“電磁學(xué)”課程教與學(xué)的改革探討

桂林理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院廣西·桂林541004）

摘要電磁學(xué)作為理工科大學(xué)的一門基礎(chǔ)課，是本科教育中的一門必修課程。本文分析了“電磁學(xué)”課程教學(xué)中存在的特點和問題，主要表現(xiàn)在課程內(nèi)容抽象，概念不易理解；知識點過多，學(xué)生把握不住重點；教學(xué)安排不夠合理等等。針對存在的問題，給出了一些教學(xué)改革建議，特別指出了本課程的重點在于物理概念的描述，而不是解題技巧。同時，對本課程其他事項也提出了合理的建議。

關(guān)鍵詞 電磁學(xué) 教學(xué)改革 物理概念

中圖分類號：G420 文獻標(biāo)志碼：A

Teaching and Learning Reform on \"Electromagnetics\"

XUE Tingxiao

(Key Laboratory of Geological Engineering Centre of Guangxi Province，

Guilin University of Technology， Guilin， Guangxi 541004;

College of Earth Sciences， Guilin University of Technology， Guilin， Guangxi 541004)

AbstractAs a basic course in university of science and engineering. This paper analyzes the characteristics and problems of \"Electromagnetism\" teaching. electromagnetics is a required course in undergraduate education. Mainly in the course content of the abstract， concept difficult to understand; knowledge points too much， the students can't grasp the key points; teaching arrangements are not reasonable and so on. To deal with the problems， gives some teaching reform proposals，in particular， it points out that this course focuses on the physical description of the concept， rather than problem-solving skills. At the same time， proposes some reasonable suggestions for other matters.

Key wordselectromagnetics; curriculum reform; physical concept

“電磁學(xué)”是高等學(xué)校理工科普遍開設(shè)的一門基礎(chǔ)課。學(xué)好這門課，不僅能夠提高學(xué)生對近現(xiàn)代經(jīng)典物理學(xué)的深入認(rèn)識，而且也是學(xué)習(xí)很多專業(yè)課的基礎(chǔ)。本人所在的是地球物理教研室，涉及地球物理專業(yè)和勘查技術(shù)專業(yè)，前一專業(yè)偏向于理科，后一專業(yè)偏向于工科，但是都離不開電磁學(xué)。例如，“地震學(xué)”課程里面最重要的基礎(chǔ)理論就是波動理論，而波動方程的求解就需要用到關(guān)于場論的內(nèi)容；“電法勘探”課程中直流電法勘探需要用到電磁學(xué)中穩(wěn)恒電路理論，電磁法勘探用到麥克斯韋理論。可以說，學(xué)不好電磁學(xué)，專業(yè)課無從入手，即使學(xué)懂了專業(yè)課的皮毛，但是也不能深入理解，無法從事科研和進行技術(shù)創(chuàng)新。

但是，電磁學(xué)這門課一般來說不好教，學(xué)生也反映不好學(xué)。這有多方面的原因，我們從以下幾個方面進行表述，并提出一些建議。

1 “電磁學(xué)”課程的師資建設(shè)

“電磁學(xué)”理論性極強的一門學(xué)科。一般該課程只有一位負(fù)責(zé)人，但是整個課程的建設(shè)不是靠一個人的力量能夠完成的，而是由整個教學(xué)和科研團隊緊密結(jié)合，繼承并總結(jié)前輩教育工作者的豐富經(jīng)驗和教學(xué)方法，才能圓滿地完成。所以，“電磁學(xué)”課程改革應(yīng)注重教師隊伍的培養(yǎng)，提高教師隊伍的教育和科研水平，并要加強年青教師和中老年教師的溝通和繼承。一方面，創(chuàng)造條件引進優(yōu)秀人才；另一方面，動員青老教師多交流和溝通，在教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法上進行探討。

還有，建議對教師的評估體系中，增加教學(xué)方面的比重，促使教師能將更多的精力投向教學(xué)方面。也可以設(shè)立教學(xué)獎勵基金，調(diào)動教師的教學(xué)積極性。

