張 健

(北京師范大學(xué)第二附屬中學(xué)　北京　100088；北京師范大學(xué)物理系　北京　100875)

王 華

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大學(xué)先修——電磁學(xué)課程建設(shè)的思考與實(shí)踐

張 健

(北京師范大學(xué)第二附屬中學(xué)北京100088；北京師范大學(xué)物理系北京100875)

王 華

指導(dǎo)教師：李春密(1966-)，男，博士生導(dǎo)師．研究方向?yàn)槲锢碚n程與教學(xué)論．

(北京師范大學(xué)第二附屬中學(xué)北京100088)

李春密

(北京師范大學(xué)物理系北京100875)

摘 要：中國(guó)大學(xué)先修課程在國(guó)內(nèi)剛剛試行，廣大一線教師積極探索最優(yōu)化的教學(xué)模式．本文以電磁學(xué)課程為例，探討電磁學(xué)課程建設(shè)中教學(xué)目標(biāo)的確定、教學(xué)內(nèi)容的選擇、教學(xué)方法的使用、教學(xué)形式的選擇等問(wèn)題，以期為先修課程進(jìn)一步推廣提供參考．

關(guān)鍵詞：大學(xué)先修課程CAP電磁學(xué)課程建設(shè)

1中國(guó)大學(xué)先修課程(CAP)

《中國(guó)中長(zhǎng)期教育改革與發(fā)展規(guī)劃綱要》中明確指出對(duì)于人才的培養(yǎng)要“樹(shù)立系統(tǒng)培養(yǎng)觀念，推進(jìn)大中小學(xué)有機(jī)銜接，教學(xué)、科研、實(shí)踐緊密結(jié)合”、“形成體系開(kāi)放、機(jī)制靈活、渠道互通、選擇多樣的人才培養(yǎng)體制”．具體于高中階段教育則強(qiáng)調(diào)“創(chuàng)造條件開(kāi)設(shè)豐富多彩的選修課，提高課程的選擇性，促進(jìn)學(xué)生全面而有個(gè)性的發(fā)展”、“推進(jìn)培養(yǎng)模式多樣化，滿(mǎn)足不同潛質(zhì)學(xué)生的發(fā)展需要，探索發(fā)現(xiàn)和培養(yǎng)創(chuàng)新人才的途徑．”中國(guó)大學(xué)先修課程就是在這種時(shí)代背景下孕育產(chǎn)生的．

本文所談的中國(guó)大學(xué)先修課程(ChineseAdvancedPlacement，簡(jiǎn)稱(chēng)CAP)是由北京大學(xué)考試院支持建設(shè)于2013年在全國(guó)110多所中學(xué)開(kāi)始試行的選修性課程．它是在借鑒美國(guó)AP課程成功經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合中國(guó)教育現(xiàn)狀、中國(guó)現(xiàn)有課程體系與評(píng)價(jià)機(jī)制，為中國(guó)高中生“量身定做”的，旨在讓學(xué)有余力的高中生提前了解大學(xué)課程內(nèi)容，體會(huì)大學(xué)階段分析與處理問(wèn)題的思維與方法，發(fā)揮學(xué)生的學(xué)習(xí)潛質(zhì)，探索合適于自我的發(fā)展方向．

中國(guó)大學(xué)先修課程是中國(guó)教育改革、高校招生多元化發(fā)展的產(chǎn)物．開(kāi)設(shè)大學(xué)先修課程的意義在于：

第一，深入挖掘?qū)W生個(gè)性潛能，滿(mǎn)足學(xué)生渴望深入理解問(wèn)題的欲望，開(kāi)闊學(xué)生視野，尤其為那些在基礎(chǔ)學(xué)科具有天賦的優(yōu)秀學(xué)生提供了發(fā)展的平臺(tái)；

