《電磁學(xué)》課程中實施研究性教學(xué)的探索

　　摘要：在物理類專業(yè)《電磁學(xué)》課程教學(xué)改革實踐中，對如何把經(jīng)典《電磁學(xué)》與現(xiàn)代化內(nèi)容相結(jié)合，實施研究性教學(xué)的可行性作了一些理論分析與探討，并對實施可行性提出了幾點思考。
　　關(guān)鍵詞：物理類專業(yè)；《電磁學(xué)》；教學(xué)改革；研究性教學(xué)
　　中圖分類號：G642.0 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）15-0165-03
　　《電磁學(xué)》是應(yīng)用物理專業(yè)學(xué)生的一門必修課，是一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，是學(xué)習(xí)許多后續(xù)課程的基礎(chǔ)，其基本原理在現(xiàn)代自然科學(xué)和工程技術(shù)等領(lǐng)域有著廣泛而深入的應(yīng)用�！峨姶艑W(xué)》的研究方法高度集中了物理與數(shù)學(xué)結(jié)合的邏輯上的嚴(yán)密性與系統(tǒng)性，其基礎(chǔ)理論對于學(xué)生今后從事教學(xué)與科學(xué)研究以及工程技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的研究都十分重要。如何提高這門課程的教學(xué)水平和教學(xué)質(zhì)量，為培養(yǎng)高素質(zhì)人才做出了更大的貢獻，是擺在廣大基礎(chǔ)課教師面前的一項重要而緊迫的課題。隨著世界經(jīng)濟的全面高速發(fā)展，社會對高素質(zhì)人才的培養(yǎng)更加關(guān)注，近幾年來已經(jīng)引起了我國社會各界有識之士的普遍關(guān)注。高等教育在新中國成立以來特別是在改革開放二十年來取得了巨大成就，為國民經(jīng)濟發(fā)展和社會的全面進步做出了很大貢獻。然而，長期以來我國高等院校對學(xué)生創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)是一個突出的薄弱環(huán)節(jié)，教學(xué)觀念落后，不利于學(xué)生學(xué)習(xí)能動性的發(fā)揮，教學(xué)模式單一不利于學(xué)生個性發(fā)展和拔尖人才的脫穎而出。教學(xué)方法過死，滿堂“灌疏式”的現(xiàn)象基本上沒有得到徹底的改變，考試方法和考試內(nèi)容引導(dǎo)學(xué)生死讀書本。對學(xué)生的評價主要以課程考試中的一次成績評定等，束縛了學(xué)生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的發(fā)展。然而，一個國家的綜合國力最終將取決于其科技實力，而科技實力在于人才，人才的根本源于教育。而具有嚴(yán)密體系和數(shù)理邏輯思維的高等物理教育教學(xué)在培養(yǎng)高素質(zhì)人才方面可以發(fā)揮十分重要的作用。在這種背景下，我們結(jié)合實際，在應(yīng)用物理專業(yè)《電磁學(xué)》課程教學(xué)中進行了研究式教學(xué)的探索與實踐，根據(jù)實際情況提出了在《電磁學(xué)》教學(xué)中實施研究式教學(xué)的幾點思考。
　　一、物理專業(yè)《電磁學(xué)》課程教學(xué)中研究式教學(xué)的探索與實踐
　　從狹義上講，研究式教學(xué)就是在課堂教學(xué)中就某一具體問題進行專題研究的全過程，通過這一過程使學(xué)生獲取相關(guān)知識與技能的同時，對某一問題具有比較深入的掌握與理解。從廣義上講，研究式教學(xué)是指在教師的指導(dǎo)下學(xué)生就自然科學(xué)、社會科學(xué)和生產(chǎn)生活實際中選擇和確定專題進行研究的過程。根據(jù)上述對研究式教學(xué)的理解，我們認(rèn)為在《電磁學(xué)》課程教學(xué)中首先應(yīng)當(dāng)對其教學(xué)內(nèi)容做必要的調(diào)整和改革，特別是應(yīng)當(dāng)增加與當(dāng)前工程技術(shù)領(lǐng)域密切相關(guān)的現(xiàn)代化內(nèi)容。