2 “電磁學(xué)”課程內(nèi)容特殊性和課程體系改革

“電磁學(xué)”課程有其本身的特殊性。第一，課程本身抽象、難以理解，并不可避免的要運用高等數(shù)學(xué)。人類認(rèn)識自然的過程一般來說是由簡入繁，由形象而抽象。物理學(xué)本身也是這樣發(fā)展的：比如，人類很早就開始研究力學(xué)，因為人天天和“力”打交道，而后逐漸去認(rèn)識“力”現(xiàn)象的本質(zhì)，近代物理學(xué)則把“力”劃分成四種基本的力。再比如，人類從一開始研究可見光，繼而認(rèn)識到可見光之外有非可見光，比如紅外線和紫外線，隨著法拉第等人的努力，理解了電現(xiàn)象和磁現(xiàn)象的本質(zhì)，后由Maxwell的貢獻和天才的預(yù)言，逐漸認(rèn)識了電磁波，并發(fā)現(xiàn)了光也是一種電磁波。從簡單的物理現(xiàn)象到深入抽象地認(rèn)識現(xiàn)象背后的本質(zhì)，人類經(jīng)歷了幾千年的歷史。因此我們可以得出結(jié)論，人們?nèi)菀桌斫獾氖俏骞俚母惺?，而不是抽象的?shù)學(xué)和現(xiàn)象背后的本質(zhì)。這是人類的思維特點決定的，對于直觀的五官感受，對于自己有經(jīng)驗的事物易于被接受和理解，而抽象的規(guī)律和深奧的數(shù)學(xué)不易理解。但是，自然科學(xué)的發(fā)展要求人類不能停留在五官的認(rèn)識上，而要求歸納出經(jīng)驗之上的規(guī)律，特別是要理解現(xiàn)象背后的本質(zhì)更是這樣。另一方面，數(shù)學(xué)是人類表達(dá)自然，理解自然科學(xué)極好的表達(dá)方式。這是因為數(shù)學(xué)的簡潔和方便，而且因為它的完備性和邏輯的嚴(yán)密性。所以，要想敲開現(xiàn)代自然科學(xué)的大門，數(shù)學(xué)知識是不可或缺的。但是如果對初學(xué)者而言，數(shù)學(xué)較難掌握。而電磁學(xué)中大量用到了數(shù)學(xué)知識。雖然在大學(xué)一二年級學(xué)生們已經(jīng)學(xué)習(xí)了高等數(shù)學(xué)，但是數(shù)學(xué)教師教數(shù)學(xué)的時候往往只是偏重于數(shù)學(xué)本身的定義和技巧，往往沒有和物理概念相結(jié)合；再加上學(xué)生掌握的不夠扎實，所以電磁學(xué)對他們來說還是有相當(dāng)?shù)睦щy。

比如：數(shù)學(xué)場論中描述矢量場的三個算子：梯度、散度和旋度。如果沒有用形象的圖畫和詳盡的語言描述，只給出數(shù)學(xué)表達(dá)，學(xué)生們很難掌握。因此，要多加入必要的圖片說明，并要多花一些時間詳細(xì)描述。要把數(shù)學(xué)知識和物理概念緊密結(jié)合。數(shù)學(xué)本就是一種精煉的語言，也是一種抽象的語言。在課堂上，一定要求學(xué)生加深對物理概念的理解、對數(shù)學(xué)公式的理解。比如，從等值線方向?qū)?shù)逐漸引申出梯度的概念；從通量逐漸引入散度的概念；從環(huán)量積分引入旋度概念。從簡單的示意圖和詳細(xì)的語言描述入手，一開始避免繁瑣的數(shù)學(xué)公式，等學(xué)生完全熟悉了數(shù)學(xué)表達(dá)，方能在數(shù)學(xué)層面上展開較為繁瑣的推演。即使可以用數(shù)學(xué)表達(dá)電磁學(xué)規(guī)律，也一定要強調(diào)數(shù)學(xué)公式代表的物理含義，比如麥克斯韋組中各個方程的含義和由來，要求學(xué)生詳細(xì)的了解。

其次，建議講解數(shù)學(xué)和物理概念的時候，多引入數(shù)學(xué)史和物理學(xué)史的內(nèi)容，①使學(xué)生理解數(shù)學(xué)和物理名詞和術(shù)語是怎么引入的，為什么要引入，其背景是什么。因為，數(shù)學(xué)的發(fā)展不是一蹴而就的，而是隨著人類生產(chǎn)和科研的發(fā)展，逐漸發(fā)展起來的。所以，多介紹一些數(shù)學(xué)史，讓學(xué)生了解數(shù)學(xué)產(chǎn)生的背景，對他們理解數(shù)學(xué)有很大的益處，還能讓他們認(rèn)識數(shù)學(xué)怎么樣應(yīng)用于其他科學(xué)，怎么樣描述自然的。這會使學(xué)生更容易記憶和理解，否則他們會認(rèn)為憑空產(chǎn)生了這些復(fù)雜的名詞和術(shù)語。

不過現(xiàn)在，我們有一些有利條件可以加以利用。隨著計算機技術(shù)和軟件技術(shù)的成熟，我們可以比較方便的編寫一些程序，②用圖形和動畫，來配合教學(xué)。并引導(dǎo)和指導(dǎo)學(xué)生編寫程序，加強他們對“電磁學(xué)”概念的理解。比如，要解釋波動現(xiàn)象的時候，如果不配合圖形和動畫，往往難以表達(dá)波動在三維空間和時間上的變化和一些特殊現(xiàn)象。

3 教學(xué)安排的矛盾和改革建議

“電磁學(xué)”課程知識點過多，課程內(nèi)容從靜電場、穩(wěn)恒電流、靜磁場、電磁感應(yīng)、變化的電磁場到麥克斯韋理論，每一章的內(nèi)容都有較大的難度。但是，學(xué)生學(xué)習(xí)的時間很短，來不及深入學(xué)習(xí)和思考，往往是囫圇吞棗。如筆者所在的大學(xué)的本科專業(yè)，把本課程安排在第五學(xué)期，這一學(xué)期除了本課程之外，還安排了其他諸如電子電工學(xué)、C語言、地球物理學(xué)基礎(chǔ)、政治課等等。此外，還有很多同學(xué)忙于應(yīng)付英語四六級考試、計算機考試等等。這樣一來，學(xué)生除了能保證上課之外，課外的時間十分有限。而電磁學(xué)的很多知識需要學(xué)生詳細(xì)、認(rèn)真地思考和翻閱教材和教輔資料，并輔之以習(xí)題。時間和精力的矛盾，導(dǎo)致很多學(xué)生只能淺嘗輒止，甚至一知半解。

