尹輯文，李偉萍

（赤峰學(xué)院 物理與電子信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

1 引言

1.1 我國高等教育的目標(biāo)任務(wù)

高等教育承擔(dān)著培養(yǎng)德智體美勞全面發(fā)展的具有綜合素質(zhì)高級專門人才、發(fā)展科學(xué)技術(shù)文化、促進(jìn)社會主義現(xiàn)代化建設(shè)的重大任務(wù).提高教學(xué)質(zhì)量是高等教育發(fā)展的核心任務(wù)，是建設(shè)高等教育強(qiáng)國的基本要求.我校在十二五規(guī)劃中提出培養(yǎng)“創(chuàng)新型、應(yīng)用型、復(fù)合型”人才，要求進(jìn)一步完善專業(yè)課的實(shí)用性實(shí)現(xiàn)課程體系和結(jié)構(gòu)的整體優(yōu)化.并要積極探索開放式、探究式、互動式、全景式等現(xiàn)代教學(xué)方式，努力促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展和個性化發(fā)展.

1.2 幾種電動力學(xué)教學(xué)理念

電動力學(xué)作為四大力學(xué)之一，在物理教學(xué)中占有重要地位.它綜合了經(jīng)典電磁學(xué)的最高成就，從穩(wěn)恒的電磁場到變化的電磁場，再到電磁波的傳播和輻射等，對完善學(xué)生的知識體系具有重要的意義，對指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐同樣具有十分重要的價值.但由于電動力學(xué)課程的理論性和抽象性，一直是教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn).同時隨著我國高等教育規(guī)模的不斷擴(kuò)大精英教育轉(zhuǎn)為大眾教育，也使現(xiàn)在的學(xué)生更感覺電動力學(xué)課程難學(xué)、不好掌握.另外人才需求結(jié)構(gòu)的變化，高等學(xué)校物理類本科專業(yè)人才培養(yǎng)模式和方法有了很大變化.例如近三年我校物理學(xué)院物理學(xué)和應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)學(xué)生的就業(yè)實(shí)際情況：考取碩士研究生占學(xué)生總數(shù)的18.7%；考取公務(wù)員和事業(yè)單位占學(xué)生總數(shù)的26%；在大中型企業(yè)和自主就業(yè)占學(xué)生總數(shù)的55.3%；從統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以看出，多數(shù)不從事科學(xué)研究.多種因素使其電動力學(xué)教學(xué)沒有達(dá)到預(yù)期的效果.強(qiáng)化課程改革與建設(shè)則是重中之重.

近年來對電動力學(xué)教學(xué)，出現(xiàn)了幾種教學(xué)思路：第一種觀點(diǎn)認(rèn)為，由于其在理論物理或凝聚態(tài)物理等學(xué)科中的應(yīng)用不多，將電磁學(xué)與電動力學(xué)兩課融合；第二種觀點(diǎn)認(rèn)為，電動力學(xué)課程對于應(yīng)用物理類專業(yè)來說是基礎(chǔ)課程，應(yīng)該加強(qiáng)對電動力學(xué)的教學(xué)，內(nèi)容上應(yīng)該擴(kuò)充，即增加更多與專業(yè)相關(guān)方面的應(yīng)用內(nèi)容；第三種觀點(diǎn)認(rèn)為，隨著高等學(xué)校的大規(guī)模擴(kuò)招，擴(kuò)招后的學(xué)生基礎(chǔ)薄弱，以及就業(yè)方向主要企事業(yè)單位，電動力學(xué)課程的難度應(yīng)調(diào)整，減少數(shù)學(xué)推導(dǎo)加強(qiáng)應(yīng)用，減少電動力學(xué)課程的學(xué)時.為適應(yīng)學(xué)生的需求，適應(yīng)社會需要，如何引入新課程設(shè)計理念來教學(xué)，提高電動力學(xué)的教學(xué)效果？筆者在教學(xué)中進(jìn)行了改革實(shí)踐.

2 電動力學(xué)的特點(diǎn)

2.1 電動力學(xué)教材的內(nèi)容

見圖1.

