電動力學(xué)教學(xué)改革之探討與實踐

張子珍

（山西大同大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，山西大同 037009）

電動力學(xué)是物理系本科生的一門專業(yè)課，是四大力學(xué)（理論力學(xué)，熱力學(xué)與統(tǒng)計物理，電動力學(xué)，量子力學(xué)）之一。歷年來，物理系的學(xué)生把電動力學(xué)這門課比作是“神獸”，它的難度可想而知。怎樣在有限的64學(xué)時內(nèi)高質(zhì)量地完成教學(xué)任務(wù)是課程組教師們不斷思考、潛心探索的問題。經(jīng)過課程組教師的共同努力，近年來電動力學(xué)課程組取得了一定的成績：2008 年《電動力學(xué)》課程被評為山西大同大學(xué)校級精品課程，同年被評為山西省省級精品課程，2013轉(zhuǎn)為山西省精品資源共享課，2019 年升級為山西省省級精品資源共享課線上建設(shè)課程。根據(jù)歷年來的教學(xué)經(jīng)驗以及所取得的成績，對電動力學(xué)的創(chuàng)新成果總結(jié)如下：

電動力學(xué)課程是一門理論體系嚴(yán)謹(jǐn)、應(yīng)用廣泛并且與前沿研究（如量子電動力學(xué)、磁單極子等）密切聯(lián)系的學(xué)科，是物理學(xué)專業(yè)本科生必須掌握的專業(yè)核心課程。多年來的教學(xué)實踐體會最深的是，老師就像是雕塑家，學(xué)生就是你雕塑的作品。學(xué)生的可塑性很強(qiáng)，你想要雕出什么樣的作品，決定你的整體構(gòu)思以及能力水平。師者：傳道、授業(yè)、解惑也。課堂教學(xué)不僅僅是傳授知識，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生獲取知識的能力，培養(yǎng)學(xué)生的家國情懷，讓學(xué)生變成一個獨(dú)立的人，對社會有用的人。要想達(dá)到這個目的，課程設(shè)計是至關(guān)重要。

課程設(shè)計主要包括以下兩個內(nèi)容：

課堂上哪些知識需要教師去講，怎樣講？哪些知識老師引導(dǎo)學(xué)生去完成，哪些知識通過學(xué)生自己獨(dú)立思考得出結(jié)論，這節(jié)課學(xué)生除了學(xué)會專業(yè)知識以外，還培養(yǎng)了學(xué)生的哪些能力，教師在課程設(shè)計上只有下足了功夫，才會收到顯著效果。

下面從課堂教學(xué)的幾個環(huán)節(jié)進(jìn)行具體展現(xiàn)。

1 以課程導(dǎo)入為抓手，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

電動力學(xué)研究的是電磁場的運(yùn)動規(guī)律以及電磁場與物質(zhì)相互作用的規(guī)律。學(xué)生們從經(jīng)典力學(xué)一路走來，第一次接觸到“場”的概念，因為“場”看不見也摸不著，但它確實存在于我們的周圍。學(xué)生們頭腦中剛剛建立起來的物理模型被“場”這種物質(zhì)徹底打破了，這給學(xué)生的理解上帶來了一定的困難，再加上研究電磁場用到的數(shù)學(xué)知識有矢量代數(shù)，矢量分析，張量，還有各種形式的偏微分方程，而且偏微分方程在不同的坐標(biāo)系下進(jìn)行求解，這對學(xué)生來說無外乎雪上加霜?；谶@些現(xiàn)狀，作為電動力學(xué)的教師，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣是教學(xué)過程的重中之重，通過培養(yǎng)興趣來調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

1.1 理論聯(lián)系實際，激發(fā)學(xué)生的興趣

生活中電磁場電磁波無處不在，把日常生活中的一些電磁現(xiàn)象引入到課堂中來激發(fā)學(xué)生的興趣，如微波爐的工作原理？手機(jī)是怎樣發(fā)射或者接收信號的？電磁輻射對人體有害嗎？帶著這些問題來展開教學(xué)，學(xué)生就感到學(xué)有所用，多年來的教學(xué)實踐證明，在課程導(dǎo)入時，把抽象的電磁理論與日常生活的實際相結(jié)合能極大地調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

