李智華 陸培祥

(華中科技大學物理學院，湖北 武漢 430074)

電磁學理論教學與實驗如何有效結合的思考

李智華 陸培祥

(華中科技大學物理學院，湖北 武漢 430074)

電磁學是一門與實驗緊密相關聯的理論課程。筆者在多年從事電磁學教學過程中，對電磁學理論教學和實驗教學如何有效結合，進行較深入的思考與實踐，其中包括大學物理實驗課程中的電磁學實驗與電磁學課程理論教學內容協(xié)調統(tǒng)籌設置和安排,電磁學理論教學與課堂演示實驗的有效配合,設置電磁學設計性實驗與電磁學理論教學相結合，以及建設電磁學專業(yè)實驗室的必要性。

電磁學課堂教學；電磁學實驗；設計型電磁學實驗；電磁學理論教學與實驗結合

電磁學課程是高等學校物理學科專業(yè)的核心基礎課，也是很多交叉學科必修的重要課程[1-3]?？v觀電磁學理論的發(fā)展歷程，電磁學毫無疑問是一門與實驗緊密相關聯的理論課程。在電磁學理論教學過程中，如果能夠有效設計相關的實驗，以配合電磁理論的教學，不僅有益于幫助學生構建起電磁學理論的知識體系，牢固掌握和應用相關知識，而且對激發(fā)學生的學習興趣，促進學生創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)將非常有幫助[4，5]。因此，高校的電磁學主講教師，深入思考電磁學的理論與實驗教學如何有效有機結合，是非常有必要，也是非常重要的一件事情。筆者在多年電磁學教學過程中，對電磁學理論和實驗教學有幾點心得，寫出來與大家分享，敬請批評指正，以期不斷完善提高。

1 大學物理實驗課程中電磁學實驗與電磁學理論教學的統(tǒng)籌安排

很多高校都有大學物理實驗課，大學物理實驗課程中的電磁學實驗相關的內容最好與電磁學課程理論教學內容協(xié)調統(tǒng)籌設置和安排。為什么這樣統(tǒng)籌規(guī)劃要好呢？大家都知道，大學物理實驗課程包含力學、熱學、聲學、電磁學、光學等諸多實驗，將諸多實驗安排在一門課中，而且集中在一兩個學期讓學生完成，一般很難顧及到學生在要求完成相應的實驗項目之前，是否學生已經學習掌握了相關的理論知識，這直接導致實驗效果不理想，學生囫圇吞棗應付了事，不僅沒有真正達到開設該實驗項目的目的，而且對培養(yǎng)學生養(yǎng)成科學嚴謹的實驗態(tài)度是無益的。能夠料想大學物理實驗課程時學生評教認為效果不好、教學質量欠佳的課程了，事實也確實如此。但是，如果把實驗內容和相關的理論知識的教學能統(tǒng)籌協(xié)調安排就大不一樣了。比如，在要求學生完成“霍爾效應與應用設計”實驗之前，如果學生剛好在電磁學理論教學的課堂上掌握了“帶電粒子在電磁場中的受力及運動規(guī)律”，這個實驗對學生來說就是手到擒來了，不僅起到了加深鞏固理論知識的作用，而且還對其進行了應用設計及擴展。再如，在學生做“磁化曲線和磁滯回線的測量”的實驗之前，如果事先在電磁學理論課堂上清楚了“不同介質的磁化規(guī)律和特性”，相信同學們在完成該實驗時一定是饒有興趣而且信心滿滿了。理論和實驗教學的目的和效果的達成當然較之前述的方式要好許多了。

2 電磁學理論教學與課堂演示實驗需要有效配合

電磁學理論教學與課堂演示實驗需要有效配合[3-5]。電磁學實際也是一門實驗科學，電磁學理論課堂上配合以演示實驗，不是嘩眾取寵。電磁學的很多演示實驗需要精心設計，以配合電磁理論的教學。談及“精心設計”是非常有必要的，主要體現在以下幾個方面。

