电磁场理论课程中的科学方法教育思想

2020-03-18 16:39张洪欣
高教学刊 2020年8期
关键词:电磁场科学方法新工科

张洪欣

摘  要:面向新工科建设的需求,结合物理学史和电磁场理论知识体系结构,分析了电磁场理论中蕴含的科学方法要素。可以根据新工科建设对学生创新思维能力培养的需要,运用科学方法教育思想,整合教学内容,优化教学方法,落实科学方法教育在电磁场理论课程中的贯彻和应用。

关键词:科学方法;电磁场;新工科;教学方法

中图分类号:G640 文献标识码:A 文章编号:2096-000X(2020)08-0191-03

Abstract: Facing the needs of new engineering subject construction, combined with the physics history and knowledge architecture of electromagnetic field theory, the scientific and methodological elements contained in electromagnetic field theory are analyzed. According to the need of new engineering subject construction for the cultivation of innovative thought to students, the implementation and application method of scientific method in the course of electromagnetic field is proposed by using educational thought with scientific method, with which the teaching content can be integrated and the teaching method may be optimized.

Keywords: scientific method; Electromagnetic Field; new engineering ; teaching method

一、概述

進入21世纪,工程科技进步和创新将成为推动人类社会发展的重要引擎,工程教育已经成为国家竞争力的重要来源。相对于传统工科人才培养模式,我国提出“新工科”人才培养模式,在工程教育新理念、学科专业新结构、人才培养新模式、教育教学新质量、分类发展新体系等方面开展综合教育实践改革[1-3]。传统的教育模式将培养人才作为经济发展的需求,忽视了人的发展与科学发展客观规律的统一性。将育人过程简化为知识学习和技能培训,忽略了人对科学精神的追求;导致教育的功能侧重于确定知识的传授,忽视了其社会教化和科学创造功能。随着科学技术的突飞猛进,信息化社会发展日新月异,在大数据、物联网、人工智能、网络安全、新材料、大健康等新经济领域都出现了严重人才供给不足的现象,暴露出我国传统工程教育与新兴产业和新经济发展有所脱节的短板[4,5]。新工科教育对高校特别是电子信息类专业建设提出了新的要求、新的方向。

相对于传统工科,未来新产业和新经济需要工程实践能力强、创新能力强、具备国际竞争力的高素质复合型人才,新工科人才不仅在某一学科专业上学业精深,而且还应具有“学科交叉融合”的特征;不仅能够运用所掌握的知识解决出现的工程问题,更重要的是有能力学习新知识、新技术,预测和解决未来出现的新问题;在技术上过硬,又同时懂得经济、社会和管理,兼具良好的人文素养[5,6]。目前,我国工科院校在人才培养方面目标定位尚不清晰,工科教学理科化,存在通识教育与工程教育、实践教育与实验教学之间的模糊认识,人才综合素质和知识结构方面与社会需求脱钩等问题。面对现代化新产业和新经济,高等工科院校必须深化课程教学体系改革,强调面向服务“新经济”、“以能力为中心”的人才培养模式,本文阐述了科学方法教育思想在新工科教育中的作用,并以电磁场理论课程中的科学方法教学与教育思想,形成与新工科要求相适应的教学及育人思路。

科学方法在科学技术发展史上发挥了重要的作用。通过科学方法教育可以引导学生自觉地运用科学方法不断地学习和创新,从而掌握新知识和新技术。科学方法可以促进科学领域及人才的可持续发展。科学方法比知识本身更具有普遍适用性,并可以迁移到相关的学科领域,在学习和研究过程中获得灵感,提升创新思维能力[7]。在传统电磁场理论课程的教学中,对电磁学中科学方法的渗透不够,教学不仅要传授知识,更要培养学生在探索知识的过程能够创造知识。因此,教育教学改革应更加关注科学探究、科学方法和科学过程的教学,在科学探究过程中,应用和创新科学方法,将科学方法渗透于教学实践环节和评价体系中。在教学中创造学生体验科学思维的机会和条件,使其了解和掌握科学研究的方法,激发科学探究的热情。

电磁场理论与科学方法交织发展,一方面,电磁理论的发展促进了科学方法的形成和完善,科学方法的完善也推动了电磁场理论的发展和进步[7]。因此,在电磁场教学中实施科学方法教育,能够使学生了解电磁理论演化的历史面貌,激发学生在学习过程中的主观能动性。在电磁场理论课程教学中,突出电磁理论与科学方法之间的内在关系,结合新工科建设研究科学方法在教学改革实践中的应用。

电磁场与电磁波课程是电子信息类专业的重要专业基础课程,直接关系到学生能力及素质的培养。在电磁场与电磁波课程的教学实践中,通过渗透科学方法教育,认真分析电磁场理论中的显性和隐性科学方法因素,结合物理学史和电磁场理论的知识体系结构,根据新工科建设对学生思维和能力培养的需要,整合教学内容,优化教学方法,以实现科学方法教育在电磁场与电磁波课程中的贯彻和应用。

