劉要北+高銀浩+張文慶+崔小敏

摘 要：從大學(xué)物理課程的教學(xué)現(xiàn)狀及教育改革趨勢出發(fā)，對大學(xué)物理和中學(xué)物理中電磁學(xué)部分知識的比較和銜接顯得十分重要。該文在教學(xué)內(nèi)容銜接、教學(xué)方法和學(xué)習(xí)方法銜接等方面給出一些建議，希望對電磁學(xué)部分的學(xué)習(xí)上實現(xiàn)從中學(xué)物理到大學(xué)物理知識體系的順利過渡。

關(guān)鍵詞：大學(xué)物理 中學(xué)物理 電磁學(xué) 教學(xué)銜接

中圖分類號：G424.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）07（b）-0114-02

作為高等院校理工農(nóng)科等專業(yè)必修的一門基礎(chǔ)理論課，大學(xué)物理對非物理類專業(yè)學(xué)生后續(xù)課程的學(xué)習(xí)和分析解決問題能力的提高都有很大幫助。通過中學(xué)物理的學(xué)習(xí)，大部分學(xué)生對大學(xué)物理課程中所要學(xué)習(xí)的一些物理概念和物理規(guī)律自認(rèn)為很熟悉，往往會忽視這些概念內(nèi)涵的理解，特別是相關(guān)物理規(guī)律的描述當(dāng)從特殊到一般、均勻到非均勻情況下所采用的數(shù)學(xué)手段發(fā)生變化，使得許多學(xué)生感覺到大學(xué)物理的學(xué)習(xí)比較困難。另一方面，由于中學(xué)物理與大學(xué)物理在不同的教學(xué)環(huán)節(jié)中有一些區(qū)別，大學(xué)物理中會介紹當(dāng)前高新技術(shù)領(lǐng)域中的基礎(chǔ)性物理原理，同時大力加強了現(xiàn)代物理學(xué)的重要觀念。而大一學(xué)生還無法從中學(xué)物理的學(xué)習(xí)慣性中解脫出來，會逐漸對大學(xué)物理的學(xué)習(xí)缺乏興趣。所以如何在新形勢下做好大學(xué)物理與中學(xué)物理教學(xué)的有效銜接，是目前大學(xué)物理教育工作者面對的一個迫切需要解決的問題。

由于大部分概念較為抽象且涉及的數(shù)學(xué)物理方法較多，電磁學(xué)教學(xué)一直是大學(xué)物理教學(xué)中的一個難點。在多年的教學(xué)中發(fā)現(xiàn)大部分學(xué)生都覺得這部分學(xué)習(xí)起來感覺很難，概念容易混淆，并且學(xué)生自主分析問題、解決問題的能力較差，并對中學(xué)物理知識已形成固定思維模式。大學(xué)物理是中學(xué)物理的升華，隨著深度和難度的增加，如何實現(xiàn)讓學(xué)生從中學(xué)物理到大學(xué)物理的順利過渡，是新形勢下教育改革實踐的重要內(nèi)容。文章主要基于目前大學(xué)物理和中學(xué)物理中電磁學(xué)部分的教學(xué)現(xiàn)狀出發(fā)對本部分知識點進(jìn)行比較分析，以期對該部分知識點的教學(xué)銜接有所幫助。

1 中學(xué)物理與大學(xué)物理電磁學(xué)部分的有效銜接

1.1 電學(xué)部分的銜接

首先對于電場強度、電場強度的疊加和點電荷的電場等方面，大學(xué)物理更強調(diào)矢量的性質(zhì)，并強調(diào)物質(zhì)存在的兩種方式：“場”與“實物”的區(qū)別，及彌散性和疊加性。在傳統(tǒng)的中學(xué)物理的教材和講授中，對“場”的這兩個特性都是略微指出。只要有場源電荷，就會在空間激發(fā)電場，而場的分布與其他實物不同，它具有“無處不在”的彌散性和空間疊加性，而大多實物都是有形態(tài)有尺度并占用一定空間的物質(zhì)，并在同一空間不能疊加。對該部分講解可以舉生活中的例子，比如現(xiàn)在通訊手段十分發(fā)達(dá)，可以通過手機在某一個固定位置能夠探測到眾多的wifi信號來說明“場”的彌散性和疊加性，比如同一個空間可以被無數(shù)的“場”同時占用，而不同的實物卻不能同時占用同一空間。這樣通過生活中的一些實例分析，讓學(xué)生更加清楚直觀地理解“場”的彌散性和疊加性這兩個特點。當(dāng)然也可以證實場與實物一樣，也具有能量、動量和質(zhì)量等重要性質(zhì)。正是由于場的彌散性和疊加性這兩大特點，大學(xué)物理電磁學(xué)部分的學(xué)習(xí)中對于分均勻分布的電場的計算通常采用微積分的方法，因為對無窮多個小電荷元激發(fā)的電場的疊加就是積分。另一方面，電磁場作為與空間位置有關(guān)的矢量點函數(shù)，在積分中要涉及到矢量的運算，這也是電磁場矢量疊加必然的數(shù)學(xué)工具。

