電磁學(xué)課程中實(shí)施研究性教學(xué)的探索論文
《電磁學(xué)》是應用物理專(zhuān)業(yè)學(xué)生的一門(mén)必修課，是一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)基礎課，是學(xué)習許多后續課程的基礎，其基本原理在現代自然科學(xué)和工程技術(shù)等領(lǐng)域有著(zhù)廣泛而深入的應用�！峨姶艑W(xué)》的研究方法高度集中了物理與數學(xué)結合的邏輯上的嚴密性與系統性，其基礎理論對于學(xué)生今后從事教學(xué)與科學(xué)研究以及工程技術(shù)應用領(lǐng)域的研究都十分重要。如何提高這門(mén)課程的教學(xué)水平和教學(xué)質(zhì)量，為培養高素質(zhì)人才做出了更大的貢獻，是擺在廣大基礎課教師面前的一項重要而緊迫的課題。隨著(zhù)世界經(jīng)濟的全面高速發(fā)展，社會(huì )對高素質(zhì)人才的培養更加關(guān)注，近幾年來(lái)已經(jīng)引起了我國社會(huì )各界有識之士的普遍關(guān)注。高等教育在新中國成立以來(lái)特別是在改革開(kāi)放二十年來(lái)取得了巨大成就，為國民經(jīng)濟發(fā)展和社會(huì )的全面進(jìn)步做出了很大貢獻。然而，長(cháng)期以來(lái)我國高等院校對學(xué)生創(chuàng )新精神和創(chuàng )新能力的培養是一個(gè)突出的薄弱環(huán)節，教學(xué)觀(guān)念落后，不利于學(xué)生學(xué)習能動(dòng)性的發(fā)揮，教學(xué)模式單一不利于學(xué)生個(gè)性發(fā)展和拔尖人才的脫穎而出。教學(xué)方法過(guò)死，滿(mǎn)堂“灌疏式”的現象基本上沒(méi)有得到徹底的改變，考試方法和考試內容引導學(xué)生死讀書(shū)本。
對學(xué)生的評價(jià)主要以課程考試中的一次成績(jì)評定等，束縛了學(xué)生創(chuàng )新意識和創(chuàng )新能力的發(fā)展。然而，一個(gè)國家的綜合國力最終將取決于其科技實(shí)力，而科技實(shí)力在于人才，人才的根本源于教育。而具有嚴密體系和數理邏輯思維的高等物理教育教學(xué)在培養高素質(zhì)人才方面可以發(fā)揮十分重要的作用。在這種背景下，我們結合實(shí)際，在應用物理專(zhuān)業(yè)《電磁學(xué)》課程教學(xué)中進(jìn)行了研究式教學(xué)的探索與實(shí)踐，根據實(shí)際情況提出了在《電磁學(xué)》教學(xué)中實(shí)施研究式教學(xué)的幾點(diǎn)思考。
一、物理專(zhuān)業(yè)《電磁學(xué)》課程教學(xué)中研究式教學(xué)的探索與實(shí)踐
從狹義上講，研究式教學(xué)就是在課堂教學(xué)中就某一具體問(wèn)題進(jìn)行專(zhuān)題研究的全過(guò)程，通過(guò)這一過(guò)程使學(xué)生獲取相關(guān)知識與技能的同時(shí)，對某一問(wèn)題具有比較深入的掌握與理解。從廣義上講，研究式教學(xué)是指在教師的指導下學(xué)生就自然科學(xué)、社會(huì )科學(xué)和生產(chǎn)生活實(shí)際中選擇和確定專(zhuān)題進(jìn)行研究的過(guò)程。根據上述對研究式教學(xué)的理解，我們認為在《電磁學(xué)》課程教學(xué)中首先應當對其教學(xué)內容做必要的調整和改革，特別是應當增加與當前工程技術(shù)領(lǐng)域密切相關(guān)的現代化內容。
《電磁學(xué)》課程教學(xué)內容的現代化改革�！峨姶艑W(xué)》這門(mén)學(xué)科的基本內容是經(jīng)典電磁學(xué)部分，它主要包括靜電學(xué)、靜磁學(xué)、電磁感應和Maxwell電磁場(chǎng)基礎理論，課程內容多、學(xué)時(shí)少。教學(xué)中如何把與當前工程技術(shù)領(lǐng)域密切相關(guān)的現代化內容補充進(jìn)來(lái)，是教學(xué)過(guò)程中要認真解決的問(wèn)題。