2.2 電動力學(xué)的特點(diǎn)

在（1）“靜止電磁場”即電磁的性質(zhì)及其計算部分，主要是把抽象化的電磁場概念用微積分等數(shù)學(xué)工具表示出來，難點(diǎn)是如何分析具體的電磁場問題，建立麥克斯韋方程組及邊界條件，求出給定問題的解.這些的問題首先是具備物理思想，其次就是利用數(shù)學(xué)工具解決實(shí)際問題.在（2）“時變電磁場”即電磁場的輻射與傳播規(guī)律部分，難點(diǎn)是電磁場推遲勢的計算，天線輻射問題及電磁場在波導(dǎo)管中的傳播等.這些都是實(shí)際生產(chǎn)生活中的問題，會遇到復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)及矢量運(yùn)算，使得學(xué)生覺得難以下手.（3）在“狹義相對論”部分，難點(diǎn)主要是相對論的思維協(xié)變規(guī)律，相對論動力學(xué).（4）在“帶電粒子與電磁場的相互作用”部分，主要研究高速帶電粒子電磁場的輻射特性及場與物質(zhì)的相互作用.這部分中涉及較深的物理思想和各種相互作用機(jī)理，都包含較為復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)計算，難度較大.

圖1

3 改革的進(jìn)一步設(shè)想與嘗試

3.1 內(nèi)容的統(tǒng)一融合理念

在物理本科專業(yè)的教學(xué)中涉及電磁學(xué)理論的課程有大二上學(xué)期電磁學(xué)、大三上學(xué)期電動力學(xué)，和與之有交叉知識內(nèi)容的相對論課程.在教學(xué)過程中應(yīng)該充分認(rèn)識和體現(xiàn)電磁學(xué)、電動力學(xué)和相對論課程的聯(lián)系，即電磁理論的統(tǒng)一，從教學(xué)理念和方法上重視課程間相互關(guān)聯(lián)教學(xué)，調(diào)整電磁學(xué)、電動力學(xué)和相對論課程傳統(tǒng)的教材結(jié)構(gòu).電磁學(xué)與電動力學(xué)這兩門課程在內(nèi)容上沒有原則性的區(qū)別.電磁學(xué)課程在物理類專業(yè)中為基礎(chǔ)性課程，以處理穩(wěn)態(tài)情況為主要內(nèi)容，主要講述電、磁現(xiàn)象的基本概念和規(guī)律；電動力學(xué)課程則是從麥克斯韋方程組出發(fā)，研究電磁場與電磁波的性質(zhì)以及在各種條件下的應(yīng)用．兩門課程都是處理電、磁學(xué)問題，既有獨(dú)立性又相互滲透，內(nèi)容上有深刻的內(nèi)在聯(lián)系．相對論課程中包含電磁學(xué)理論.因此在安排三課教學(xué)時，合理安排教材內(nèi)容，避免課程在某些基本內(nèi)容上長期存在的重復(fù)現(xiàn)象，理順課程之間的銜接關(guān)系，保證各課程教學(xué)內(nèi)容的全面性、系統(tǒng)性和科學(xué)性，同時考慮教材內(nèi)容的融合，建立電磁學(xué)理論課程的統(tǒng)一關(guān)聯(lián)教學(xué)，在有限學(xué)時內(nèi)提高教學(xué)效率，改變教學(xué)現(xiàn)狀.

3.2 內(nèi)容的整合

統(tǒng)籌電磁場理論的設(shè)想下，我們把電動力學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了整合，設(shè)置為：第一部分，第一章內(nèi)容在學(xué)生充分熟悉普通物理（主要是電磁學(xué)），初等微積分，矢量代數(shù)的基礎(chǔ)上，教師提及數(shù)理方法（程），特殊函數(shù)時學(xué)生能理解的前提下，融入矢量分析，場論基礎(chǔ)直接講授麥克斯韋微分方程，以及邊界條件，重點(diǎn)用數(shù)學(xué)語言表達(dá)物理理論，初步解決物理與數(shù)學(xué)的“翻譯”工作.對電磁場理論的基本概念、定理和原理如電場、電場強(qiáng)度、電勢以及高斯定理與環(huán)路定理在電磁學(xué)中重點(diǎn)講授.

