賈彩麗，石長光，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

賈彩麗，石長光，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方面：充分建立電磁場圖景、利用演示實(shí)驗(yàn)和視頻動畫、加強(qiáng)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(xué)；教學(xué)設(shè)計

《電與磁》是網(wǎng)易公開課提供的免費(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。雖然之前觀摩過很多國內(nèi)名家大家的電磁學(xué)教學(xué)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(xué)中，一定會提高電磁學(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(xué)亮點(diǎn)，可以從以下四個方面提高教學(xué)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(rèn)識點(diǎn)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(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，大小用長度表示，即可得電場的向量圖，如圖1a所示。如果要強(qiáng)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(xué)生在大腦中建立立體形象[4-5]。

圖1　點(diǎn)電荷電場分布向量圖

圖2　異號不等量點(diǎn)電荷電場分布

其次，利用投影，可以用兩個點(diǎn)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(diǎn)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(zhǔn)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(xué)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(xué)習(xí)作鋪墊。

2有效利用演示實(shí)驗(yàn)和模擬視頻

物理是一門實(shí)驗(yàn)學(xué)科，講究“眼見為實(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的蒼白無力。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)計的實(shí)驗(yàn)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(shí)來引入知識點(diǎn)或者支撐定理推論，使教學(xué)過程水到渠成。

表1　實(shí)驗(yàn)分類表

3加強(qiáng)對物理量參數(shù)的理解。

電磁學(xué)引入了很多物理量，如電場強(qiáng)度、電勢、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，對物理量的認(rèn)識比較膚淺。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)生加深對這些物理量的認(rèn)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(diǎn)到球心的距離，Q為球面帶電量。這是一個典型的例題，學(xué)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(qiáng)可達(dá)到108V/m。但事實(shí)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(qiáng))，達(dá)到擊穿場強(qiáng)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(xué)生會對電量有個感性的認(rèn)識。

另外，假如球面電場達(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(xué)生將理論知識與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，得到一些常識性的認(rèn)知。知識接了地氣學(xué)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(jìn)思路。

4結(jié)論

電磁學(xué)對學(xué)生而言有著全新的研究物理量，全新的研究思維。學(xué)好這門課，首先就是讓學(xué)生入門，有興趣；如果一開始就涌入大量知識容易使學(xué)生難以消化，產(chǎn)生畏難情緒，越學(xué)越難。因此，課程的開始要放慢節(jié)奏，注重引導(dǎo)，建立好場的概念；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，爭取把每個知識點(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)大量的時間和精力來準(zhǔn)備，Lewin教授為此提前一個學(xué)期準(zhǔn)備，并在授課期間全力投入，以致整學(xué)期無法開展科研，這無疑對教師和制度都是一個考驗(yàn)。同時，要上好這門課也需要諸多硬件條件的支撐，如演示實(shí)驗(yàn)設(shè)備、動畫視頻的搜集、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教學(xué)工作的重視，對教師工作的切實(shí)支持，來不得一點(diǎn)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(xiàn)：

[1]潘江洪,李廷會.同伴教學(xué)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(xué)教學(xué)方法淺析[J].科技信息,2008(10):161.

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

[4]孫朝平.“電場”學(xué)習(xí)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(qiáng)學(xué)生對知識的理解[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：G 420

文獻(xiàn)標(biāo)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