第二，有效地實(shí)現(xiàn)了基礎(chǔ)教育與高等教育銜接，打造系統(tǒng)化的人才培養(yǎng)模式；

第三，有利于改變高中應(yīng)試教育導(dǎo)向、學(xué)生發(fā)展單一的局面，為中學(xué)提供了豐富的選修課程資源；

第四，它對(duì)于創(chuàng)新拔尖人才的培養(yǎng)與選撥具有不可替代的作用．

2大學(xué)先修——電磁學(xué)課程定位

電磁學(xué)是一門(mén)重要的基礎(chǔ)課程，是經(jīng)典物理學(xué)的基本組成部分之一，與近代自然科學(xué)、技術(shù)科學(xué)都有著密切的聯(lián)系．從電磁現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)、電磁定律的確定、電磁場(chǎng)理論的建立到電子的發(fā)現(xiàn)及物質(zhì)微觀電磁結(jié)構(gòu)的揭示、電磁技術(shù)的廣泛應(yīng)用等，電磁學(xué)發(fā)展過(guò)程中蘊(yùn)藉了豐富的物理思想與物理方法．尤其是物理學(xué)的研究對(duì)象由“看得見(jiàn)、摸得著”的、有靜止質(zhì)量的實(shí)物變成了“虛無(wú)縹緲”的、無(wú)靜止質(zhì)量的電磁場(chǎng)，這引起了一系列的深刻變化，例如要用源與旋、通量與環(huán)流、高斯(Gauss)定理與環(huán)路定理描述矢量場(chǎng)的分布特征等，這正是開(kāi)設(shè)電磁學(xué)先修課程的原因．

第一，電磁學(xué)是科學(xué)家創(chuàng)新意識(shí)的結(jié)晶．在研究電荷間相互作用力時(shí)，普里斯特利(Priestley)類(lèi)比萬(wàn)有引力規(guī)律提出電荷間的力f∝r-2；在電流的磁效應(yīng)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)后，安培大膽思考“電流與電流之間存在相互作用”，進(jìn)而提出安培定律；以及麥克斯韋(Maxwell)電磁場(chǎng)理論的建立，這些都是物理創(chuàng)新思想的典范．

第二，電磁學(xué)是科學(xué)家執(zhí)著科學(xué)、不畏艱辛的見(jiàn)證．1820年奧斯特發(fā)現(xiàn)“電能生磁”，電磁學(xué)集大成者法拉第篤信物理學(xué)的“對(duì)稱(chēng)美”，在1820～1831年間尋找“磁生電”，但因?yàn)楫?dāng)時(shí)磁學(xué)研究停留在“靜止”與“恒定”條件上，而電磁感應(yīng)是在變化中產(chǎn)生，是暫態(tài)效應(yīng)，因而困難重重，稍縱即逝，法拉第憑借著對(duì)科學(xué)的執(zhí)著、對(duì)真理的追求終于1831年提出了電磁感應(yīng)定律，奠定了電氣時(shí)代到來(lái)的基礎(chǔ)．

第三，電磁學(xué)是一門(mén)方法論科學(xué)．電磁學(xué)發(fā)展過(guò)程最能展現(xiàn)物理學(xué)分析問(wèn)題的思維與方法，譬如麥克斯韋采用類(lèi)比的方法研究法拉第力線，通過(guò)對(duì)比不可壓縮流體的流速場(chǎng)，提出用通量、環(huán)流等概念刻畫(huà)矢量場(chǎng)；建立電偶極子模型，進(jìn)而說(shuō)明電介質(zhì)極化的微觀機(jī)制，探討電介質(zhì)極化的規(guī)律；注重對(duì)稱(chēng)性分析，結(jié)合高斯定理、環(huán)路定理求解場(chǎng)強(qiáng)；利用虛功原理通過(guò)靜電能的變化求解力等．

第四，電磁學(xué)是理論與實(shí)驗(yàn)的完美結(jié)合．靜電場(chǎng)基本定律——庫(kù)侖定律說(shuō)明電力滿(mǎn)足平方反比律，庫(kù)侖(Coulomb)通過(guò)扭秤、電單擺實(shí)驗(yàn)研究；為了精確驗(yàn)證電力平方反比律，卡文迪什(Cavendish)和麥克斯韋設(shè)計(jì)了示零實(shí)驗(yàn)．拉法第通過(guò)電磁旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)制造了人類(lèi)歷史的第一臺(tái)電動(dòng)機(jī)；他通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)提出了電解定律；又于1843年做了著名的冰桶實(shí)驗(yàn)，它被認(rèn)為是電荷守恒定律第一個(gè)令人滿(mǎn)意的實(shí)驗(yàn)證明[1]．在麥克斯韋預(yù)言電磁波之后，是赫茲通過(guò)電火花實(shí)驗(yàn)證明之，確立了光波與電磁波的同一性，實(shí)現(xiàn)了光學(xué)和電磁學(xué)的統(tǒng)一．可以說(shuō)電磁理論的發(fā)展伴隨著實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)了技術(shù)的進(jìn)步．