第二部分，靜態(tài)電磁場包括第二章靜電場和第三章靜磁場，研究靜電場、靜磁場的電磁性質(zhì)及基本問題的計算.靜電場一章重點(diǎn)講授電標(biāo)勢及其微分方程和邊值關(guān)系，并以唯一性定理為依托，在給定的自由電荷分布以及周圍空間介質(zhì)和導(dǎo)體分布的情況下，運(yùn)用泊松方程與拉普拉斯方程采用①分離變量法；②鏡像法；③格林函數(shù)法具體計算求解電場.用討論的方式研究電多級矩.靜磁場一章，考慮到靜磁場與靜電場之間的對稱性，可以模仿靜電場的結(jié)構(gòu)安排討論恒定電流分布所激發(fā)的靜磁場.重點(diǎn)講授磁矢勢和磁標(biāo)勢的概念、微分方程、邊值關(guān)系.由于矢勢的計算非常復(fù)雜，故在一定條件下，詳細(xì)講授靜磁場問題用標(biāo)勢方法來求解.磁多極矩可以點(diǎn)到為止.

圖2

第三部分，電磁波的傳播一章以麥克斯韋方程組和洛倫茲力為基礎(chǔ)研究交變電磁場的電磁波傳播機(jī)制，是本書的重點(diǎn)章節(jié)，介紹關(guān)于電磁波的傳播的最基本的理論.包括無界空間中電磁波的性質(zhì)、界面上的反射折射以及有界空間中的電磁波問題.主要解決根據(jù)給定的介質(zhì)特性和邊界條件，從亥姆霍茲方程解出有關(guān)波模，細(xì)致處理亥姆霍茲方程的推得和求解，根據(jù)給定的波模，提供能夠保證這種波模傳播的介質(zhì)和邊界條件內(nèi)容.目的是掌握單色平面電磁波的微分方程及其性質(zhì)；理解平面電磁波在有導(dǎo)體存在空間中傳播的特殊性質(zhì)；能夠分析諧振腔和波導(dǎo)中的電磁波特性.其它如光子晶體、等離子體內(nèi)容做簡單介紹.高斯光束和光學(xué)空間弧子做自學(xué)閱讀材料，讓學(xué)生了解近代技術(shù)與電磁學(xué)理論的關(guān)系，從而提高學(xué)習(xí)基礎(chǔ)知識重要性的認(rèn)識，激發(fā)學(xué)習(xí)的積極性和興趣，拓寬知識面，適應(yīng)21世紀(jì)人才的需要.

第四部分，電磁波輻射一章，以麥克斯韋方程組和洛倫茲力為基礎(chǔ)研究交變電磁場的高頻交變電流輻射機(jī)制，是本書的重點(diǎn)章節(jié).研究方法和穩(wěn)恒場情況類比，把勢的概念推廣到一般變化電磁場情況，通過勢來解輻射問題.本章教學(xué)時首先著重講授說明矢勢和標(biāo)勢；規(guī)范變換與規(guī)范不變性；詳細(xì)講解達(dá)朗伯方程，以及上述方程在無界空間中的一個解推遲勢.然后讓學(xué)生理解迅變電流系統(tǒng)所激發(fā)的電磁場在如下三個區(qū)域中的特性：近區(qū)的場是一個似穩(wěn)電磁場，遠(yuǎn)區(qū)的場基本上是一個橫向的輻射場，介乎兩者之間的是一個稱為感應(yīng)區(qū)的過渡性區(qū)域.最后與學(xué)生共同討論將帶電系統(tǒng)激發(fā)的推遲勢（矢勢）展開，得到該系統(tǒng)各級電磁多極矩的輻射場，并細(xì)致處理偶極輻射，半波天線輻射.利用電磁場動量密度或麥克斯韋應(yīng)力張量來計算物體受到的電磁波對它的輻射壓力.

第五部分，狹義相對論是電動力學(xué)中必不可少的部分，考慮專業(yè)選修課中單獨(dú)開設(shè)了相對論這門課程，故電動力學(xué)課程中只講麥克斯韋方程組四維協(xié)變形式，其它可以不必介紹.“帶電粒子與電磁場的相互作用”，涉及較深的物理思想和各種相互作用機(jī)理，是實(shí)現(xiàn)學(xué)生創(chuàng)造性思維的很好內(nèi)容，可讓學(xué)生提出各種方案進(jìn)行討論.主要作為學(xué)生自學(xué)閱讀的材料.