1) 電磁學的演示實驗不是越多越好。電磁學的演示實驗的目的是要幫助學生掌握相關的理論知識，激發(fā)學生主動思考去發(fā)現問題解決問題。比如目前對磁學部分，我們有以下系列實驗，實驗1：法拉第電磁感應現象、巴比倫、平行通電長直導線間的相互作用；實驗2：手搖交直流發(fā)電機、互感現象；實驗3：自感與介質磁導率的關系、自感現象、巴克豪森效應；實驗4：熱磁輪、趨膚效應、渦流阻尼擺；實驗5：電磁感應現象、電磁驅動、楞次定律；實驗6：磁滯回線、電磁熱效應；實驗7：磁聚焦、洛倫茲力及電子陰極射線實驗、載流導線在磁場中的運動；實驗8：電磁懸浮實驗；實驗9：電磁波的發(fā)射與接收。實驗的形式多樣，有的是實際演示裝置，有的是模擬動畫，有的是實驗錄像。對這些實驗我們并不是把所有能演示的都搬到課堂。比如課堂內容講到法拉第電磁感應現象和定律時，相關的演示實驗很多，常選實驗現象明顯直觀的通電螺線管和磁鐵、手搖發(fā)電機來演示即可，對其他相關的實驗，可以安排學生進入實驗室親手實驗(圖1)。演示實驗的量切不可過多，過多了就喧賓奪主，沖淡了演示實驗為理論教學服務的目的。

圖1 學生在實驗室親手實驗

圖2 電磁波的發(fā)射與傳播演示

2) 電磁學演示實驗項目得精選，以扣準所要表述的電磁理論知識點。電磁學演示實驗不是越花哨越好，也不是演示儀器越貴越好，否者就有嘩眾取寵之嫌了。比如，當理論課堂內容講到電磁波的發(fā)射與傳播時，其演示實驗就非常有必要在課堂上演示了，如圖2。實驗不僅能將看不見摸不著的電磁波展現，而且能驗證電磁波的磁場和電場及電磁波發(fā)射方向之間的關系，電磁波疊加的駐波演示，以及電磁波波長與振蕩偶極子尺寸的關系，都能通過實驗加以驗證和展現。實驗裝置簡單，緊扣理論要點，實驗現象直觀明了。再舉個反例，曾見過一個“人體導電”的演示實驗裝置，非常美觀上檔次，中間是用一個大大的透明玻璃罩罩著的一個直升飛機模型，周邊有3對導電手柄，人雙手握緊一對手柄，飛機模型發(fā)光并伴隨螺旋槳轉起來，以顯示人體導電。就這么個實驗裝置花了1萬多元。各位讀者估計心里都有評判了，這個有必要嗎？要證明人體導電，取一個萬用表加兩根導線即可，效果既直觀而且還便宜方便攜帶。

3) 電磁學演示實驗多需要教師根據理論教學的內容去設計的，有的甚至是教師指導學生設計出來的。比如電磁學理論課上關于“磁介質磁化后在非均勻磁場中的受力分析”，在講完這部分內容之后，筆者拋給學生一個設計題目“你們能否把磁介質磁化后在非均勻磁場中的受力的運動規(guī)律用演示實驗展現出來？”在學期結束之前由3個學生組成的一個研究設計小組交出一套演示實驗裝置，筆者震驚也很興奮，同學們的設計非常完美，裝置很簡單，實驗現象直觀而且明顯！這里就不上圖了。雖然筆者實際裝置不怎么美觀，可是，讀者可能想不到，當筆者拿著這樣簡易的裝置在下一屆學生的電磁學課堂上演示這個實驗時，同學們被深深感染了、帶動了、鼓舞了，很明顯同學們的學習熱情和興趣被有效地激發(fā)了，以后歷屆都有不少學生參與到我的電磁學演示實驗的設計中來?？梢?，電磁學演示實驗確實要“精心設計”，做到電磁學理論教學與演示實驗有機配合，才能有效激發(fā)學生的學習熱情，以提高教學效果與質量。