二、结合电磁理论发展史挖掘科学方法要素

在教学过程中渗透科学方法是实施科学方法教育的主要形式。首先要对电磁场理论形成过程中的科学方法要素进行提炼、总结和分析。梳理电磁场理论中知识点的产生、发展和演绎过程,以物理学史实为依托,凝练电磁理论发展中的研究方法,挖掘、提炼电磁理论概念和原理中蕴含的科学方法要素。

电磁理论中的知识点反映了人们在探索和发展这部分知识过程中的科学方法要素。例如,在分析库仑定律时,人们通过利用引力和电力的相似性用类比方法进行推测,平方反比关系自始至终对库仑的实验起着指导作用;安培遵循牛顿的研究路线,仿照力学的理论体系创建了电动力学,给出了安培定律,即电流之间的相互作用力公式;在分析毕奥-萨伐尔定律时,可以了解毕奥和萨伐尔在实验中通过消除地磁的影响,克服了载流导体有限长带来的问题,并通过设计磁针周期振荡实验及合理地处理数据等发现了电流对磁场的作用定律。

法拉第研究了电介质对电力作用的影响,利用场的概念提出了力线的思想,形成了近距理论的核心内容[8]。汤姆孙运用类比方法,将法拉第力线思想转变为定量的表述,为麦克斯韦方程组的建立提供了非常有益的经验。麦克斯韦发展了汤姆孙的类比方法,用不可压缩的流体的流线类比于法拉第力线,把流线的数学表达式用到静电理论中。面对电磁现象与流体力学现象的巨大差别,以及电现象和磁现象的差异性,几何上的类比无法洞察事物的本质,麦克斯韦又借助于兰金的“分子涡流假设”提出了“分子涡旋”模型和位移电流假设。他受到法拉第力线思想的鼓舞,并得到汤姆孙运用类比方法的启发,深刻地洞察了以纽曼和韦伯为代表的大陆派电动力学的困难和不协调因素,敏锐地抓住了位移电流和电磁波这两个关键概念,运用模型理论对力线的分布及其应力性质给予了机理性说明[8]。麦克斯韦正是站在法拉第和汤姆孙等科学家的肩膀上,面对众说纷纭的电磁理论,以深邃的洞察力建立了麦克斯韦方程组,开创了物理学的新领域。然而,麦克斯韦理论没有解决光的反射和折射,光的色散及吸收问题,后来洛伦兹巧妙地将超距的电动力学与电磁理论综合到一起,人们逐渐地解决了这个问题。

综上所述,可以从这些史实中分析出科学研究的实验方法、数学方法和逻辑方法等,在教學实践中渗透科学方法。

三、从电磁理论知识类型中提炼科学方法要素

电磁理论知识涵盖概念、规律、实验和应用等类型,它们所运用的科学方法各异且相互联系[7]。在电磁概念的建立中经常用到理想模型法、比值定义法、分类法等,例如,在分析点电荷、电偶极子、磁偶极子、电流元、磁荷、理想导体等运用了理想模型法;在分析电场强度、磁感应强度、电流强度、极化强度、磁化强度等运用了比值定义法;在分析导体、电介质、磁介质的性质,分析电磁波的反射与折射现象等运用了分类法。

在概念辨析中经常用到比较法。比较法可以将学科领域范畴内相关的、相似的、对称的、易混淆的概念进行比较,避免混淆。电磁理论中,许多电现象与磁现象有相似性。例如电介质的极化现象与磁介质的磁化现象,极化电荷与磁化电流,电偶极子与磁偶极子,库仑定律与安培力定律;各种电磁场中的矢量线概念,通量与环量,标量电位与矢量磁位,静态电磁场与时变电磁场,近区场与远区场等等。在这些内容的教学过程中,比较是一个很有效的方法和实施环节。

在总结规律时常用到归纳法、演绎法、假说方法、比拟等[7],例如库仑定律、欧姆定律、毕奥-萨伐尔定律、法拉第电磁感应定律等运用了归纳法,高斯定理、斯托克斯定理、安培环路定理、电流连续性方程、基尔霍夫定律等就运用了演绎法,位移电流的引入运用了假说方法,导致了麦克斯韦方程组完整体系的建立。在实验设计时,经常用到比较法、转换法、近似法和叠加平均法等,例如在高斯定律和毕奥-萨伐尔定律、库仑定律与安培力定律的实验对比中运用了比较法;在镜像法运用了转换法将电荷分布未知问题转换为已知电荷分布;灵敏电流计、检波器等仪器仪表基本上都运用了放大法来显示结果;在磁偶极子辐射,电偶极子产生的近场、远场分析中运用了近似法,在波导波长的测量实验中用到了叠加平均法来处理数据。在静电场和恒定电场性质的对比中采用比拟法,静电场中的D、?着、q和恒定电场中相应的J、?滓、I存在比拟关系,利用静电场的方程和边界条件就转换成恒定电场的方程,反之亦然。