1.2 問題導(dǎo)向法，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

多年來的教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在電動力學(xué)的學(xué)習(xí)中存在著各種各樣的問題，既有學(xué)習(xí)《電動力學(xué)》的興趣問題，也有感到矢量計算難、物理概念抽象等問題，還有在批改作業(yè)時反映出的具體知識點(diǎn)存在的問題。只有發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，才能在教學(xué)上有所突破和發(fā)展。多年來，課程組老師在課程導(dǎo)入時，把學(xué)生學(xué)習(xí)中存在的問題歸納成幾道小的客觀題，上課前的幾分鐘之內(nèi)讓學(xué)生回答，通過學(xué)生的答題情況來了解學(xué)生對前面知識掌握的程度，并且通過這幾個小問題來引出新的課題。多年來的教學(xué)實踐發(fā)現(xiàn)，將問題認(rèn)真準(zhǔn)備和有機(jī)呈現(xiàn)，并組織學(xué)生積極探究和解決問題，這種問題導(dǎo)向法能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性[1]。

2 以學(xué)生為中心，教師當(dāng)好領(lǐng)路人

在電動力學(xué)課程教學(xué)中，課程組教師從以下幾方面當(dāng)好領(lǐng)路人。

2.1 理清知識的框架結(jié)構(gòu)，貫穿主線思想

電動力學(xué)是一門有著嚴(yán)密的邏輯思維體系的課程，它的研究對象是電磁場的運(yùn)動規(guī)律，電磁場的運(yùn)動規(guī)律就是第一章從各種實驗定律歸納總結(jié)出來的麥克斯韋方程組。在電動力學(xué)教學(xué)中，課程組教師把麥克斯韋方程組作為整門課程的一條主線，從這條主線出發(fā)延伸出第二章研究靜電場時電勢所滿足的泊松方程，第三章研究靜磁場磁標(biāo)勢所滿足的拉普拉斯方程，以及第四章研究電磁波傳播時的波動方程和第五章電磁波輻射時的達(dá)朗爾方程等，然后每一章的后面幾節(jié)分別是在不同的邊界條件，不同的坐標(biāo)系下去求解各類方程，分析解的物理意義。在教學(xué)中，教師通過麥克斯韋方程組這條主線，把電動力學(xué)的教學(xué)內(nèi)容以清晰的框架結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)給學(xué)生，讓學(xué)生始終保持清醒的頭腦，通過分析各方程以及解的物理意義來培養(yǎng)與訓(xùn)練學(xué)生的物理思維能力以及運(yùn)用數(shù)學(xué)知識解決物理問題的能力。