可見(jiàn)，在中學(xué)階段開(kāi)設(shè)電磁學(xué)課程對(duì)于提高學(xué)生的物理學(xué)科素養(yǎng)，培養(yǎng)其創(chuàng)新意識(shí)與創(chuàng)新能力，促進(jìn)學(xué)生科學(xué)精神養(yǎng)成都是大有裨益的．

3大學(xué)先修——電磁學(xué)課程的建設(shè)

電磁學(xué)是理工科院校大一年級(jí)的必修課，對(duì)學(xué)生的物理思維、數(shù)學(xué)工具都有比較高的要求，超出中學(xué)生現(xiàn)有階段的能力，因此學(xué)校必需對(duì)課程進(jìn)行建設(shè)，對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行整合，明確教學(xué)目標(biāo)，采用適合中學(xué)生發(fā)展的教學(xué)方法，使課程價(jià)值最大化．

3.1創(chuàng)新教學(xué)理念

電磁學(xué)先修課程基于學(xué)生現(xiàn)狀，立足于學(xué)生的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展，以問(wèn)題探究為導(dǎo)向，培養(yǎng)學(xué)生的物理思維能力、創(chuàng)新意識(shí)與創(chuàng)新實(shí)踐能力，滿(mǎn)足學(xué)有所長(zhǎng)同學(xué)的需求，開(kāi)創(chuàng)一種培養(yǎng)和選撥尖端人才的模式．

3.2明確教學(xué)目標(biāo)

通過(guò)電磁學(xué)學(xué)習(xí)過(guò)程，要求學(xué)生理解基本物理概念，包括物理概念提出的意義，物理概念的內(nèi)涵及各物理概念間的聯(lián)系，如電介質(zhì)極化中引入電位移矢量D，它是一個(gè)輔助矢量，與介質(zhì)內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)Ε與極化強(qiáng)度矢量P有關(guān)D=ε0E+P，不會(huì)改變靜電場(chǎng)無(wú)旋的性質(zhì)；深刻理解物理規(guī)律，了解規(guī)律提出的背景、研究過(guò)程中的猜想假設(shè)、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、規(guī)律的定量表述、成立條件、使用范圍度及其理論地位、近代發(fā)展及應(yīng)用等；注重物理思維方法的訓(xùn)練，比如對(duì)稱(chēng)分析、疊加法、力線法、等效法等；感悟物理學(xué)家執(zhí)著于科學(xué)研究的精神，學(xué)習(xí)其敢于面對(duì)挑戰(zhàn)，篤信真理的治學(xué)態(tài)度，從知、能、意、行諸方面促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展．

3.3優(yōu)化課程內(nèi)容

電磁學(xué)先修課程內(nèi)容包括靜電場(chǎng)、靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體和電介質(zhì)、穩(wěn)恒電流、恒定磁場(chǎng)、電磁感應(yīng)、磁介質(zhì)、交流電和麥克斯韋電磁場(chǎng)理論8部分內(nèi)容[2]．

(1)教師在內(nèi)容選擇上要有所側(cè)重，整個(gè)電磁學(xué)先從靜電場(chǎng)出發(fā)，再研究穩(wěn)恒磁場(chǎng)、電磁感應(yīng)、直到電磁場(chǎng)理論建立．研究對(duì)象是矢量場(chǎng)，研究場(chǎng)的基本性質(zhì)(有源無(wú)源、有旋無(wú)旋)，場(chǎng)對(duì)物質(zhì)的作用及物質(zhì)對(duì)場(chǎng)的響應(yīng)，場(chǎng)的能量及場(chǎng)的分布與傳播問(wèn)題，因此加強(qiáng)對(duì)靜電場(chǎng)教學(xué)，使學(xué)生體會(huì)這新穎的研究方法——高斯定理與環(huán)路定理；磁介質(zhì)及磁化規(guī)律則可以相對(duì)降低難度，對(duì)于磁荷觀點(diǎn)簡(jiǎn)單介紹即可．