以電勢為例，下面詳細(xì)討論中學(xué)物理與大學(xué)物理中的異同。在中學(xué)教材中，電勢被定義為：如果在電場中選一個標(biāo)準(zhǔn)位置，那么電場中某點跟標(biāo)準(zhǔn)為止間的電勢差。電勢差跟高度差相似，被選作標(biāo)準(zhǔn)位置間的電勢為零。電勢和電勢差單位相同。由電勢的概念可知，電場中某點電勢在數(shù)值上等于單位正電荷由改點移動到標(biāo)準(zhǔn)位置（零電勢點）時，電場力做的功。電場中某點電勢的大小與電勢零點的選取有關(guān)。在大學(xué)物理中，對電勢有更加具體的表述。如果選取無窮遠(yuǎn)處為電勢零點，空間中任一點P的電勢就等于：。由于電場力做功與路徑無關(guān)，對于空間中任意兩點P和Q，我們有 ，即，表示P、Q兩點間的電勢差等于P點的電勢減去Q點的電勢。在實際工作中常常以地面或者電器外殼的電勢為0，這樣各點的電勢值也將隨之改變，但是兩點之間的電勢差與參考點的選取無關(guān)。通過比較可知，大學(xué)物理對此概念的描述在定性引入的基礎(chǔ)上，定量給出了具體的計算公式。

另外，對電動勢的講授上，中學(xué)教材只是從能量轉(zhuǎn)化的角度定義了電動勢是把其他形式的能（如化學(xué)能）轉(zhuǎn)化為電能的本領(lǐng)；大學(xué)物理在能量轉(zhuǎn)化的基礎(chǔ)上，又引入了“非靜電力”等概念來揭示電動勢的本質(zhì)：把單位正電荷從負(fù)極通過電源內(nèi)部移動到正極時非靜電力做的功，并給出了具體的數(shù)學(xué)表達(dá)式。

1.2 磁學(xué)部分的銜接

首先，對于電流磁場的理論知識，中學(xué)物理教材定性地描述了電流產(chǎn)生的磁場以及判定磁場方向的一個重要方法，即右手定則（或者叫安培定則）：用右手握住導(dǎo)線（或螺旋管），讓伸直的拇指（或彎曲的四指）的方向與電流的方向一致，彎曲的四指（或伸直的拇指）所指的就是磁感線的環(huán)繞方向（螺旋管內(nèi)部磁感線的方向）。通過上述方法可以很容易判定直線電流和通電螺旋管（包括環(huán)形電流）產(chǎn)生的磁場。大學(xué)物理教材中首先列舉了幾種典型的磁現(xiàn)象，如奧斯特實驗、磁鐵對載流導(dǎo)線的作用等。然后引入磁感應(yīng)強度以及磁通量的概念，對于任意形狀的載流導(dǎo)線在給定點所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度，可以看作是導(dǎo)線上各個電流元在該點產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度的疊加?？梢酝ㄟ^畢奧-薩伐爾（后面簡稱“畢薩”）定律定量計算出任意形狀的載流導(dǎo)線在給定點產(chǎn)生的磁場大小和方向。當(dāng)然，用畢薩定律判斷載流導(dǎo)線在空間某點產(chǎn)生的磁場方向與中學(xué)教材中講述的根據(jù)安培定則判斷方向的結(jié)論是一致的，只不過用了矢量的數(shù)學(xué)運算。