3.3 教學(xué)方法的改革

3.3.1 類比回顧式的教學(xué)

電動力學(xué)課程之所以難度比較大，主要原因就是它涉及眾多的概念、定理和公式等等，同時數(shù)學(xué)推證繁雜，題目難度也大.在教學(xué)過程中我們提出了注重基礎(chǔ)、類比引導(dǎo),每次課前都會對上次課的內(nèi)容采取回顧、講解的方法進(jìn)行復(fù)習(xí),同時積極推動研究性教學(xué)方式,提高學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力.在講授新課程時，通過比較和思考,可以讓學(xué)生體會到運(yùn)用知識的樂趣.電磁學(xué)中偏重對基本概念和理論的掌握，電動力學(xué)的教學(xué)則偏重于采用大量的數(shù)學(xué)推演，培養(yǎng)理論物理思想.在教學(xué)過程中注意突出重點(diǎn)，不在缺乏電磁學(xué)基本知識背景下的復(fù)雜推導(dǎo)上浪費(fèi)太多時間.

3.3.2 現(xiàn)代化教學(xué)模式與傳統(tǒng)教學(xué)模式的結(jié)合

多媒體教學(xué)是一個重要的教學(xué)革新，有助于引導(dǎo)學(xué)生的直觀形象思維，并可以節(jié)省板式傳統(tǒng)教學(xué)的時間.這種現(xiàn)代教育技術(shù)在教學(xué)中得到了深入的推廣和應(yīng)用.但是，板式教學(xué)作為傳統(tǒng)的教學(xué)方法，也有其一定的優(yōu)點(diǎn)，比如可以強(qiáng)調(diào)突出重點(diǎn)，可以給學(xué)生更多的思考空間和時間，有更好的同步互動效果等等.因此將多媒體課件和板式教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)模式，可以在流暢講述課程內(nèi)容的基礎(chǔ)上，更好的突出重點(diǎn)，答疑解惑.此外，多媒體教學(xué)中還可以更便捷的加入相應(yīng)的英文注解，“雙語”板書，把物理概念，原理、規(guī)律、定理等都采用中、英文表述，來幫助、督促學(xué)生閱讀物理學(xué)英文資料及學(xué)習(xí)外語，為今后的雙語教學(xué)奠定基礎(chǔ)，也為學(xué)生進(jìn)一步深造做了相應(yīng)的準(zhǔn)備.多媒體教學(xué)中還采用MatLab的圖像顯示功能將復(fù)雜的公式用圖像表達(dá)出來,使學(xué)生對物理現(xiàn)象有一個更清楚、更深刻的認(rèn)識,將學(xué)生的注意力轉(zhuǎn)移到對物理現(xiàn)象的理解上.現(xiàn)代化教學(xué)模式與傳統(tǒng)教學(xué)模式相結(jié)合的教學(xué)方法,在教學(xué)實(shí)踐中達(dá)到了很好的效果,受到了學(xué)生的歡迎，使學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣明顯提高了.

3.3.3 學(xué)習(xí)與創(chuàng)新教育的結(jié)合

電動力學(xué)這門學(xué)科本身非常適合作為一門研究型課程，將學(xué)習(xí)和研究有機(jī)的結(jié)合在一起.研究性教學(xué),就是基于強(qiáng)調(diào)學(xué)科原理形成的過程,將問題的提出作為解決問題的出發(fā)點(diǎn),同時以批判的觀點(diǎn)看待問題,和學(xué)生互動共同來分析問題和解決問題的教學(xué)方式.在這一過程中，積極的引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行討論和探討，并在此基礎(chǔ)上作出小結(jié).教師在這一過程中進(jìn)行指導(dǎo)，并在最后作出總結(jié)和點(diǎn)評.另外，在課程之外，可以結(jié)合大學(xué)生活動的實(shí)際，進(jìn)行物理競賽以及科技創(chuàng)新活動等.在這種研究型的教學(xué)中，有力的將學(xué)習(xí)和創(chuàng)新相結(jié)合.堅持以多種方式,把以教師為主的灌輸式教學(xué),逐步轉(zhuǎn)變到以學(xué)生為主，并通過師生的互動，交流思想和方法，完成了對有關(guān)問題的探索理解，培養(yǎng)了學(xué)生的批判思維和發(fā)現(xiàn)問題解決問題的能力.