因此，建議壓縮教學(xué)內(nèi)容，不要面面俱到。比如麥克斯韋理論這一章中，有諸如“推遲勢”、“達(dá)朗貝爾方程的解”、“偶極輻射”、偶極子天線等內(nèi)容，可以留作以后再講，或者作為自修內(nèi)容。再比如，在靜電場和靜磁場這兩章中，有很多關(guān)于電像法和分離變量法等數(shù)學(xué)技巧，往往教師會對這些內(nèi)容花較多的精力。筆者覺得這些內(nèi)容需要特別地重視，因為這些內(nèi)容往往是技巧，而對學(xué)生認(rèn)識物理概念沒有很多幫助。因此，這些內(nèi)容應(yīng)該簡單的介紹，也不要布置過多的習(xí)題，引導(dǎo)學(xué)生不要為了解題耗費過多的精力，而要提醒學(xué)生把主要的時間放在理解物理概念上。

其次，不能只是一味地灌輸。因為大學(xué)學(xué)習(xí)和中學(xué)的學(xué)習(xí)有本質(zhì)的區(qū)別，大學(xué)學(xué)習(xí)應(yīng)該強調(diào)自學(xué)，因此，課堂上應(yīng)該和學(xué)生強調(diào)基礎(chǔ)、難點和重點，在此基礎(chǔ)之上，鼓勵學(xué)生開展自學(xué)。教師在講解時，教科書上的內(nèi)容應(yīng)該有所選擇，沒有必要面面俱到。一來可以節(jié)省課堂時間，把更多精力和時間用于對物理概念的講解上。布置習(xí)題數(shù)量一定要合理，不可過多，原則上對每一個重要的物理概念和知識點布置一兩道習(xí)題為宜。此外，課程安排上盡量合理，不能排得太滿，排課也不能過于集中，課與課之間要有一定的時間留給學(xué)生鞏固和思考。

在這個基礎(chǔ)上，加強和利用當(dāng)今網(wǎng)絡(luò)和計算機的便利，鼓勵和引導(dǎo)學(xué)生對網(wǎng)絡(luò)上的精品課程進行自學(xué)和復(fù)習(xí)，以彌補課堂上聽講的不足。教師本人也要善加利用，吸取其他優(yōu)秀教師的教學(xué)經(jīng)驗和教學(xué)技巧。

4 加強教材建設(shè)

為了更好地使學(xué)生學(xué)好這門課，教材的改革也很重要。首先，教材中要突出物理概念的重要性，從各個方面、各個角度幫助學(xué)生理解抽象的物理概念。其次，“電磁學(xué)”課程不能千篇一律，不同學(xué)校、不同專業(yè)對學(xué)生掌握電磁學(xué)內(nèi)容的要求不盡相同。比如，筆者所在的物探專業(yè)偏重于應(yīng)用，可以增加應(yīng)用方面的例題。

5 社會價值觀的影響和建議

按理來說，象電磁學(xué)這種理論性很強的課程需要學(xué)生花很大的精力，投入很多時間才能掌握其中的基本理論和要點。但是，目前社會浮躁情緒也不可避免地影響著學(xué)生。主要表現(xiàn)在投機心理和浮躁情緒。目前，經(jīng)濟領(lǐng)域內(nèi)的投機行為很難讓學(xué)生安心學(xué)習(xí)，此外，大學(xué)生就業(yè)形勢也不容樂觀，而面對日益嚴(yán)重的就業(yè)形勢，使很多學(xué)生往往抱著較重的悲觀情緒。

因此，引導(dǎo)學(xué)生樹立正確的價值觀和幸福觀，養(yǎng)成學(xué)生從不同角度看待社會和人生，避免學(xué)生落入享樂主義和投機主義。這方面的教育對學(xué)生安心學(xué)習(xí)非常重要。并提醒學(xué)生要協(xié)調(diào)好實際能力和理論學(xué)習(xí)的關(guān)系，不能輕視理論課的學(xué)習(xí)。

資助項目：

1.廣西壯族自治區(qū)級 新世紀(jì)教改工程2010年立項項目 “基于國家特色專業(yè)建設(shè)平臺的地球物理勘查工程技術(shù)人才培養(yǎng)模式研究與實踐 ”，項目編號2010JGB036

2.桂林理工大學(xué)教育科學(xué)研究項目 項目編號2010b02）

注釋

①約翰.塔巴克.數(shù)學(xué)之旅[M].商務(wù)印書館，2007.

②彭芳麟.數(shù)學(xué)物理方程的Matlab解法與可視化[M].清華大學(xué)出版社，2004.