為此，我們將其課程內容做了如下的改革：緒論部分講《電磁學(xué)》的重要性時(shí)，介紹一些它在現代科技和生活實(shí)際中的應用，如從家電到高技術(shù)領(lǐng)域，從微電子技術(shù)、信息技術(shù)、能源和材料科學(xué)到納米科技等相關(guān)知識。第一章講到電荷的量子化時(shí)，介紹分數電荷、夸克的發(fā)現和種類(lèi)。在講到作為靜電理論基礎的庫侖定律時(shí)，介紹高速運動(dòng)的點(diǎn)電荷之間不滿(mǎn)足經(jīng)典庫侖定律的幾種情況，并寫(xiě)出在相對論情況下庫侖定律的具體數學(xué)表示式，介紹用矢量和標量來(lái)描述靜磁場(chǎng)時(shí)講矢量和標量描述的相對性。第二和第三章為靜電場(chǎng)中的導體和電解質(zhì)，講物質(zhì)電結構時(shí)介紹電子和質(zhì)子的發(fā)現以及原子吸收和發(fā)射光譜研究是了解原子內部構造的重要手段。電介質(zhì)物質(zhì)分子的結構與極化過(guò)程和電偶極子的物理模型在現代原子與分子物理中的重要應用，如靜電復印機和靜電屏蔽等。
第四章講經(jīng)典電子論時(shí)講其應用的局限性和現代量子理論對物質(zhì)電導率的準確解釋�；鶢柣舴蚍匠探M仍然是研究似穩電路的基礎。第五章靜磁場(chǎng)一章中，講非穩恒電流元的畢—薩定律的含時(shí)形式與磁延遲效應。第六章講帶電離子與磁場(chǎng)相互作用時(shí)，講重元素質(zhì)譜儀、同步回旋加速器、磁流體發(fā)電等。講磁約束時(shí)介紹磁約束和慣性約束高溫等離子體核聚變以及天體熱核聚變等離子體，同時(shí)介紹離子體作為物質(zhì)世界七種基本形態(tài)（固、液、氣、等離子體、超密態(tài)、反物質(zhì)和真空）之一，即物質(zhì)的第四態(tài)是由足夠數量的正負帶電離子組成，其運動(dòng)由電磁力支配的另一種物質(zhì)狀態(tài)。宇宙中99%的物質(zhì)處于等離子體狀態(tài)。由于地球的低溫環(huán)境僅存在少量的等離子體，如電解液、電離氣體、空間電離層等。在講磁聚焦時(shí)介紹了電子顯微鏡的基本原理，特別介紹了掃描隧道顯微鏡（ScanningTunnelingMicroscope簡(jiǎn)稱(chēng)STM），它是IBM公司蘇黎世研究所的賓尼格和羅勒于1981年發(fā)明的，并獲得了1986年的諾貝爾物理學(xué)獎。在第七章講磁介質(zhì)的順磁性、抗磁性和鐵磁性物質(zhì)的特性和磁化機理，介紹了各種磁性材料，如軟磁材料、硬磁材料、磁致伸縮材料、磁光材料等基本特性與應用。在分析抗磁性時(shí)介紹超導抗磁性（邁斯納效應）、磁懸浮和超導磁懸浮列車(chē)。超導體的零電阻效應及高溫超導材料的研究狀況和應用前景。
2.課堂專(zhuān)題和課程論文。在上述對電磁學(xué)課程在基本概念和基本原理的基礎上，通過(guò)對整個(gè)課程增加現代科學(xué)和工程技術(shù)應用知識進(jìn)行整合。在課堂教學(xué)中，采用課堂專(zhuān)題講座和課堂討論的方式介紹現代物理內容。課堂專(zhuān)題有利于把有關(guān)知識比較深入地介紹給學(xué)生，而開(kāi)展課堂討論有利于調動(dòng)學(xué)生的積極性，也有利于學(xué)生綜合素質(zhì)的提高。專(zhuān)題講座和課堂討論的基本原則是不追求把所有專(zhuān)題問(wèn)題全部講深、講透，而是就某一專(zhuān)題突出重點(diǎn)，要給學(xué)生留有思考的余地。專(zhuān)題講座中的題目可以由教師提出，也可以由學(xué)生自行擬訂，題目所涉及的內容主要包括三個(gè)方面的內容：（1）就某一電磁學(xué)的原理和基本概念進(jìn)行深入的分析研究；（2）就某一電磁學(xué)原理密切相關(guān)的應用課題進(jìn)行專(zhuān)題研究；（3）涉及了與其他的學(xué)科融合交叉的綜合性專(zhuān)題研究。在專(zhuān)題討論、課堂基本概念和基本原理教學(xué)的基礎之上，指導學(xué)生通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)和圖書(shū)館等有關(guān)途徑搜集有關(guān)資料的方法，學(xué)生通過(guò)自身的思考、分析、總結，培養和鍛煉了自己提出問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。