在电磁理论应用中,数学演绎和数学建模的方法运用得较多,比如建立点电荷、面电荷、线电荷模型,体电流、面电流、线电流模型等,利用叠加原理求空间电磁场的分布;根据电磁场对称性分布的特点运用高斯定理或环路定理求解电磁场等;利用分离变量法求解区域电磁场分布等。概念和原理等知识点只能体现某些类型的科学方法,而知识点的产生、发展、成熟到应用往往是多种科学方法综合运用的结果,例如麦克斯韦方程组的建立就是运用了多种科学方法综合的结果,因此不能将科学方法与知识类型分离出来研究。

四、从知识结构的逻辑关系中挖掘蕴含的科学方法要素

电磁理论知识体系具有严密逻辑架构,电磁理论的知识点结构之间具有一定的逻辑关系,各个知识点之间也具有较强的逻辑通道[7],反映了知识内容的循序渐近性和螺旋上升性,这种逻辑关系是学生掌握新知识的重要途径。这些逻辑要素构成了科学方法的主要架构,可以通过分析理论知识体系的逻辑关系挖掘科学方法要素。

例如,可以通过通量和环量分析电场和磁场在媒质分界面的边界条件,并由此得到这样的规律:对于通量密度矢量(D、B、J等),利用通量研究其法向分量的连续性;而对于场强度矢量(E、H等),利用环量研究其切向分量的连续性。麦克斯韦方程组第一方程及第二方程的积分形式和微分形式是通过斯托克斯定理联系在一起的,麦克斯韦方程组第三方程及第四方程的积分形式和微分形式是通过高斯(散度)定理联系在一起的;电磁场的矢量场和源之间存在左手或者右手螺旋关系,揭示了场和源的逻辑关系。从高斯(散度)定理和斯托克斯定理来分析麦克斯韦方程组积分和微分形式的内部逻辑关系是自洽的。对偶原理反映了点和磁的对偶性,进一步揭示了电和磁的逻辑关系,并由此可以进一步得出边界条件的对偶性。

分析電磁理论中所蕴含的科学方法要素并不局限于教材本身,应该以教材和参考书为纲,以物理学史为线,根据知识结构的特点和类型,寻求科学方法教育的知识和史实背景,梳理对电磁理论知识的衍变规律,为在教学中渗透科学方法教育思想提供理论和事实支撑。

五、将科学方法教育思想应用于创新实践环节

在电磁场理论教学和创新实践中自觉地运用科学方法是渗透科学方法教育思想的最基本的形式[7],可以帮助学生自发地将科学方法迁移到创新思维方式上。科学方法教育的目的不是灌输给学生生硬的科学方法概念和要素,而是在于结合解决具体问题的实际,合理地选择适当的科学方法来解决问题。在具体的教学环节和创新实践中,将知识本身所蕴含的科学方法自然地传授给学生,达到科学方法教育的目的。

教学环节是针对相应的教学任务而言,在教学过程中的实施的某项教学活动。对于一堂课的教学来说,课程内容的引入与界定、物理概念的理解与辨析、电磁规律的探索与应用、课堂的总结与引申、课后练习与实验、创新实践等都是教学环节。将科学方法应用于电磁理论教学环节,利用科学方法优化和促进教学活动,实现在教学过程中潜移默化地实施科学方法教育思想。

基于科学发展知识、人文知识,围绕电磁理论应用,以基本功能系统、单一功能简单系统、多功能简单系统、单一功能复杂系统、多功能复杂系统为演进主线,在教学实践中将信息通信、电子控制、软件设计等新技术与电磁场、射频微波工业技术紧密结合,以航空航天复杂系统、大健康复杂系统的应用为突破口,探索基于科学方法教育思想的协同创新人才培养新模式。围绕电磁场与微波技术在民用、军事、航空航天工程等领域的应用,结合物联网、人工智能、网络安全、新材料、大健康等新经济领域的需求,开展科学方法在通识教育与工程教育、实践教育与实验教学中的应用,着力培养实践能力强、创新能力强、具备国际竞争力的高素质复合型“新工科”人才。

六、结束语

分析和阐述了在电磁场理论课程教学环节中实施科学方法教育的必要性和重要性。提出了结合电磁理论的发展史实挖掘科学方法要素,从电磁理论知识类型中提炼科学方法要素,从知识结构的逻辑关系中挖掘蕴含的科学方法要素,并将科学方法教育思想应用于创新实践环节,和通识教育相结合,培养综合素质高、实践能力强、创新能力强、科学素养强,具备国际竞争力的高素质复合型“新工科”人才。

参考文献:

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