2.2 課程思政融入課堂教學(xué)中，培養(yǎng)學(xué)生的辯證唯物主義世界觀

電動力學(xué)的基本理論——麥克斯韋方程組是建立在大量實驗的基礎(chǔ)上，在課堂教學(xué)中，將物理學(xué)家奧斯特，法拉第，麥克斯韋的生平簡介，當(dāng)時理論存在的問題，實驗過程，探求真理的思想介紹給學(xué)生。如法拉第在尋求電流產(chǎn)生磁場的逆效應(yīng)時成功地發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)定律，但是他由于數(shù)學(xué)上的缺陷，沒有作進(jìn)一步的理論分析，“既然變化的磁場能產(chǎn)生變化的電場,那么變化的電場是否能產(chǎn)生變化的磁場？”麥克斯韋認(rèn)識到這一問題的物理實質(zhì)，提出了位移電流的概念，進(jìn)而創(chuàng)立了描述整個宏觀電磁規(guī)律的普遍理論：變化的磁場產(chǎn)生電場——法拉第電磁感應(yīng)定律，變化的電場產(chǎn)生磁場——麥克斯韋的位移電流假說，這就是著名的麥克斯韋方程組，這兩個方程式不但完滿地解釋了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，而且還在理論上進(jìn)行了高度的概括和總結(jié)，形成了完整的電磁場理論。再如狹義相對論誕生的歷史背景，19 世紀(jì)末，歐洲著名的科學(xué)家歡聚一堂。會上，英國著名物理學(xué)家威廉.湯姆生發(fā)表了新年賀詞。他在回顧物理學(xué)所取得的偉大成就時說：“物理學(xué)大廈已經(jīng)基本建成，所剩下的只是一些修補(bǔ)工作，也就是在一些常數(shù)的后面多加幾位小數(shù)而已?！蓖瑫r，他在展望20 世紀(jì)物理學(xué)前景時，卻若有所思地講道：“在物理學(xué)美麗而晴朗天空的遠(yuǎn)處卻漂浮著兩朵小小的烏云，”“第一朵烏云出現(xiàn)在光的波動理論上，”“第二朵烏云出現(xiàn)在關(guān)于能量均分的麥克斯韋?玻爾茲曼理論上”。正是這兩朵小小的烏云，掀起了物理學(xué)的傾盆大雨，誕生了愛因斯坦的狹義相對論和量子力學(xué)。將這些簡述融入課堂教學(xué)中，有利于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力[2-3]。物理學(xué)發(fā)展過程正是“實踐?理論?實踐”過程，也是“實踐是檢驗真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)”這一認(rèn)識規(guī)律的典型例證?？茖W(xué)家們在發(fā)現(xiàn)問題、思考問題、分析問題、解決問題的過程中用到的辯證唯物主義世界觀和方法論，對于學(xué)生世界觀的形成，對物理思想的領(lǐng)會、提高學(xué)生的學(xué)科知識水平、訓(xùn)練學(xué)生提出問題和解決問題的能力等有著極大的促進(jìn)作用。

2.3 多媒體課件與傳統(tǒng)教學(xué)相結(jié)合，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性

采用多媒體課件與傳統(tǒng)教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)方式，將圖文并茂的“多媒體課件”引入到課堂教學(xué)中，擺脫了傳統(tǒng)“一言堂”的教學(xué)模式，使課堂變成了“講”與“看”相結(jié)合，“思考”與“探索”相結(jié)合，“問”與“答”相結(jié)合生動活潑的學(xué)習(xí)場所。既增加了信息量，又調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

2.4 啟發(fā)與討論相結(jié)合，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性

通過啟發(fā)式和討論式教學(xué)，促使學(xué)生從被動接受知識向主動探索真知轉(zhuǎn)變。每一節(jié)課都有讓學(xué)生必須掌握的具體知識——基本概念、或基本理論（思想）、或基本方法。因此，教師在課堂上必須突出重點(diǎn)、抓住難點(diǎn)，并有意識地引導(dǎo)學(xué)生一步一步地思考——為什么要討論這個問題？理解或解決這個問題的難點(diǎn)在何處？得到的結(jié)果(或結(jié)論)意味著什么?還有其它解決方法嗎?等等。

2.5 線上與線下相結(jié)合，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性

“超星學(xué)習(xí)通”上電動力學(xué)課程的教學(xué)資源豐富，有整本教材的視頻資料，教師還在課前或課后發(fā)布思考題、網(wǎng)上答疑和討論等等，使課堂教學(xué)得到延伸和拓展，也能滿足學(xué)生的個性化需求。教師依據(jù)教學(xué)設(shè)計的原則和自己特點(diǎn)，進(jìn)行相關(guān)內(nèi)容設(shè)計，例如:讓學(xué)生自己做章節(jié)小結(jié)；把習(xí)題課變?yōu)槔蠋熀蛯W(xué)生共同討論；線上組織期中和期末考試，線上考試主要以課程論文以及學(xué)生對課程的理解或者課程評價為主，這樣既擴(kuò)大了學(xué)生對所學(xué)知識在當(dāng)代科技中應(yīng)用的了解，又能發(fā)現(xiàn)教學(xué)中存在的問題，查漏補(bǔ)缺，提高教學(xué)質(zhì)量[4]。