其次，在磁場對通電導(dǎo)線的作用的闡述方面，中學(xué)物理教材只能計算電流方向與磁場方向垂直的直導(dǎo)線在勻強磁場中所受安培力的大小，并用左手定則判斷其方向；大學(xué)物理教材可以根據(jù)安培定律計算磁場對任意形狀載流導(dǎo)線的作用力（通常叫安培力），并用矢量叉積法或者右螺旋法則判斷其方向。并且大學(xué)物理中還可以計算無限長兩平行載流直導(dǎo)線間的相互作用力以及磁場對載流線圈的作用力。另外，中學(xué)教材從基本的電磁感應(yīng)現(xiàn)象入手，通過載流導(dǎo)線在磁場中的受力，先定義這種力叫作“安培力”，再詳細(xì)研究影響安培力大小的因素，寫成公式即：B=F/IL。而在大學(xué)物理教材中，可以分別從運動電荷在磁場中的受力和安培定律的基礎(chǔ)上對磁感應(yīng)強度進(jìn)行定義。中學(xué)教材中并沒有體現(xiàn)磁感應(yīng)強度的方向與安培力的方向的關(guān)系，因為高中生沒有學(xué)過微元法，用一小段通電導(dǎo)線檢測物體所受的安培力，這樣的實驗演示比較形象直觀。但測得的磁感應(yīng)強度是一小段通電導(dǎo)線在一定范圍內(nèi)的平均值，并不適用于非勻強磁場。大學(xué)物理教材中磁感應(yīng)強度的定義與畢薩定律和安培定律相對應(yīng)，但在實際上不可能得到單獨的電流元，所以沒有辦法用實驗直接確定兩個電流元之間的相互作用， 只能從閉合載流回路的實驗中間接地反推出來結(jié)果。

最后，在對電磁感應(yīng)的學(xué)習(xí)上，中學(xué)物理教材首先是通過一些基本的電磁感應(yīng)現(xiàn)象來研究電磁感應(yīng)的產(chǎn)生條件，即只要閉合回路所包圍面積的磁通量發(fā)生變化，回路中就一定有感應(yīng)電流產(chǎn)生，另外感應(yīng)電流的方向可以由楞次定律判斷。在中學(xué)物理的課堂教學(xué)中，應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生通過積極思考和查閱相關(guān)資料來主動地獲得電磁感應(yīng)相關(guān)的背景知識，要讓學(xué)生自己深刻體會到這一理論是以法拉第為代表的一批科學(xué)家通過很多年的探索才發(fā)現(xiàn)的。相比較而言，大學(xué)物理教材更強調(diào)對法拉第電磁感應(yīng)定律中動生電動勢和感生電動勢的理解，即磁通量變化的兩種原因上。對于這兩部分的講述重點應(yīng)該放在感生電場和洛倫茲力這兩點上，它們起到一個承前啟后的銜接作用：前者為學(xué)習(xí)電磁波做準(zhǔn)備，后者可看作對前面知識的復(fù)習(xí)和鞏固。

2 結(jié)語

在大學(xué)物理電磁學(xué)部分教學(xué)中，要讓學(xué)生真切地感受到大學(xué)物理不僅僅是中學(xué)物理課程的簡單重復(fù)，讓學(xué)生能夠理解大學(xué)物理對研究對象以及所學(xué)定理的闡述更具有一般性，要重視高等數(shù)學(xué)表達(dá)式的物理內(nèi)涵，建立物理思維。所以，做好大學(xué)物理和中學(xué)物理內(nèi)容的銜接，有利于學(xué)生更深入地理解大學(xué)物理的教學(xué)內(nèi)容，增強學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)

[1] 安秉權(quán)，張秉讓.大學(xué)物理與中學(xué)物理比較（電磁學(xué)部分）[J].固原師專學(xué)報：自然科學(xué)版，2002，23（6）：59-62.

[2] 尹彩流.《大學(xué)物理》電磁學(xué)教學(xué)中類比法的應(yīng)用[J].廣西民族大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2011，17（2）：98-100.

[3] 汪濤.比較法在電磁學(xué)教學(xué)中的運用[J].新鄉(xiāng)師范高等?？茖W(xué)校學(xué)報，2003，17（5）：48-49.

[4] 吳英.中學(xué)電磁學(xué)知識點與大學(xué)電磁學(xué)部分理論的對比[J].喀什師范學(xué)院報，2012，33（6）：65-68.

[5] 趙凱華，陳熙謀.電磁學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2011：7.

[6] 唐亞楠，潘立軍.大學(xué)物理和中學(xué)物理教學(xué)有效銜接的探討[J].鄭州師范教育，2015，7（4）：26-29.