賈彩麗，石長(zhǎng)光，陳東生

(上海電力學(xué)院，上?！?01300)

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《電磁學(xué)》課堂教學(xué)的設(shè)計(jì)

賈彩麗，石長(zhǎng)光，陳東生

(上海電力學(xué)院，上海201300)

摘 要：結(jié)合數(shù)年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和教學(xué)資源，總結(jié)出幫助學(xué)生克服以上困難的四個(gè)方面：充分建立電磁場(chǎng)圖景、利用演示實(shí)驗(yàn)和視頻動(dòng)畫(huà)、加強(qiáng)對(duì)物理參數(shù)的理解以及電磁原理的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：《電與磁》公開(kāi)課；電磁學(xué)；教學(xué)設(shè)計(jì)

《電與磁》是網(wǎng)易公開(kāi)課提供的免費(fèi)教學(xué)視頻，由麻省理工大學(xué)(MIT)的Walter Lewin教授傾力奉獻(xiàn)，課程內(nèi)容主要為大學(xué)物理中的電磁學(xué)部分。雖然之前觀摩過(guò)很多國(guó)內(nèi)名家大家的電磁學(xué)教學(xué)公開(kāi)課，但MIT的《電與磁》課程仍能給人耳目一新、引人入勝的感覺(jué)，其中必有國(guó)內(nèi)課程所不及之處，領(lǐng)會(huì)其精華，融會(huì)貫通到教學(xué)中，一定會(huì)提高電磁學(xué)的教學(xué)效果。

電磁學(xué)是大學(xué)普通物理中比重較大、難度較高的一部分[1]，原因主要在于電磁場(chǎng)的抽象性、散度旋度等全新的考察對(duì)象等[2-3]。針對(duì)這些原因，總結(jié)《電與磁》課程中的教學(xué)亮點(diǎn)，可以從以下四個(gè)方面提高教學(xué)效果。

1建立電磁場(chǎng)圖景

建立電磁場(chǎng)圖景可以借助圖片、模型和動(dòng)畫(huà)視頻等。例如，認(rèn)識(shí)點(diǎn)電荷電場(chǎng)分布時(shí)，lewin教授首先給出了電場(chǎng)的向量圖。在電場(chǎng)中，空間每個(gè)位置的都對(duì)應(yīng)一個(gè)電場(chǎng)，其大小即單位點(diǎn)電荷在此處所受力的大小，方向即正電荷在此處的受力方向，選取一些點(diǎn)，將其方向用箭頭表示，大小用長(zhǎng)度表示，即可得電場(chǎng)的向量圖，如圖1a所示。如果要強(qiáng)調(diào)電場(chǎng)分布是三維的，而非平面，可以用圖1b表示。這些表示方法形成生動(dòng)，容易讓學(xué)生在大腦中建立立體形象[4-5]。

圖1　點(diǎn)電荷電場(chǎng)分布向量圖

圖2　異號(hào)不等量點(diǎn)電荷電場(chǎng)分布

其次，利用投影，可以用兩個(gè)點(diǎn)電荷的向量疊加來(lái)說(shuō)明電場(chǎng)的疊加性原理。圖2a表示兩個(gè)異號(hào)不等量電荷的電場(chǎng)分布。以向量圖為基礎(chǔ)就可以順利引入電場(chǎng)線描繪電場(chǎng)的方法，如圖2b和2c所示。利用電場(chǎng)疊加原理與點(diǎn)電荷電場(chǎng)分布可以得到連續(xù)帶電體的電場(chǎng)分布，如均勻帶電棒、均勻帶電環(huán)/面等(如圖3所示為無(wú)限長(zhǎng)均勻棒電場(chǎng)分布)。結(jié)合對(duì)稱性分析可以定性地得到電場(chǎng)的大致分布，為后面分析電場(chǎng)性質(zhì)做足準(zhǔn)備。

圖3　無(wú)限長(zhǎng)均勻帶電棒的電場(chǎng)分布

利用圖片、動(dòng)畫(huà)、視頻等手段可以形象地展示電場(chǎng)的分布，幫助學(xué)生把看不見(jiàn)的電場(chǎng)想象出來(lái)，建立起電場(chǎng)的圖景，為后續(xù)高斯定理和環(huán)路定理的學(xué)習(xí)作鋪墊。

2有效利用演示實(shí)驗(yàn)和模擬視頻

物理是一門(mén)實(shí)驗(yàn)學(xué)科，講究“眼見(jiàn)為實(shí)”，在條件允許的情況下，引入演示實(shí)驗(yàn)。一方面，提高學(xué)習(xí)興趣，活躍課堂氣氛；另一方面，在現(xiàn)象面前學(xué)生容易接受事實(shí)，印象深刻，避免了理論講解帶來(lái)的蒼白無(wú)力。在《電與磁》課程中，印象最深刻的就是演示實(shí)驗(yàn)，精心設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)把電磁中的因果關(guān)系直觀地展現(xiàn)出來(lái)，以無(wú)以辯駁的事實(shí)來(lái)引入知識(shí)點(diǎn)或者支撐定理推論，使教學(xué)過(guò)程水到渠成。

表1　實(shí)驗(yàn)分類表

3加強(qiáng)對(duì)物理量參數(shù)的理解。

電磁學(xué)引入了很多物理量，如電場(chǎng)強(qiáng)度、電勢(shì)、電容、電阻、磁感應(yīng)強(qiáng)度、電感等。教學(xué)中往往是引入物理量，得到其與其他參量之間的代數(shù)關(guān)系為止，對(duì)物理量的認(rèn)識(shí)比較膚淺。電與磁課程中，Lewin教授將理論聯(lián)系實(shí)際，把涉及到的參量具體化，幫助學(xué)生加深對(duì)這些物理量的認(rèn)識(shí)，并增加一些物理常識(shí)。如：