3 設置電磁學設計性實驗與電磁學理論教學相結合

圖3 平行板電容器插入電解質溶液現象的研討

設置電磁學設計性實驗，與電磁學理論教學相結合，能促進學生動腦與動手相結合，有效激發(fā)學生的創(chuàng)新精神[6]。這類設計性的實驗的設置相當耗費教師的精力，對主講教師的知識和理論的要求也是比較高的。設計性實驗的內容安排是否合適，直接影響到設置實驗的目的和效果，內容既要有一定難度能激發(fā)學生真正參與其中，學生能在實驗設計過程中既靈活應用電磁學及相關知識，在動手和動腦過程中體驗創(chuàng)新過程的愉悅與成就感。設置的設計性實驗內容又不能太過超出學生的能力范圍，太難學生無從下手，踮起腳尖也夠不著反而是會打擊學生參與的積極性。設計性實驗設置得好，可以有效調動整個課堂學生的積極性讓大多數學生樂于參與進來。讓學生能根據自身的興趣選題，組成實驗設計研究小組，研究小組的成員既有明確的分工負責，又有集中討論分析，在學生需要時，教師可以參與進來了解學生設計研究的進展、發(fā)表建議進行指導等。到學期末各小組在課堂上對所負責的設計實驗項目執(zhí)行情況進行匯報，教師和全班同學參與評價和討論。這種授課的環(huán)節(jié)就是“金魚缸式”教學法在課堂上的應用。近幾年在筆者的電磁學課程教學的過程中，將設計性電磁學實驗與電磁理論課教學相結合，很受同學們的歡迎并得到了大家的肯定，這點在學校的歷年學生評教結果中得到了體現。因此筆者建議，那些對教學有熱情、愿意將自己的心血投入到本科教學中的教師，不妨嘗試一二，并歡迎大家與筆者切磋，以不斷探索改善提高。下面是筆者在實際教學過程中的兩個范例。在講到靜電場能量和利用虛功原理求力的內容時，設計性實驗的范例(如圖3所示)：“將平行板電容器插入電解質溶液，與電源相連接的電容器在往電介質溶液中垂直插入時，電容中的溶液如何運動？與哪些因素有關？是否簡諧？這里靜電力的來源如何？”。引導學生思考這系列問題，很明顯學生們的興趣就來了，課后由孫林鈞，郭鳴陽和王超3人組成的研究小組，在老師和實驗員的指導下開始了他們實驗探索之旅。與本范例涉及的物理本質類似的問題“平行板電容器內電介質受力來源的物理本質是什么？”。2012級學生李帥龍做了深入調研，目前相應的論文“平行板電容器內電介質受力問題剖析”正在整理中。探索的結果不是最重要的，重要的是同學們的興趣被有效激發(fā)，運用所學的理論知識動手實驗并深入理論探索，這難道不就是我們教學的目的嗎？

在講到磁場對電流的作用時，設計性實驗的范例有：“高速電動機的設計與轉速的測定”，如何以所學的電磁學理論為指導，來設計裝置提高轉速？如何便捷地測量轉速？被這些問題激發(fā)，同學們自發(fā)分組開展了裝置設計的活動。其中2011級學生李林濤(見圖4)，不僅成功設計了高轉速發(fā)動機，更重要的是他將電磁學理論知識與其他課程如單片機原理知識相結合，同時還實現了轉速的便捷測量并數值實時顯示。這種范例展示對下屆同學的震撼和學習激情的觸動不言而喻了。

圖4 學生設計高速電動機

4 建設電磁學專業(yè)實驗室的必要性

建設電磁學專業(yè)實驗室是非常有必要的?；谏鲜鲇懻摽梢姡姶艑W理論教學與實驗相結合，顯然是非常重要的，而且電磁學的實驗又有不同的層次[3]，有些實驗適用于電磁學理論教學過程中的課堂演示。這種實驗一般體積小，方便搬運到課堂上去演示；有些實驗可能體積過于龐大，適用于安排學生進實驗室參與實驗并體驗的。比如靜電屏蔽籠實驗，怒發(fā)沖冠實驗；還有些設計性實驗，是學生研究小組經常不定期到實驗室研究、分析、討論和實現的。像這種研究設計性實驗如果不給學生安排專門的實驗室和場地，是存在嚴重的安全隱患的。比如，一次筆者在電磁學課堂上演示了雅各布天梯的實驗后，同學們自發(fā)組織了