學(xué)生通過(guò)自己的努力寫(xiě)出有關(guān)專(zhuān)題研究的論文，下面就最近四年中部分學(xué)生的電磁學(xué)課程論文列述于下：（1）電磁學(xué)發(fā)展史；（2）晴天大氣電場(chǎng)的利用（探討人類(lèi)如何利用雷電所釋放出的能量）；（3）金屬導電的微觀(guān)解釋?zhuān)ㄓ晒腆w理論結合經(jīng)典電子論討論了金屬的電導率與環(huán)境溫度的關(guān)系）；（4）超導體及其電磁學(xué)性質(zhì)（討論昂納斯超導轉變溫度和零電阻導體特性）；（5）Hall效應及其應用（歷史淵源和Hall傳感器的應用）；（6）庫侖定律嚴格平方反比關(guān)系的幾點(diǎn)討論（討論庫侖定律嚴格反比關(guān)系與光子的零靜止質(zhì)量、真空色散、電荷守恒等的一些關(guān)系）；（7）右手平直定則的來(lái)源與通用性（而矢量的叉積確定第三矢量的問(wèn)題）；（8）我的有關(guān)地磁場(chǎng)的假說(shuō)（討論有關(guān)地磁場(chǎng)反轉問(wèn)題的歷史發(fā)展，提出了自己獨到的見(jiàn)解）；
�。�9）電場(chǎng)和磁場(chǎng)性質(zhì)的數學(xué)解釋?zhuān)ㄓ懻撾妶?chǎng)、磁場(chǎng)散度和旋度的數學(xué)表示）；（10）電磁場(chǎng)中的動(dòng)量和能量守恒（研究電磁場(chǎng)中的動(dòng)量和能量守恒問(wèn)題）；（11）相對論條件下庫侖定律的形式與電磁場(chǎng)變換（推導相對論條件下庫侖定律的形式及電磁場(chǎng)變換關(guān)系）；（12）電磁波的應用——微波加熱與檢測（討論微波加熱、除菌、測溫、脫水與解凍、金屬表面裂紋檢測等）；（13）靜電復印機的工作原理；（14）偶極子與分子環(huán)流的電磁學(xué)性質(zhì)（類(lèi)比了兩種物理模型的電磁性質(zhì)）；（15）趣味電磁學(xué)——生物羅盤(pán)之迷（討論動(dòng)物與人類(lèi)的磁敏感性）；（16）空心載流圓柱體磁場(chǎng)的計算（從數學(xué)上推導計算了空心載流圓柱體在空間一點(diǎn)處的磁場(chǎng)）；（17）日光燈的工作原理及整流器的安全運行機制；（18）磁流體發(fā)電——一種新的發(fā)電方式（介紹磁流體發(fā)電的原理及應用前景）；（19）溫差電現象及應用（溫差電測溫）；（20）互感器及其應用（互感變壓器）；（21）回旋輻射的幾點(diǎn)討論（韌致輻射與回旋輻射在生物醫學(xué)領(lǐng)域的應用等）；（22）超導技術(shù)及其應用（討論了12種超導材料的超導臨界溫度和超導輸電、磁懸浮等問(wèn)題）；（23）趨膚效應的定性與定量分析（就一個(gè)具體的高壓電路傳輸中電流密度與導體相關(guān)物理量的關(guān)系進(jìn)行了比較細致的分析）；（24）對稱(chēng)才是美的——對磁單極存在的一點(diǎn)猜測；（25）穩恒電場(chǎng)邊值問(wèn)題的唯一性定理（討論了在穩恒電場(chǎng)中的邊值問(wèn)題）；（26）電介質(zhì)的極化機理；（27）壓電效應及其逆效應的原理和應用機制（壓電效應及其逆效應在信號傳輸中的應用）；（28）長(cháng)距離輸電中一個(gè)容易被混淆的概念（指出漏電導為常數并不能說(shuō)明單位長(cháng)度的電流損失也是常數）；
�。�29）半導體帕爾帖效應及應用（講述半導體帕爾帖效應制冷原理及半導體冰箱）；（30）場(chǎng)致發(fā)射的應用前景（FED、PDP與LCD等顯示器的分析對比）；（31）同步回旋加速器的原理及其應用（討論了工作頻率與離子質(zhì)量的關(guān)系）；（32）地球磁場(chǎng)是怎樣產(chǎn)生的（回顧歷史討論地磁產(chǎn)生的原因）；（33）彈性載流線(xiàn)圈在均勻磁場(chǎng)中的運動(dòng)（討論彈性載流線(xiàn)圈在均勻磁場(chǎng)中的伸縮現象）；（34）惠斯通電橋的研究（討論非平衡情況下電橋的靈敏度與電阻的測量方法）；（35）平面圓電流外一點(diǎn)處的磁感應強度的計算；（36）電子感應加速器的工作原理；（37）磁性材料的應用與發(fā)展（討論磁光記錄和磁記錄材料的應用）。