一個(gè)半徑為R的均勻帶電球面其電場(chǎng)分布利用高斯定理可得：

(1)

(2)

V=Er

(3)

其中ε0為真空介電常數(shù)，r為場(chǎng)點(diǎn)到球心的距離，Q為球面帶電量。這是一個(gè)典型的例題，學(xué)生可以得到球外電場(chǎng)電勢(shì)隨r的分布，r=R即球面上電場(chǎng)和電勢(shì)取最大值。

假如帶電量Q=10 uC，取R=0.03 m，則空間場(chǎng)強(qiáng)可達(dá)到108V/m。但事實(shí)上，如果這個(gè)球放置在空氣中電場(chǎng)不能超過(guò)3^106V/m(一個(gè)大氣壓室溫下的干燥空氣的擊穿場(chǎng)強(qiáng))，達(dá)到擊穿場(chǎng)強(qiáng)后，空氣將被電離，帶走球面上電荷，電場(chǎng)和電勢(shì)隨之降低。因此，10 uC電荷放在半徑30 cm的球上將會(huì)產(chǎn)生電暈現(xiàn)象；球上可帶電量是有限定的，半徑越大，所能容納的電量越多，如表二所示。這樣，學(xué)生會(huì)對(duì)電量有個(gè)感性的認(rèn)識(shí)。

另外，假如球面電場(chǎng)達(dá)到最大3^106V/m，根據(jù)公式3可知，半徑為3 mm的球，比乒乓球略大，電壓可達(dá)近上萬(wàn)伏，半徑為3 cm的球則達(dá)到100千伏，即高壓輸電電壓值。

表2　帶電金屬球可容納電量和可承載電壓數(shù)據(jù)表

通過(guò)這個(gè)例子可以看出，將物理參數(shù)量化，得到大致結(jié)論，可引導(dǎo)學(xué)生將理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，得到一些常識(shí)性的認(rèn)知。知識(shí)接了地氣學(xué)生才會(huì)覺(jué)得有用。電與磁課程中有很多這樣的例子，包括電阻、電容這些熟知的物理量，給我們提供了一個(gè)很好的改進(jìn)思路。

4結(jié)論

電磁學(xué)對(duì)學(xué)生而言有著全新的研究物理量，全新的研究思維。學(xué)好這門(mén)課，首先就是讓學(xué)生入門(mén)，有興趣；如果一開(kāi)始就涌入大量知識(shí)容易使學(xué)生難以消化，產(chǎn)生畏難情緒，越學(xué)越難。因此，課程的開(kāi)始要放慢節(jié)奏，注重引導(dǎo)，建立好場(chǎng)的概念；隨后，在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的引導(dǎo)下注重激發(fā)學(xué)生的興趣，爭(zhēng)取把每個(gè)知識(shí)點(diǎn)都回歸到現(xiàn)實(shí)現(xiàn)象或科技發(fā)展中，體現(xiàn)出課程所受內(nèi)容的實(shí)踐性。

電磁學(xué)需要花費(fèi)大量的時(shí)間和精力來(lái)準(zhǔn)備，Lewin教授為此提前一個(gè)學(xué)期準(zhǔn)備，并在授課期間全力投入，以致整學(xué)期無(wú)法開(kāi)展科研，這無(wú)疑對(duì)教師和制度都是一個(gè)考驗(yàn)。同時(shí)，要上好這門(mén)課也需要諸多硬件條件的支撐，如演示實(shí)驗(yàn)設(shè)備、動(dòng)畫(huà)視頻的搜集、多媒體設(shè)備的配備等等[6]；當(dāng)然，更重要的還是各方面對(duì)教學(xué)工作的重視，對(duì)教師工作的切實(shí)支持，來(lái)不得一點(diǎn)虛假。這個(gè)前提下，任何一門(mén)課程都能上好，相信中國(guó)的高等教育不再備受詬病。

參考文獻(xiàn)：

[1]潘江洪,李廷會(huì).同伴教學(xué)法對(duì)課堂期望的影響[J].物理與工程,2014,24(3):51-55.

[2]周帆,王治生.電磁學(xué)教學(xué)方法淺析[J].科技信息,2008(10):161.

[3]李文華,盛霞.電磁場(chǎng)的教學(xué)之我見(jiàn)[J].廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2010(10):84-86.

[4]孫朝平.“電場(chǎng)”學(xué)習(xí)障礙成因及對(duì)策[J].物理通報(bào),2006(5):27-29.

[5]潘志初.結(jié)合物理情景構(gòu)建物理圖景 加強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解[J].中外教育研究,2009(3):133-134.

[6]徐勞立.大學(xué)物理教學(xué)理念和方式[J].物理與工程,2014,24(3):46-47.

Instructional Design of Electromagnetism

JIA Cai-li,SHI Chang-guang,CHEN Dong-sheng

(Shanghai University of Electric and Power,Shanghai 201300)

Abstract：Four aspects are proposed based on many years teaching experiences and resources to help students overcome the difficulties:the establishment of field view,the use of experiment demonstrations,video and flash,understanding on physics parameters,and the application of the electromagnetic theory.

Key words：electricity and magnetism an online open course；electromagnetism；instructional design

中圖分類號(hào)：G 420

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.001.029

文章編號(hào)：1007-2934(2016)01-0112-03

收稿日期：2015-04-03