《电磁学》课堂教学的设计

贾彩丽，石长光，陈东生

(上海电力学院，上海　201300)



《电磁学》课堂教学的设计

贾彩丽，石长光，陈东生

(上海电力学院，上海201300)

摘 要：结合数年的教学经验和教学资源，总结出帮助学生克服以上困难的四个方面：充分建立电磁场图景、利用演示实验和视频动画、加强对物理参数的理解以及电磁原理的应用。

关键词：《电与磁》公开课；电磁学；教学设计

《电与磁》是网易公开课提供的免费教学视频，由麻省理工大学(MIT)的Walter Lewin教授倾力奉献，课程内容主要为大学物理中的电磁学部分。虽然之前观摩过很多国内名家大家的电磁学教学公开课，但MIT的《电与磁》课程仍能给人耳目一新、引人入胜的感觉，其中必有国内课程所不及之处，领会其精华，融会贯通到教学中，一定会提高电磁学的教学效果。

电磁学是大学普通物理中比重较大、难度较高的一部分[1]，原因主要在于电磁场的抽象性、散度旋度等全新的考察对象等[2-3]。针对这些原因，总结《电与磁》课程中的教学亮点，可以从以下四个方面提高教学效果。

1建立电磁场图景

建立电磁场图景可以借助图片、模型和动画视频等。例如，认识点电荷电场分布时，lewin教授首先给出了电场的向量图。在电场中，空间每个位置的都对应一个电场，其大小即单位点电荷在此处所受力的大小，方向即正电荷在此处的受力方向，选取一些点，将其方向用箭头表示，大小用长度表示，即可得电场的向量图，如图1a所示。如果要强调电场分布是三维的，而非平面，可以用图1b表示。这些表示方法形成生动，容易让学生在大脑中建立立体形象[4-5]。

图1　点电荷电场分布向量图

图2　异号不等量点电荷电场分布

其次，利用投影，可以用两个点电荷的向量叠加来说明电场的叠加性原理。图2a表示两个异号不等量电荷的电场分布。以向量图为基础就可以顺利引入电场线描绘电场的方法，如图2b和2c所示。利用电场叠加原理与点电荷电场分布可以得到连续带电体的电场分布，如均匀带电棒、均匀带电环/面等(如图3所示为无限长均匀棒电场分布)。结合对称性分析可以定性地得到电场的大致分布，为后面分析电场性质做足准备。

图3　无限长均匀带电棒的电场分布

利用图片、动画、视频等手段可以形象地展示电场的分布，帮助学生把看不见的电场想象出来，建立起电场的图景，为后续高斯定理和环路定理的学习作铺垫。

2有效利用演示实验和模拟视频

物理是一门实验学科，讲究“眼见为实”，在条件允许的情况下，引入演示实验。一方面，提高学习兴趣，活跃课堂气氛；另一方面，在现象面前学生容易接受事实，印象深刻，避免了理论讲解带来的苍白无力。在《电与磁》课程中，印象最深刻的就是演示实验，精心设计的实验把电磁中的因果关系直观地展现出来，以无以辩驳的事实来引入知识点或者支撑定理推论，使教学过程水到渠成。

表1　实验分类表

3加强对物理量参数的理解。

电磁学引入了很多物理量，如电场强度、电势、电容、电阻、磁感应强度、电感等。教学中往往是引入物理量，得到其与其他参量之间的代数关系为止，对物理量的认识比较肤浅。电与磁课程中，Lewin教授将理论联系实际，把涉及到的参量具体化，帮助学生加深对这些物理量的认识，并增加一些物理常识。如：

一个半径为R的均匀带电球面其电场分布利用高斯定理可得：

(1)

(2)

V=Er

(3)

其中ε0为真空介电常数，r为场点到球心的距离，Q为球面带电量。这是一个典型的例题，学生可以得到球外电场电势随r的分布，r=R即球面上电场和电势取最大值。

假如带电量Q=10 uC，取R=0.03 m，则空间场强可达到108V/m。但事实上，如果这个球放置在空气中电场不能超过3^106V/m(一个大气压室温下的干燥空气的击穿场强)，达到击穿场强后，空气将被电离，带走球面上电荷，电场和电势随之降低。因此，10 uC电荷放在半径30 cm的球上将会产生电晕现象；球上可带电量是有限定的，半径越大，所能容纳的电量越多，如表二所示。这样，学生会对电量有个感性的认识。

另外，假如球面电场达到最大3^106V/m，根据公式3可知，半径为3 mm的球，比乒乓球略大，电压可达近上万伏，半径为3 cm的球则达到100千伏，即高压输电电压值。

表2　带电金属球可容纳电量和可承载电压数据表

通过这个例子可以看出，将物理参数量化，得到大致结论，可引导学生将理论知识与实际应用相结合，得到一些常识性的认知。知识接了地气学生才会觉得有用。电与磁课程中有很多这样的例子，包括电阻、电容这些熟知的物理量，给我们提供了一个很好的改进思路。

4结论

电磁学对学生而言有着全新的研究物理量，全新的研究思维。学好这门课，首先就是让学生入门，有兴趣；如果一开始就涌入大量知识容易使学生难以消化，产生畏难情绪，越学越难。因此，课程的开始要放慢节奏，注重引导，建立好场的概念；随后，在实验现象的引导下注重激发学生的兴趣，争取把每个知识点都回归到现实现象或科技发展中，体现出课程所受内容的实践性。

电磁学需要花费大量的时间和精力来准备，Lewin教授为此提前一个学期准备，并在授课期间全力投入，以致整学期无法开展科研，这无疑对教师和制度都是一个考验。同时，要上好这门课也需要诸多硬件条件的支撑，如演示实验设备、动画视频的搜集、多媒体设备的配备等等[6]；当然，更重要的还是各方面对教学工作的重视，对教师工作的切实支持，来不得一点虚假。这个前提下，任何一门课程都能上好，相信中国的高等教育不再备受诟病。

参考文献：

[1]潘江洪,李廷会.同伴教学法对课堂期望的影响[J].物理与工程,2014,24(3):51-55.

[2]周帆,王治生.电磁学教学方法浅析[J].科技信息,2008(10):161.

[3]李文华,盛霞.电磁场的教学之我见[J].广东工业大学学报,2010(10):84-86.

[4]孙朝平.“电场”学习障碍成因及对策[J].物理通报,2006(5):27-29.

[5]潘志初.结合物理情景构建物理图景 加强学生对知识的理解[J].中外教育研究,2009(3):133-134.

[6]徐劳立.大学物理教学理念和方式[J].物理与工程,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

中图分类号：G 420

文献标志码：A

DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.001.029

文章编号：1007-2934(2016)01-0112-03

收稿日期：2015-04-03