電磁學課程中實施研究性教學的探索論文
電磁學課程中實施研究性教學的探索論文
《電磁學》是應用物理專業學生的一門必修課，是一門重要的專業基礎課，是學習許多後續課程的基礎，其基本原理在現代自然科學和工程技術等領域有著廣泛而深入的應用。《電磁學》的研究方法高度集中了物理與數學結合的邏輯上的嚴密性與系統性，其基礎理論對於學生今後從事教學與科學研究以及工程技術應用領域的研究都十分重要。如何提高這門課程的教學水平和教學質量，為培養高素質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。隨著世界經濟的全面高速發展，社會對高素質人才的培養更加關注，近幾年來已經引起了我國社會各界有識之士的普遍關注。高等教育在新中國成立以來特別是在改革開放二十年來取得了巨大成就，為國民經濟發展和社會的全面進步做出了很大貢獻。然而，長期以來我國高等院校對學生創新精神和創新能力的培養是一個突出的薄弱環節，教學觀念落後，不利於學生學習能動性的發揮，教學模式單一不利於學生個性發展和拔尖人才的脫穎而出。教學方法過死，滿堂“灌疏式”的現象基本上沒有得到徹底的改變，考試方法和考試內容引導學生死讀書本。
對學生的評價主要以課程考試中的一次成績評定等，束縛了學生創新意識和創新能力的發展。然而，一個國家的綜合國力最終將取決於其科技實力，而科技實力在於人才，人才的根本源於教育。而具有嚴密體系和數理邏輯思維的高等物理教育教學在培養高素質人才方面可以發揮十分重要的作用。在這種背景下，我們結合實際，在應用物理專業《電磁學》課程教學中進行了研究式教學的探索與實踐，根據實際情況提出了在《電磁學》教學中實施研究式教學的幾點思考。
一、物理專業《電磁學》課程教學中研究式教學的探索與實踐
從狹義上講，研究式教學就是在課堂教學中就某一具體問題進行專題研究的全過程，透過這一過程使學生獲取相關知識與技能的同時，對某一問題具有比較深入的掌握與理解。從廣義上講，研究式教學是指在教師的指導下學生就自然科學、社會科學和生產生活實際中選擇和確定專題進行研究的過程。根據上述對研究式教學的理解，我們認為在《電磁學》課程教學中首先應當對其教學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領域密切相關的現代化內容。
《電磁學》課程教學內容的現代化改革。《電磁學》這門學科的基本內容是經典電磁學部分，它主要包括靜電學、靜磁學、電磁感應和Maxwell電磁場基礎理論，課程內容多、學時少。教學中如何把與當前工程技術領域密切相關的現代化內容補充進來，是教學過程中要認真解決的問題。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》的重要性時，介紹一些它在現代科技和生活實際中的應用，如從家電到高技術領域，從微電子技術、資訊科技、能源和材料科學到奈米科技等相關知識。第一章講到電荷的量子化時，介紹分數電荷、夸克的發現和種類。在講到作為靜電理論基礎的庫侖定律時，介紹高速運動的點電荷之間不滿足經典庫侖定律的幾種情況，並寫出在相對論情況下庫侖定律的具體數學表示式，介紹用向量和標量來描述靜磁場時講向量和標量描述的相對性。第二和第三章為靜電場中的導體和電解質，講物質電結構時介紹電子和質子的發現以及原子吸收和發射光譜研究是瞭解原子內部構造的重要手段。電介質物質分子的結構與極化過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，如靜電覆印機和靜電遮蔽等。
第四章講經典電子論時講其應用的侷限性和現代量子理論對物質電導率的準確解釋。基爾霍夫方程組仍然是研究似穩電路的基礎。第五章靜磁場一章中，講非穩恆電流元的畢—薩定律的含時形式與磁延遲效應。第六章講帶電離子與磁場相互作用時，講重元素質譜儀、同步迴旋加速器、磁流體發電等。講磁約束時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，同時介紹離子體作為物質世界七種基本形態（固、液、氣、等離子體、超密態、反物質和真空）之一，即物質的第四態是由足夠數量的正負帶電離子組成，其運動由電磁力支配的另一種物質狀態。宇宙中99%的物質處於等離子體狀態。由於地球的低溫環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簡稱STM），它是IBM公司蘇黎世研究所的賓尼格和羅勒於1981年發明的，並獲得了1986年的諾貝爾物理學獎。在第七章講磁介質的順磁性、抗磁性和鐵磁性物質的特性和磁化機理，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。在分析抗磁性時介紹超導抗磁性（邁斯納效應）、磁懸浮和超導磁懸浮列車。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.課堂專題和課程論文。在上述對電磁學課程在基本概念和基本原理的基礎上，透過對整個課程增加現代科學和工程技術應用知識進行整合。在課堂教學中，採用課堂專題講座和課堂討論的方式介紹現代物理內容。課堂專題有利於把有關知識比較深入地介紹給學生，而開展課堂討論有利於調動學生的積極性，也有利於學生綜合素質的提高。專題講座和課堂討論的基本原則是不追求把所有專題問題全部講深、講透，而是就某一專題突出重點，要給學生留有思考的餘地。專題講座中的題目可以由教師提出，也可以由學生自行擬訂，題目所涉及的內容主要包括三個方面的內容：（1）就某一電磁學的原理和基本概念進行深入的分析研究；（2）就某一電磁學原理密切相關的應用課題進行專題研究；（3）涉及了與其他的學科融合交叉的綜合性專題研究。在專題討論、課堂基本概念和基本原理教學的基礎之上，指導學生透過網際網路和圖書館等有關途徑蒐集有關資料的方法，學生透過自身的思考、分析、總結，培養和鍛鍊了自己提出問題、分析問題和解決問題的能力。學生透過自己的努力寫出有關專題研究的論文，下面就最近四年中部分學生的電磁學課程論文列述於下：（1）電磁學發展史；（2）晴天大氣電場的利用（探討人類如何利用雷電所釋放出的能量）；（3）金屬導電的微觀解釋（由固體理論結合經典電子論討論了金屬的電導率與環境溫度的關係）；（4）超導體及其電磁學性質（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感測器的應用）；（6）庫侖定律嚴格平方反比關係的幾點討論（討論庫侖定律嚴格反比關係與光子的零靜止質量、真空色散、電荷守恆等的一些關係）；（7）右手平直定則的來源與通用性（而向量的叉積確定第三向量的問題）；（8）我的有關地磁場的假說（討論有關地磁場反轉問題的歷史發展，提出了自己獨到的見解）；