3.3.4 綜合的考核方式

考試是一個有效的考核方式.但是簡單的通過考試來考核學(xué)生，往往會導(dǎo)致不少學(xué)生不重視平時的學(xué)習(xí),喜歡搞突擊，這樣非常不利于課程的真正掌握和理解.因此，我們教學(xué)團(tuán)隊對考核方式進(jìn)行了一定程度的改革，采用平時測試和期末考試相結(jié)合的模式，加強(qiáng)平時考核力度.課程考核成績由平時表現(xiàn)（作業(yè)等）、課程論文、階段考試、期末考試4項組成,總成績=期末考試成績70%+平時表現(xiàn)10%+階段測試10%+課程論文10%.這樣更有利的督促、了解學(xué)生，并調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性.

實(shí)現(xiàn)綜合的考核，課程論文的實(shí)施很關(guān)鍵.在課程論文的實(shí)施過程中把課程教學(xué)同學(xué)生學(xué)年論文或本科畢業(yè)論文緊密結(jié)合.第一,給學(xué)生講解課程論文寫作的基本要求:（1）圍繞選題廣泛收集資料，并對材料進(jìn)行整理提煉，（2）編寫提綱、撰寫初稿、修改初稿、定稿.寫出一篇反映本論題的各種觀點(diǎn)的綜述性文章(字?jǐn)?shù)不少于2000字).定稿前要多次修改.（3）定稿后的論文應(yīng)包括下列內(nèi)容:題目；中文摘要、關(guān)鍵詞；正文；參考文獻(xiàn)；英文摘要、關(guān)鍵詞.第二，給出課程論文的70多個不同層次不同方式內(nèi)容的參考題目如：（1）正負(fù)粒子相互環(huán)繞產(chǎn)生的輻射，（2）矩形波導(dǎo)中TE10波的最大功率；（3）電動力學(xué)方程的洛侖茲協(xié)變性；（4）電磁場與環(huán)境污染問題，如何防止電磁污染；（5）電磁場與微波爐；（6）高壓電極形狀以其周圍電磁場分布與計算機(jī)模擬；（7）電磁波在圓形波導(dǎo)中的傳播規(guī)律等.第三，在教師的指導(dǎo)下，引導(dǎo)學(xué)生綜合利用電磁理論的實(shí)際應(yīng)用的知識，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際、關(guān)注學(xué)科前沿的發(fā)展，讓學(xué)生獨(dú)立完成課程論文.第四、對提交的論文，按標(biāo)準(zhǔn)給出成績，計入期末總成績.學(xué)生通過查閱文獻(xiàn)資料和選題等論文寫作過程，提高了自身的科研能力和創(chuàng)新意識.

4 結(jié)語

電動力學(xué)是大學(xué)物理類本科專業(yè)的一門專業(yè)必修課，是電磁學(xué)的后續(xù)理論課同時與相對論課程相關(guān).電動力學(xué)的基本原理在工農(nóng)業(yè)、信息、能源等各行各業(yè)都具有廣泛的應(yīng)用.它的研究方法對學(xué)生今后的工作有深遠(yuǎn)的影響，因此電動力學(xué)課程的改革就顯得迫切、重要.同時電動力學(xué)課程的改革是一項長期細(xì)致艱難的工作，需要從事電動力學(xué)教學(xué)的教師不斷提高自身學(xué)術(shù)素養(yǎng)、更新教育觀念，積累經(jīng)驗(yàn),創(chuàng)新改革，以適應(yīng)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展對人才的社會需求.以上是筆者在教學(xué)中對電動力學(xué)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法手段，學(xué)習(xí)與創(chuàng)新教育以及考核方式等幾個方面的改革實(shí)踐.希望能在有限的學(xué)時內(nèi)運(yùn)用靈活多樣的教學(xué)方法和手段,使學(xué)生更形象有效地掌握本課程的基本知識和技能,獲得分析和處理解決一些問題的基本方法和能力，提高邏輯推理和抽象思維的能力，實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)，滿足自身和社會的需要.通過幾年的教學(xué)改革實(shí)踐，收到了良好的教學(xué)效果.

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〔2〕施大寧.文化物理.北京：高等教育出版社，2011.

〔3〕崔燕嶺,婁元成,張培峰.電磁學(xué)與電動力學(xué)的關(guān)聯(lián)教學(xué)，物理通報，2011（10）：12-14.

〔4〕唐瑜.基于新課程理念的電動力學(xué)課程設(shè)計的探討.理化生教學(xué)，2008（11）：171-173.

〔5〕蔣絢，黃曉琴.關(guān)于電磁學(xué)與電動力學(xué)打通的設(shè)想.大學(xué)物理，2004,23（4）：52-54.

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