一個小組來研討“雅各布天梯的實驗和理論分析”。他們的研究和實驗是在學生宿舍完成的，無可否認同學們的實驗設計和理論分析都非常漂亮，在筆者把他們的研究拿到課堂上給下一屆學生展示后，同學們非常羨慕和佩服。但作為教師，的的確確發(fā)現了欠考慮之處，學生購買高壓直流電源直接在他們宿舍實驗是非常危險的，不僅有可能導致自身或他人遭受電擊的危險，還有嚴重的火災隱患。從上面幾點分析來看，建設電磁學專業(yè)實驗室非常必要了。

[1] 陳惠敏，武永慎.電磁學教學必須重視演示實驗[J].物理與工程，2008,(18)4:26-28. Chen Huimin, Wu Yongshen. Demonstration experiments should be paid more attention in electromagnetic teaching[J]. Physics and Engineering, 2008, (18)4: 26-28. (in Chinese)

[2] 張志宏.電磁學實驗教學模式的探索與實踐[J].武漢科技學院學報，2006,18(12):127-128. Zhang Zhihong. Exploration and practice of electromagnetics experiment teaching mode[J]. Journal of Wuhan University of Science and Technology, 2006, 18(12): 127-128. (in Chinese)

[3] 李智華，熊曹水，項林川,等.電磁學教學新模式的探索與實踐[J].物理通報，2013(9):13-16. Li Zhihua, Xiong Caoshui, Xiang Lincuan, et al. Exploration and practice of new electromagnetics teaching mode[J]. Physics Bulletin, 2013(9): 13-16. (in Chinese)

[4] 照日格圖.電磁學教學中培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識和思維的多種教學法分析[J].西南農業(yè)大學學報，2012,10(3):193-194. Zhao Rigetu. An analysis of various teaching methods to cultivate students innovative awareness and thought in electromagnetic teaching[J]. Journal of Southwest Agricultural Unviersity, 2012, 10(3): 193-194. (in Chinese)

[5] 袁敏，陳新蓮，梁志霞.電磁學教學中利用演示實驗培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力的探索[J].科技信息，2011(36):466. Yuan Min, Chen Xinlian, Liang Zhixia. Exploration of cultivating students innovative ability by demonstration experiments in electromagnetics teaching[J]. Science & Technolgy Information, 2011(36): 466. (in Chinese)

[6] 姜成果，許志軍.電磁學實驗教學中設計性實驗的探索與實踐[J].通化師范學院學報，2011,32(8):25-27. Jiang Chengguo, Xu Zhijun. Exploration and practice of designable experiments in electromagnetics teaching[J]. Journal of Tonghua Teachers College, 2011, 32(8): 25-27. (in Chinese)

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THINKING OVER HOW THE ELECTROMAGNETICS THEORY TEACHING AND EXPERIMENT EFFECTIVELY COMBINE

Li Zhihua Lu Peixiang

(School of Physics, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan Hubei 430074)

Electromagnetics is a theory course closely related with experiments. Based on their electromagnetics teaching experience for many years, the authors have been thinking over how to effectively combine electromagnetics theory and experiments in their classes, including how to make overall arrangements between college physics experiments and electromagnetics theory teaching, how to make demonstration experiments effectively cooperate with electromagnetics theory teaching, how to set designable electromagnetics experiments combined with electromagnetics theory teaching, as well as the necessity of construction of electromagnetism professional laboratory.

electromagnetics classroom teaching; electromagnetics experiments; designable electromagnetics experiments; combinations of electromagnetics theory teaching and experiments

2016-04-06；

2016-05-10

李智華，女，教授，主要從事激光與物質相互作用方面的研究，研究方向為凝聚態(tài),lizhihua@hust.edu.cn。

李智華,陸培祥. 電磁學理論教學與實驗如何有效結合的思考[J]. 物理與工程，2017，27(1)：73-76.