要考查學(xué)生答題的整潔性、規(guī)范性、正確性;對開放性題目，不設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)答案，主要考查學(xué)生邏輯推演的嚴(yán)謹(jǐn)性、理解概念的準(zhǔn)確性等。

階段性測試是了解學(xué)生掌握階段性課程知識情況的重要措施之一，是檢驗(yàn)階段性教學(xué)效果的重要手段之一，也是保證教學(xué)質(zhì)量、促進(jìn)實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)的重要策略之一。測試的內(nèi)容，重點(diǎn)包括學(xué)習(xí)階段的課程本體知識的重點(diǎn)內(nèi)容和基礎(chǔ)理論等，可采用閉卷形式或開卷形式進(jìn)行。

期末考試考查的內(nèi)容，需要涵蓋課程的基礎(chǔ)知識點(diǎn)和重點(diǎn)知識點(diǎn)，難易程度需要合理，可以結(jié)合課后作業(yè)、階段測試、課堂練習(xí)等進(jìn)行命題。為了更好考查學(xué)生對課程本體知識掌握情況，以及對課程本體知識的運(yùn)用情況，考試內(nèi)容可以包括一部分的開放性題目。對開放性題目，注重考查學(xué)生理解概念的準(zhǔn)確性、邏輯推演的嚴(yán)謹(jǐn)性以及創(chuàng)新性等，不設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)答案。

（二）科研素養(yǎng)訓(xùn)練情況的考核，占課程總成績的30%

科研素養(yǎng)訓(xùn)練考核，主要考查學(xué)生參與程度、參與途徑和方式，以及考查學(xué)生處理問題的邏輯思維能力、科研創(chuàng)新能力、組織協(xié)助能力等?？己说姆绞剑酝瓿蓪ｎ}小論文以及對完成專題的答辯情況為主。每名學(xué)生或者每個小組，都必須完成所選擇的專題撰寫小論文，并對完成的過程、結(jié)果進(jìn)行答辯。專題小論文，注重考查學(xué)生理解概念的準(zhǔn)確性，邏輯推演的嚴(yán)謹(jǐn)性，推理過程的正確性、創(chuàng)新性等，注重論文的完整性、邏輯性、合理性等，以及注重學(xué)生解決問題的綜合素養(yǎng)。專題小論文的答辯，注重考查學(xué)生語言組織能力、表達(dá)能力、PPT制作能力，以及邏輯思維水平等。

總之，電磁場類課程是物理學(xué)專業(yè)中較為古老、較為重要的基礎(chǔ)學(xué)科之一，是本科物理學(xué)專業(yè)的基礎(chǔ)課程。為了能在電磁學(xué)課程中有效地開展科研素養(yǎng)訓(xùn)練，加強(qiáng)本科生的思維、實(shí)踐、創(chuàng)新等能力的訓(xùn)練，本文探索“電磁學(xué)”的課程教學(xué)設(shè)計(jì)和評價(jià)體系設(shè)計(jì)，基于不降低課程本體知識的要求，又有利于開展科研素養(yǎng)訓(xùn)練，從課堂教學(xué)和課外訓(xùn)練入手，分別考查學(xué)生本體知識的掌握情況和技能水平層次，以及考查科研素養(yǎng)訓(xùn)練的成效。通過推動科教融合在“電磁學(xué)”課程中的實(shí)施，將有利于提高學(xué)生的邏輯思維能力、創(chuàng)新能力和科研能力。

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注：2020年度廣西高等教育本科教學(xué)改革工程項(xiàng)目“在電磁場類課程教學(xué)中強(qiáng)化科研素養(yǎng)訓(xùn)練的探索與實(shí)踐”（2020JGB172）

【作者簡介】陳志福（1981— ），男，廣西藤縣人，廣西民族大學(xué)數(shù)學(xué)與物理學(xué)院副研究員，研究方向?yàn)樘祗w物理學(xué)。

（責(zé)編 龔維玲）