電磁學(xué)中利用虛功原理求解力、利用鏡像法求解場(chǎng)強(qiáng)、靜電場(chǎng)邊值條件的唯一性定理、A-B效應(yīng)、磁矢勢(shì)等內(nèi)容的深入理解需要電動(dòng)力學(xué)知識(shí)，不必向?qū)W生過(guò)多介紹，避免產(chǎn)生認(rèn)識(shí)負(fù)荷．

(2)電磁學(xué)與技術(shù)革新聯(lián)系緊密，在教學(xué)過(guò)程中教師要靈活運(yùn)用教科書(shū)內(nèi)容，對(duì)于那些對(duì)當(dāng)代科技有深遠(yuǎn)影響的物理原理或物理效應(yīng)，應(yīng)該介紹其應(yīng)用價(jià)值．比如講解超導(dǎo)體內(nèi)容時(shí)，學(xué)生了解了邁斯納效應(yīng)后可以帶領(lǐng)其參觀高校演示實(shí)驗(yàn)室，目睹超導(dǎo)磁懸浮現(xiàn)象，激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣；在學(xué)習(xí)了霍爾效應(yīng)后，可以安排學(xué)生以小論文的形式說(shuō)明霍爾效應(yīng)的實(shí)際應(yīng)用，一方面培養(yǎng)學(xué)生收集信息、自主學(xué)習(xí)的能力，另一方面加深其對(duì)所學(xué)內(nèi)容的理解．

(3)電磁學(xué)問(wèn)題分析需要學(xué)生掌握微積分的知識(shí)(二重積分即可)、矢量的叉乘與點(diǎn)乘，還需要利用到數(shù)學(xué)場(chǎng)論中的高斯定理與斯托克斯公式，學(xué)生應(yīng)能在球坐標(biāo)系下求解問(wèn)題，這些內(nèi)容教師應(yīng)該在學(xué)習(xí)之前補(bǔ)充，減少對(duì)物理理解的障礙．

3.4改革教學(xué)方法

教學(xué)對(duì)象的改變勢(shì)必引起教學(xué)模式與方法的變化，中學(xué)生不具備大學(xué)生那種敏銳思考問(wèn)題的方式，數(shù)學(xué)功底相對(duì)薄弱，抽象性思維尚處于發(fā)展階段，但其對(duì)新鮮事物充滿(mǎn)好奇，探索欲望更強(qiáng)，因此教師應(yīng)該在講授法基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)適合中學(xué)生認(rèn)知特點(diǎn)的教學(xué)方法．

中學(xué)生邏輯思維能力處于發(fā)展階段，更多依托于形象思維認(rèn)識(shí)問(wèn)題，生動(dòng)有趣的演示實(shí)驗(yàn)既能促進(jìn)知識(shí)的理解，又能吸引學(xué)生眼球．比如尖端放電、電單擺、法拉第籠實(shí)驗(yàn)、利用范德格拉夫起電機(jī)演示人體帶電，頭發(fā)像電場(chǎng)線一樣垂直于頭部；對(duì)比楞次定律、電磁驅(qū)動(dòng)、渦流熱效應(yīng)、三相旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)演示器等形象說(shuō)明了物理原理，有利于學(xué)生知識(shí)的構(gòu)建．

3.5豐富教學(xué)形式

在教學(xué)實(shí)踐中，除了常規(guī)的課堂教學(xué)外，我們開(kāi)展物理論“談”，教師選擇一些開(kāi)放性題目要求學(xué)生以論文形式進(jìn)行論述，這些題目具體指向不明確，旨在提高學(xué)生分析和處理問(wèn)題的能力，幫助學(xué)生建立概念間聯(lián)系，把握物理規(guī)律的實(shí)質(zhì)，比如“說(shuō)明庫(kù)侖定律與疊加原理的關(guān)系”、“同種電荷一定相互排斥嗎？”、“當(dāng)能量連續(xù)分布時(shí)，靜電場(chǎng)能量的3個(gè)公式的區(qū)別？”“求解中子星磁場(chǎng)的極限值”[3]等等．這些問(wèn)題需要學(xué)生去閱讀課外書(shū)籍與文獻(xiàn)，搜集信息并整理，自主地獲取知識(shí)并不斷地與合作者討論，彼此交流觀點(diǎn)，思維進(jìn)行碰撞．