“學(xué)習(xí)通”中的討論區(qū)發(fā)揮了非常重要的作用，學(xué)生養(yǎng)成了有難必問，有問必答，互相交流，互相探討的好習(xí)慣；每章配有基本概念小結(jié)、自測題庫，作業(yè)輔導(dǎo)，給學(xué)生的自主學(xué)習(xí)帶來了極大的方便，發(fā)揮了精品共享的目的。

2.6 教學(xué)與科研相結(jié)合，以教學(xué)帶動科研，以科研促進(jìn)教學(xué)

電動力學(xué)中多次用到的級數(shù)展開法（如電多極矩，磁多極矩，電磁波的輻射等），這種方法的核心是近似處理，忽略高階小量，抓住主要矛盾，這種方法也是科研上用的非常多的一種方法。如計算黑洞的熱輻射時就用到級數(shù)展開這種近似處理的方法。還有求解達(dá)朗貝爾方程時用到的推理法、研究磁場與電場的類比教學(xué)法等。這些都是做科研必不可少的方法。把教學(xué)與科研相結(jié)合，既能使教學(xué)上一個新的臺階，又能使課堂教學(xué)充滿活力，當(dāng)然還能提高科研能力。

3 重視教學(xué)評價，提高教學(xué)質(zhì)量

課程考核是對學(xué)生學(xué)習(xí)評價的最直接的方式。課程組采用了線下卷面考試（60%）與線上成績（40%）相結(jié)合的方式。線上成績包括：出勤（10%），討論（10%），任務(wù)點(diǎn)（20%），作業(yè)（20%）線上考試（40%）。通過這種考核機(jī)制，學(xué)生線上學(xué)習(xí)的積極性明顯提高。線上考試將課程論文與學(xué)生對課程的理解與教學(xué)評價相聯(lián)系，全面了解學(xué)生學(xué)業(yè)水平以及對課程的滿意度，教學(xué)過程中存在的問題以及今后改進(jìn)的方向。

通過課程組成員的共同努力，精心設(shè)計，無論是線上還是線下，學(xué)生積極參與到課程中來了。課堂上學(xué)生動情、動腦、還動手主動地學(xué)習(xí)，師生交流充分，改變了原來的“被動地應(yīng)付性地學(xué)習(xí)”的習(xí)慣；線上學(xué)生養(yǎng)成了有難必問，有問必答，自主思考，探究學(xué)習(xí)的良好學(xué)習(xí)習(xí)慣。

教學(xué)相長，教師教學(xué)水平明顯提高。課堂上，教師改掉了“滿堂灌，一言堂”的壞習(xí)慣，精心搞好課程設(shè)計，當(dāng)好學(xué)生的領(lǐng)路人。把課程思政融入到課堂教學(xué)中，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，引導(dǎo)學(xué)生積極思考，自主探究，把所學(xué)的電磁場電磁波理論與日常生活實際相結(jié)合，極大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。學(xué)生的素質(zhì)和能力有了明顯的提高，歷年來，有部分學(xué)生用C 語言或MATLAB 分析電磁場問題，做畢業(yè)設(shè)計；還有學(xué)生報考研究生時選擇等離子體物理、天體物理專業(yè)，濃厚的興趣促使他們進(jìn)行更深的研究；在2019 年第四屆山西省物理學(xué)術(shù)競賽中我校物理系榮獲了一、二等獎。

經(jīng)過多年來的努力和實踐，電動力學(xué)課程組在教學(xué)改革方面取得了一定的成績，但由于課時的限制，課程在深度上還有進(jìn)一步拓展的空間，以后的教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生向深度和廣度上進(jìn)一步拓展[5-6]。