上面僅列出了部分《電磁學(xué)》課程論文的題目及主要內容。到目前為止，學(xué)生共完成課程論文203篇，內容幾乎涉及了與《電磁學(xué)》有關(guān)的所有內容。通過(guò)四年來(lái)的研究式教學(xué)的探索與實(shí)踐我們認為：（1）通過(guò)課堂專(zhuān)題和討論，學(xué)生從選題、查閱資料到完成課程論文提高了學(xué)生獨立分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。（2）激發(fā)了學(xué)生學(xué)習的'興趣和學(xué)習的積極性，這一點(diǎn)可以從學(xué)生廣泛閱讀的大量相關(guān)資料中看到。（3）對《電磁學(xué)》中的有關(guān)基本原理有了更加深入的理解。
二、對《電磁學(xué)》課程教學(xué)中研究式教學(xué)探索的幾點(diǎn)思考
1.教學(xué)方法的改革。針對當前高等學(xué)校物理專(zhuān)業(yè)基礎課教學(xué)的教學(xué)情況和我們幾年來(lái)對應用物理專(zhuān)業(yè)《電磁學(xué)》課程教學(xué)中研究式教學(xué)探索與實(shí)踐的總結分析，我們認為課堂教學(xué)應努力激發(fā)學(xué)生的求知欲望，積極培養學(xué)生自主獲取知識的能力、獨立分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。為此，在課堂教學(xué)中我們做了如下幾方面的探索：（1）以討論式和啟發(fā)式為主的特點(diǎn)。對專(zhuān)題中擬定討論的問(wèn)題，鼓勵引導學(xué)生發(fā)揮其創(chuàng )造性思維，發(fā)揚求知探索精神，引導學(xué)生充分展示其思考問(wèn)題的方法，培養學(xué)生分析問(wèn)題的能力。（2）對有關(guān)討論的題目及時(shí)給出相應的參考資料的來(lái)源，方便學(xué)生課后即時(shí)地獲取有關(guān)資料為及時(shí)深入的研究打下基礎。（3）可以由學(xué)生自擬題目，通過(guò)教師引導進(jìn)行課堂討論。
2.教學(xué)評價(jià)制度的改革。對課程教學(xué)評價(jià)制度的改革是教學(xué)改革的重要方面之一。在對應用物理專(zhuān)業(yè)《電磁學(xué)》課程教學(xué)中研究式教學(xué)探索與實(shí)踐中，我們采用綜合評定學(xué)生成績(jì)的辦法，即學(xué)期末的考試成績(jì)?yōu)?0%，課程論文20%，平時(shí)作業(yè)10%。改變了學(xué)期末一次考試評定學(xué)生成績(jì)的辦法，這種辦法有利于研究式教學(xué)的實(shí)施，也得到了學(xué)生們的歡迎，同時(shí)對教師課堂教學(xué)的評價(jià)也應改變過(guò)去較為單一的評價(jià)辦法。
3.對研究式教學(xué)實(shí)施可行性的一點(diǎn)思考。近幾年來(lái)，以培養高素質(zhì)創(chuàng )新人才為宗旨的高校教育教學(xué)改革取得了可喜的成績(jì)。這種改革所提供的良好氛圍為研究式教學(xué)的實(shí)施提供了良好的思想基礎。但是，實(shí)施過(guò)程中還需解決以下的具體問(wèn)題：（1）要建立全面而有效的教學(xué)評價(jià)體系。（2）圖書(shū)館，網(wǎng)絡(luò )資源要保證學(xué)生能有效的得到有關(guān)所需的資料。（3）為學(xué)生的課題研究提供必要的經(jīng)費支持。
上文對四年來(lái)應用物理專(zhuān)業(yè)《電磁學(xué)》課程教學(xué)中研究式教學(xué)的探索與實(shí)踐的一些情況作了簡(jiǎn)單的總結說(shuō)明。目前，一些高校提出了建設研究型大學(xué)的宏偉藍圖，極大地激發(fā)了高校廣大師生進(jìn)行教學(xué)改革的熱情和勇氣。而研究型大學(xué)作為高校綜合生態(tài)系統要求有世界頂級的學(xué)術(shù)大師、世界一流的科技成果，通過(guò)研究式教學(xué)獲取知識和進(jìn)行專(zhuān)門(mén)性課題研究的良好氛圍，從這個(gè)意義上來(lái)說(shuō)，我們在應用物理專(zhuān)業(yè)《電磁學(xué)》課程的教學(xué)改革中所進(jìn)行的探索是有意義的，有利于提高人才培養的水平和質(zhì)量。
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