在教學(xué)中為了拓寬學(xué)生視野，聆聽(tīng)大師對(duì)于物理的認(rèn)識(shí)，我們聘請(qǐng)北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍教授為同學(xué)做專(zhuān)題講座，講解物理規(guī)律的建立過(guò)程，物理學(xué)家超群的創(chuàng)新思維與創(chuàng)造技巧(專(zhuān)題報(bào)告的具體內(nèi)容見(jiàn)表1 )．

表1　專(zhuān)題報(bào)告的具體內(nèi)容

3.6開(kāi)發(fā)課程資源

課程資源開(kāi)發(fā)是課程本土化的一個(gè)重要標(biāo)志，也是課程建設(shè)的重要環(huán)節(jié)．

首先應(yīng)該積極與高校合作，組織教師參加先修培訓(xùn)，提高業(yè)務(wù)素質(zhì)與能力；聘請(qǐng)高校學(xué)科專(zhuān)家進(jìn)行教學(xué)指導(dǎo)，進(jìn)行專(zhuān)題報(bào)告；與演示實(shí)驗(yàn)室溝通，使學(xué)生有機(jī)會(huì)看到新奇的物理現(xiàn)象，感受物理就在身邊．

其次，發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)資源的巨大作用，指導(dǎo)學(xué)生在中國(guó)大學(xué)資源共享課或MOOC里學(xué)習(xí)電磁學(xué)課程，豐富了學(xué)生學(xué)習(xí)的途徑，實(shí)現(xiàn)線上線下互動(dòng)學(xué)習(xí)，學(xué)生收獲頗豐．同時(shí)應(yīng)與其他試點(diǎn)學(xué)校保持溝通，及時(shí)交流，探討教學(xué)中遇到的問(wèn)題，不斷地獲取外界信息．

大學(xué)先修課程是中國(guó)基礎(chǔ)教育改革的產(chǎn)物，順應(yīng)了社會(huì)對(duì)于人才培養(yǎng)的需求，為系統(tǒng)化培養(yǎng)人才提供了一種思路，滿(mǎn)足了不同學(xué)生的個(gè)性需求，可以預(yù)言其發(fā)展前景是廣闊的．對(duì)于基礎(chǔ)教育工作者而言，迎接了挑戰(zhàn)也是把握了機(jī)遇，應(yīng)該積極探索高效率的教學(xué)模式，推動(dòng)CAP的發(fā)展進(jìn)程．

參 考 文 獻(xiàn)

1陳秉乾,舒幼生,胡望雨.電磁學(xué)專(zhuān)題研究.北京：高等教育出版社,2001.99～101

2王忠亮,封小超.電磁學(xué)討論.成都:四川教育出版社,1988.73～76

3陳秉乾,王稼軍.大學(xué)物理通用教程——電磁學(xué).北京:北京大學(xué)出版社,2012

University-Level Advanced Placement——Reflection

and Practice on Electromagnetism Course Construction

Zhang Jian

(The second high school attached to Beijing Normal University,Beijing100088；

Department of Physics，Beijing Normal University, Beijing100875)

Wang Hua

(The second high school attached to Beijing Normal University,Beijing100088)

Li Chunmi

(Department of Physics，Beijing Normal University, Beijing100875)

Abstract:Chinese Advanced Placement has been put into practice recently, many teachers begin to explore the most effective teaching method. The article takes the electromagnetism course for example to introduce the determination of the goals of teaching, the selection of the content of course, the use of various teaching method and so on and to expect to promote the development of CAP.

Key words:Chinese Advanced Placement；CAP；Electromagnetism；construction of course

收稿日期：(2015-03-30)

作者簡(jiǎn)介：張健(1988-)，男，中教二級(jí)，研究方向?yàn)槲锢碚n程與教學(xué)論．