（9）電場和磁場性質的數學解釋（討論電場、磁場散度和旋度的數學表示）；（10）電磁場中的動量和能量守恆（研究電磁場中的動量和能量守恆問題）；（11）相對論條件下庫侖定律的形式與電磁場變換（推導相對論條件下庫侖定律的形式及電磁場變換關係）；（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）靜電覆印機的工作原理；（14）偶極子與分子環流的電磁學性質（類比了兩種物理模型的電磁性質）；（15）趣味電磁學——生物羅盤之迷（討論動物與人類的磁敏感性）；（16）空心載流圓柱體磁場的計算（從數學上推導計算了空心載流圓柱體在空間一點處的磁場）；（17）日光燈的工作原理及整流器的安全執行機制；（18）磁流體發電——一種新的發電方式（介紹磁流體發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）迴旋輻射的幾點討論（韌致輻射與迴旋輻射在生物醫學領域的應用等）；（22）超導技術及其應用（討論了12種超導材料的超導臨界溫度和超導輸電、磁懸浮等問題）；（23）趨膚效應的定性與定量分析（就一個具體的高壓電路傳輸中電流密度與導體相關物理量的關係進行了比較細緻的分析）；（24）對稱才是美的——對磁單極存在的一點猜測；（25）穩恆電場邊值問題的唯一性定理（討論了在穩恆電場中的邊值問題）；（26）電介質的極化機理；（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訊號傳輸中的應用）；（28）長距離輸電中一個容易被混淆的概念（指出漏電導為常數並不能說明單位長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）場致發射的應用前景（FED、PDP與LCD等顯示器的分析對比）；（31）同步迴旋加速器的原理及其應用（討論了工作頻率與離子質量的關係）；（32）地球磁場是怎樣產生的（回顧歷史討論地磁產生的原因）；（33）彈性載流線圈在均勻磁場中的運動（討論彈性載流線圈在均勻磁場中的伸縮現象）；（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》課程論文的題目及主要內容。到目前為止，學生共完成課程論文203篇，內容幾乎涉及了與《電磁學》有關的所有內容。透過四年來的研究式教學的探索與實踐我們認為：（1）透過課堂專題和討論，學生從選題、查閱資料到完成課程論文提高了學生獨立分析問題和解決問題的能力。（2）激發了學生學習的'興趣和學習的積極性，這一點可以從學生廣泛閱讀的大量相關資料中看到。（3）對《電磁學》中的有關基本原理有了更加深入的理解。
二、對《電磁學》課程教學中研究式教學探索的幾點思考
1.教學方法的改革。針對當前高等學校物理專業基礎課教學的教學情況和我們幾年來對應用物理專業《電磁學》課程教學中研究式教學探索與實踐的總結分析，我們認為課堂教學應努力激發學生的求知慾望，積極培養學生自主獲取知識的能力、獨立分析問題和解決問題的能力。為此，在課堂教學中我們做了如下幾方面的探索：（1）以討論式和啟發式為主的特點。對專題中擬定討論的問題，鼓勵引導學生髮揮其創造性思維，發揚求知探索精神，引導學生充分展示其思考問題的方法，培養學生分析問題的能力。（2）對有關討論的題目及時給出相應的參考資料的來源，方便學生課後即時地獲取有關資料為及時深入的研究打下基礎。（3）可以由學生自擬題目，透過教師引導進行課堂討論。
2.教學評價制度的改革。對課程教學評價制度的改革是教學改革的重要方面之一。在對應用物理專業《電磁學》課程教學中研究式教學探索與實踐中，我們採用綜合評定學生成績的辦法，即學期末的考試成績為70%，課程論文20%，平時作業10%。改變了學期末一次考試評定學生成績的辦法，這種辦法有利於研究式教學的實施，也得到了學生們的歡迎，同時對教師課堂教學的評價也應改變過去較為單一的評價辦法。
3.對研究式教學實施可行性的一點思考。近幾年來，以培養高素質創新人才為宗旨的高校教育教學改革取得了可喜的成績。這種改革所提供的良好氛圍為研究式教學的實施提供了良好的思想基礎。但是，實施過程中還需解決以下的具體問題：（1）要建立全面而有效的教學評價體系。（2）圖書館，網路資源要保證學生能有效的得到有關所需的資料。（3）為學生的課題研究提供必要的經費支援。
上文對四年來應用物理專業《電磁學》課程教學中研究式教學的探索與實踐的一些情況作了簡單的總結說明。目前，一些高校提出了建設研究型大學的宏偉藍圖，極大地激發了高校廣大師生進行教學改革的熱情和勇氣。而研究型大學作為高校綜合生態系統要求有世界頂級的學術大師、世界一流的科技成果，透過研究式教學獲取知識和進行專門性課題研究的良好氛圍，從這個意義上來說，我們在應用物理專業《電磁學》課程的教學改革中所進行的探索是有意義的，有利於提高人才培養的水平和質量。
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