　　1.《電磁學(xué)》課程教學(xué)內(nèi)容的現(xiàn)代化改革�！峨姶艑W(xué)》這門學(xué)科的基本內(nèi)容是經(jīng)典電磁學(xué)部分，它主要包括靜電學(xué)、靜磁學(xué)、電磁感應(yīng)和Maxwell電磁場基礎(chǔ)理論，課程內(nèi)容多、學(xué)時少。教學(xué)中如何把與當(dāng)前工程技術(shù)領(lǐng)域密切相關(guān)的現(xiàn)代化內(nèi)容補充進來，是教學(xué)過程中要認(rèn)真解決的問題。為此，我們將其課程內(nèi)容做了如下的改革：緒論部分講《電磁學(xué)》的重要性時，介紹一些它在現(xiàn)代科技和生活實際中的應(yīng)用，如從家電到高技術(shù)領(lǐng)域，從微電子技術(shù)、信息技術(shù)、能源和材料科學(xué)到納米科技等相關(guān)知識。第一章講到電荷的量子化時，介紹分?jǐn)?shù)電荷、夸克的發(fā)現(xiàn)和種類。在講到作為靜電理論基礎(chǔ)的庫侖定律時，介紹高速運動的點電荷之間不滿足經(jīng)典庫侖定律的幾種情況，并寫出在相對論情況下庫侖定律的具體數(shù)學(xué)表示式，介紹用矢量和標(biāo)量來描述靜磁場時講矢量和標(biāo)量描述的相對性。第二和第三章為靜電場中的導(dǎo)體和電解質(zhì)，講物質(zhì)電結(jié)構(gòu)時介紹電子和質(zhì)子的發(fā)現(xiàn)以及原子吸收和發(fā)射光譜研究是了解原子內(nèi)部構(gòu)造的重要手段。電介質(zhì)物質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)與極化過程和電偶極子的物理模型在現(xiàn)代原子與分子物理中的重要應(yīng)用，如靜電復(fù)印機和靜電屏蔽等。第四章講經(jīng)典電子論時講其應(yīng)用的局限性和現(xiàn)代量子理論對物質(zhì)電導(dǎo)率的準(zhǔn)確解釋�；鶢柣舴蚍匠探M仍然是研究似穩(wěn)電路的基礎(chǔ)。第五章靜磁場一章中，講非穩(wěn)恒電流元的畢—薩定律的含時形式與磁延遲效應(yīng)。第六章講帶電離子與磁場相互作用時，講重元素質(zhì)譜儀、同步回旋加速器、磁流體發(fā)電等。講磁約束時介紹磁約束和慣性約束高溫等離子體核聚變以及天體熱核聚變等離子體，同時介紹離子體作為物質(zhì)世界七種基本形態(tài)（固、液、氣、等離子體、超密態(tài)、反物質(zhì)和真空）之一，即物質(zhì)的第四態(tài)是由足夠數(shù)量的正負(fù)帶電離子組成，其運動由電磁力支配的另一種物質(zhì)狀態(tài)。宇宙中99%的物質(zhì)處于等離子體狀態(tài)。由于地球的低溫環(huán)境僅存在少量的等離子體，如電解液、電離氣體、空間電離層等。在講磁聚焦時介紹了電子顯微鏡的基本原理，特別介紹了掃描隧道顯微鏡（Scanning Tunneling Microscope簡稱STM），它是IBM公司蘇黎世研究所的賓尼格和羅勒于1981年發(fā)明的，并獲得了1986年的諾貝爾物理學(xué)獎。在第七章講磁介質(zhì)的順磁性、抗磁性和鐵磁性物質(zhì)的特性和磁化機理，介紹了各種磁性材料，如軟磁材料、硬磁材料、磁致伸縮材料、磁光材料等基本特性與應(yīng)用。在分析抗磁性時介紹超導(dǎo)抗磁性（邁斯納效應(yīng)）、磁懸浮和超導(dǎo)磁懸浮列車。超導(dǎo)體的零電阻效應(yīng)及高溫超導(dǎo)材料的研究狀況和應(yīng)用前景。
　　2.課堂專題和課程論文。在上述對電磁學(xué)課程在基本概念和基本原理的基礎(chǔ)上，通過對整個課程增加現(xiàn)代科學(xué)和工程技術(shù)應(yīng)用知識進行整合。在課堂教學(xué)中，采用課堂專題講座和課堂討論的方式介紹現(xiàn)代物理內(nèi)容。課堂專題有利于把有關(guān)知識比較深入地介紹給學(xué)生，而開展課堂討論有利于調(diào)動學(xué)生的積極性，也有利于學(xué)生綜合素質(zhì)的提高。專題講座和課堂討論的基本原則是不追求把所有專題問題全部講深、講透，而是就某一專題突出重點，要給學(xué)生留有思考的余地。專題講座中的題目可以由教師提出，也可以由學(xué)生自行擬訂，題目所涉及的內(nèi)容主要包括三個方面的內(nèi)容：（1）就某一電磁學(xué)的原理和基本概念進行深入的分析研究；（2）就某一電磁學(xué)原理密切相關(guān)的應(yīng)用課題進行專題研究；（3）涉及了與其他的學(xué)科融合交叉的綜合性專題研究。在專題討論、課堂基本概念和基本原理教學(xué)的基礎(chǔ)之上，指導(dǎo)學(xué)生通過互聯(lián)網(wǎng)和圖書館等有關(guān)途徑搜集有關(guān)資料的方法，學(xué)生通過自身的思考、分析、總結(jié)，培養(yǎng)和鍛煉了自己提出問題、分析問題和解決問題的能力。