賈彩麗，石長光，陳東生

(上海電力學院，上?！?01300)

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《電磁學》課堂教學的設(shè)計

賈彩麗，石長光，陳東生

(上海電力學院，上海201300)

摘 要：結(jié)合數(shù)年的教學經(jīng)驗和教學資源，總結(jié)出幫助學生克服以上困難的四個方面：充分建立電磁場圖景、利用演示實驗和視頻動畫、加強對物理參數(shù)的理解以及電磁原理的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：《電與磁》公開課；電磁學；教學設(shè)計

《電與磁》是網(wǎng)易公開課提供的免費教學視頻，由麻省理工大學(MIT)的Walter Lewin教授傾力奉獻，課程內(nèi)容主要為大學物理中的電磁學部分。雖然之前觀摩過很多國內(nèi)名家大家的電磁學教學公開課，但MIT的《電與磁》課程仍能給人耳目一新、引人入勝的感覺，其中必有國內(nèi)課程所不及之處，領(lǐng)會其精華，融會貫通到教學中，一定會提高電磁學的教學效果。

電磁學是大學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的抽象性、散度旋度等全新的考察對象等[2-3]。針對這些原因，總結(jié)《電與磁》課程中的教學亮點，可以從以下四個方面提高教學效果。

1建立電磁場圖景

建立電磁場圖景可以借助圖片、模型和動畫視頻等。例如，認識點電荷電場分布時，lewin教授首先給出了電場的向量圖。在電場中，空間每個位置的都對應(yīng)一個電場，其大小即單位點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，將其方向用箭頭表示，大小用長度表示，即可得電場的向量圖，如圖1a所示。如果要強調(diào)電場分布是三維的，而非平面，可以用圖1b表示。這些表示方法形成生動，容易讓學生在大腦中建立立體形象[4-5]。

圖1　點電荷電場分布向量圖

圖2　異號不等量點電荷電場分布

其次，利用投影，可以用兩個點電荷的向量疊加來說明電場的疊加性原理。圖2a表示兩個異號不等量電荷的電場分布。以向量圖為基礎(chǔ)就可以順利引入電場線描繪電場的方法，如圖2b和2c所示。利用電場疊加原理與點電荷電場分布可以得到連續(xù)帶電體的電場分布，如均勻帶電棒、均勻帶電環(huán)/面等(如圖3所示為無限長均勻棒電場分布)。結(jié)合對稱性分析可以定性地得到電場的大致分布，為后面分析電場性質(zhì)做足準備。

圖3　無限長均勻帶電棒的電場分布

利用圖片、動畫、視頻等手段可以形象地展示電場的分布，幫助學生把看不見的電場想象出來，建立起電場的圖景，為后續(xù)高斯定理和環(huán)路定理的學習作鋪墊。

2有效利用演示實驗和模擬視頻

物理是一門實驗學科，講究“眼見為實”，在條件允許的情況下，引入演示實驗。一方面，提高學習興趣，活躍課堂氣氛；另一方面，在現(xiàn)象面前學生容易接受事實，印象深刻，避免了理論講解帶來的蒼白無力。在《電與磁》課程中，印象最深刻的就是演示實驗，精心設(shè)計的實驗把電磁中的因果關(guān)系直觀地展現(xiàn)出來，以無以辯駁的事實來引入知識點或者支撐定理推論，使教學過程水到渠成。

表1　實驗分類表

3加強對物理量參數(shù)的理解。

電磁學引入了很多物理量，如電場強度、電勢、電容、電阻、磁感應(yīng)強度、電感等。教學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，對物理量的認識比較膚淺。電與磁課程中，Lewin教授將理論聯(lián)系實際，把涉及到的參量具體化，幫助學生加深對這些物理量的認識，并增加一些物理常識。如：

一個半徑為R的均勻帶電球面其電場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為場點到球心的距離，Q為球面帶電量。這是一個典型的例題，學生可以得到球外電場電勢隨r的分布，r=R即球面上電場和電勢取最大值。

假如帶電量Q=10 uC，取R=0.03 m，則空間場強可達到108V/m。但事實上，如果這個球放置在空氣中電場不能超過3^106V/m(一個大氣壓室溫下的干燥空氣的擊穿場強)，達到擊穿場強后，空氣將被電離，帶走球面上電荷，電場和電勢隨之降低。因此，10 uC電荷放在半徑30 cm的球上將會產(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，學生會對電量有個感性的認識。

另外，假如球面電場達到最大3^106V/m，根據(jù)公式3可知，半徑為3 mm的球，比乒乓球略大，電壓可達近上萬伏，半徑為3 cm的球則達到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

通過這個例子可以看出，將物理參數(shù)量化，得到大致結(jié)論，可引導(dǎo)學生將理論知識與實際應(yīng)用相結(jié)合，得到一些常識性的認知。知識接了地氣學生才會覺得有用。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，給我們提供了一個很好的改進思路。

4結(jié)論

電磁學對學生而言有著全新的研究物理量，全新的研究思維。學好這門課，首先就是讓學生入門，有興趣；如果一開始就涌入大量知識容易使學生難以消化，產(chǎn)生畏難情緒，越學越難。因此，課程的開始要放慢節(jié)奏，注重引導(dǎo)，建立好場的概念；隨后，在實驗現(xiàn)象的引導(dǎo)下注重激發(fā)學生的興趣，爭取把每個知識點都回歸到現(xiàn)實現(xiàn)象或科技發(fā)展中，體現(xiàn)出課程所受內(nèi)容的實踐性。

電磁學需要花費大量的時間和精力來準備，Lewin教授為此提前一個學期準備，并在授課期間全力投入，以致整學期無法開展科研，這無疑對教師和制度都是一個考驗。同時，要上好這門課也需要諸多硬件條件的支撐，如演示實驗設(shè)備、動畫視頻的搜集、多媒體設(shè)備的配備等等[6]；當然，更重要的還是各方面對教學工作的重視，對教師工作的切實支持，來不得一點虛假。這個前提下，任何一門課程都能上好，相信中國的高等教育不再備受詬病。

參考文獻：

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

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

[3]李文華,盛霞.電磁場的教學之我見[J].廣東工業(yè)大學學報,2010(10):84-86.

[4]孫朝平.“電場”學習障礙成因及對策[J].物理通報,2006(5):27-29.

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

[6]徐勞立.大學物理教學理念和方式[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：G 420

文獻標志碼：A

DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.001.029

文章編號：1007-2934(2016)01-0112-03

收稿日期：2015-04-03