學(xué)生通過自己的努力寫出有關(guān)專題研究的論文，下面就最近四年中部分學(xué)生的電磁學(xué)課程論文列述于下：（1）電磁學(xué)發(fā)展史；（2）晴天大氣電場的利用（探討人類如何利用雷電所釋放出的能量）；（3）金屬導(dǎo)電的微觀解釋（由固體理論結(jié)合經(jīng)典電子論討論了金屬的電導(dǎo)率與環(huán)境溫度的關(guān)系）；（4）超導(dǎo)體及其電磁學(xué)性質(zhì)（討論昂納斯超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度和零電阻導(dǎo)體特性）；（5）Hall效應(yīng)及其應(yīng)用（歷史淵源和Hall傳感器的應(yīng)用）；（6）庫侖定律嚴(yán)格平方反比關(guān)系的幾點討論（討論庫侖定律嚴(yán)格反比關(guān)系與光子的零靜止質(zhì)量、真空色散、電荷守恒等的一些關(guān)系）；（7）右手平直定則的來源與通用性（而矢量的叉積確定第三矢量的問題）；（8）我的有關(guān)地磁場的假說（討論有關(guān)地磁場反轉(zhuǎn)問題的歷史發(fā)展，提出了自己獨到的見解）；（9）電場和磁場性質(zhì)的數(shù)學(xué)解釋（討論電場、磁場散度和旋度的數(shù)學(xué)表示）；（10）電磁場中的動量和能量守恒（研究電磁場中的動量和能量守恒問題）；（11）相對論條件下庫侖定律的形式與電磁場變換（推導(dǎo)相對論條件下庫侖定律的形式及電磁場變換關(guān)系）；（12）電磁波的應(yīng)用——微波加熱與檢測（討論微波加熱、除菌、測溫、脫水與解凍、金屬表面裂紋檢測等）；（13）靜電復(fù)印機的工作原理；（14）偶極子與分子環(huán)流的電磁學(xué)性質(zhì)（類比了兩種物理模型的電磁性質(zhì)）；（15）趣味電磁學(xué)——生物羅盤之迷（討論動物與人類的磁敏感性）；（16）空心載流圓柱體磁場的計算（從數(shù)學(xué)上推導(dǎo)計算了空心載流圓柱體在空間一點處的磁場）；（17）日光燈的工作原理及整流器的安全運行機制；（18）磁流體發(fā)電——一種新的發(fā)電方式（介紹磁流體發(fā)電的原理及應(yīng)用前景）；（19）溫差電現(xiàn)象及應(yīng)用（溫差電測溫）；（20）互感器及其應(yīng)用（互感變壓器）；（21）回旋輻射的幾點討論（韌致輻射與回旋輻射在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用等）；（22）超導(dǎo)技術(shù)及其應(yīng)用（討論了12種超導(dǎo)材料的超導(dǎo)臨界溫度和超導(dǎo)輸電、磁懸浮等問題）；（23）趨膚效應(yīng)的定性與定量分析（就一個具體的高壓電路傳輸中電流密度與導(dǎo)體相關(guān)物理量的關(guān)系進行了比較細(xì)致的分析）；（24）對稱才是美的——對磁單極存在的一點猜測；（25）穩(wěn)恒電場邊值問題的唯一性定理（討論了在穩(wěn)恒電場中的邊值問題）；（26）電介質(zhì)的極化機理；（27）壓電效應(yīng)及其逆效應(yīng)的原理和應(yīng)用機制（壓電效應(yīng)及其逆效應(yīng)在信號傳輸中的應(yīng)用）；（28）長距離輸電中一個容易被混淆的概念（指出漏電導(dǎo)為常數(shù)并不能說明單位長度的電流損失也是常數(shù)）；（29）半導(dǎo)體帕爾帖效應(yīng)及應(yīng)用（講述半導(dǎo)體帕爾帖效應(yīng)制冷原理及半導(dǎo)體冰箱）；（30）場致發(fā)射的應(yīng)用前景（FED、PDP與LCD等顯示器的分析對比）；（31）同步回旋加速器的原理及其應(yīng)用（討論了工作頻率與離子質(zhì)量的關(guān)系）；（32）地球磁場是怎樣產(chǎn)生的（回顧歷史討論地磁產(chǎn)生的原因）；（33）彈性載流線圈在均勻磁場中的運動（討論彈性載流線圈在均勻磁場中的伸縮現(xiàn)象）；（34）惠斯通電橋的研究（討論非平衡情況下電橋的靈敏度與電阻的測量方法）；（35）平面圓電流外一點處的磁感應(yīng)強度的計算；（36）電子感應(yīng)加速器的工作原理；（37）磁性材料的應(yīng)用與發(fā)展（討論磁光記錄和磁記錄材料的應(yīng)用）。

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