電動(dòng)力學(xué)課程教學(xué)改革的實(shí)踐探究

1、    “電動(dòng)力學(xué)”課程教學(xué)改革的實(shí)踐探究    摘要：“電動(dòng)力學(xué)”是四大理論物理課之一。在問卷調(diào)查的基礎(chǔ)上，文章從分析學(xué)生的認(rèn)知過程出發(fā)，就“電動(dòng)力學(xué)”課程對教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式和網(wǎng)絡(luò)多媒體教學(xué)等進(jìn)行了多方面的改革，以適應(yīng)新形勢下人才培養(yǎng)的需要，并為課程改革提供借鑒。實(shí)踐證明，該課程教學(xué)改革取得了一定的成效，但也存在一些有待進(jìn)一步解決的問題。關(guān)鍵詞：電動(dòng)力學(xué)，理論物理，認(rèn)知過程，教學(xué)改革引言“電動(dòng)力學(xué)”是四大理論物理課之一，主要內(nèi)容包括電磁場的基本屬性和運(yùn)動(dòng)規(guī)律、電磁場和帶電物質(zhì)的相互作用以及狹義相對論等1。該課程對學(xué)生掌握電磁場的基本規(guī)律，加深對電磁場

2、和時(shí)空觀的理解，獲得分析基本電磁場問題的能力，提高學(xué)生的科研能力等方面都具有重要意義23。因此，“電動(dòng)力學(xué)”是理論物理、凝聚態(tài)物理、材料科學(xué)、電子科學(xué)等專業(yè)的一門必修課?！半妱?dòng)力學(xué)”課程知識體系非常系統(tǒng)，而且諧振腔、波導(dǎo)、天線等知識與實(shí)際應(yīng)用有緊密的聯(lián)系。但是，有不少學(xué)生覺得該課程偏難4。在該課程的學(xué)習(xí)過程中，一些學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣不高，聽課的注意力不集中，課后不能認(rèn)真預(yù)習(xí)和及時(shí)復(fù)習(xí)，甚至還有個(gè)別學(xué)生照抄別人的作業(yè)，最終其學(xué)習(xí)效果大打折扣。所以，需要從學(xué)生學(xué)習(xí)“電動(dòng)力學(xué)”課程的認(rèn)知過程出發(fā)，對課程教學(xué)進(jìn)行改革探索56。一 問題分析自2011年起，本研究連續(xù)四年對青島大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院應(yīng)用物理、光信息

3、、微電子、新材料、新能源五個(gè)專業(yè)的學(xué)生進(jìn)行了相關(guān)“電動(dòng)力學(xué)”課程的跟蹤問卷調(diào)查：第一次問卷的側(cè)重點(diǎn)是學(xué)生學(xué)習(xí)“電動(dòng)力學(xué)”的方法和習(xí)慣；第二次問卷的側(cè)重點(diǎn)是多媒體和網(wǎng)絡(luò)在“電動(dòng)力學(xué)”教學(xué)中的應(yīng)用；第三次問卷的側(cè)重點(diǎn)是“電動(dòng)力學(xué)”與其它物理課程的聯(lián)系。問卷調(diào)查所得結(jié)果主要包括如下幾個(gè)方面：1 大部分學(xué)生覺得“電動(dòng)力學(xué)”課程比較難學(xué)。讓學(xué)生感到“電動(dòng)力學(xué)”學(xué)習(xí)困難的主要因素有：矢量計(jì)算不適應(yīng)，數(shù)學(xué)推導(dǎo)較難，一些物理概念抽象，了解原理、但不會(huì)解題，記不住公式等。2 學(xué)生對先行課的掌握水平差異較大?！半妱?dòng)力學(xué)”課程的先行課有“高等數(shù)學(xué)”、“電磁學(xué)”和“數(shù)學(xué)物理方法”三門。有些學(xué)生對這三門課的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)不牢

4、，特別是“數(shù)學(xué)物理方法”課，很多學(xué)生覺得該課程抽象，不清楚數(shù)學(xué)方程對應(yīng)的物理問題、不知道多種數(shù)學(xué)問題解法的目的等，這對“電動(dòng)力學(xué)”課程的學(xué)習(xí)影響較大。3 多數(shù)學(xué)生希望傳統(tǒng)教學(xué)和多媒體教學(xué)相結(jié)合。問卷調(diào)查結(jié)果顯示，單純喜歡“黑板+粉筆”教學(xué)方式或喜歡完全采用多媒體教學(xué)方式的學(xué)生都不超過1/3。另外，學(xué)生們很希望通過網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)學(xué)習(xí)、了解“電動(dòng)力學(xué)”課程及其相關(guān)的內(nèi)容，并通過網(wǎng)絡(luò)及時(shí)發(fā)布信息、進(jìn)行相互交流。4 學(xué)生的學(xué)習(xí)方式影響知識結(jié)構(gòu)的形成。根據(jù)問卷調(diào)查結(jié)果，可知：超過50%的學(xué)生沒有養(yǎng)成預(yù)習(xí)和及時(shí)復(fù)習(xí)的習(xí)慣；聽課時(shí)認(rèn)真記筆記的學(xué)生也只占總數(shù)的1/3；只有近1/5的學(xué)生能夠全部獨(dú)立完成老師布置的作業(yè)

5、，大部分學(xué)生只是基本上能夠獨(dú)立完成作業(yè)，有近1/5的學(xué)生不能獨(dú)立完成作業(yè)。學(xué)生的這種學(xué)習(xí)方式，嚴(yán)重地影響了他們知識結(jié)構(gòu)的形成。為了更好地解決這些問題，需要追根溯源，從學(xué)生學(xué)習(xí)物理的認(rèn)知過程出發(fā)，找到“電動(dòng)力學(xué)”課程學(xué)習(xí)過程的一般性和特殊性，并針對學(xué)生和學(xué)科的特點(diǎn)，在該課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、網(wǎng)絡(luò)和多媒體教學(xué)等環(huán)節(jié)進(jìn)行教學(xué)嘗試和改進(jìn)。二 由物理認(rèn)知模式分析“電動(dòng)力學(xué)”的學(xué)習(xí)過程學(xué)生的物理認(rèn)知是指與物理知識學(xué)習(xí)密切相關(guān)的宏觀心理過程，包括學(xué)生原有物理知識的準(zhǔn)備，對新物理知識內(nèi)容的感知、理解和應(yīng)用，新、舊物理知識在頭腦中的組織，以及感知、理解和應(yīng)用物理知識習(xí)慣等。物理認(rèn)知結(jié)構(gòu)是學(xué)生自己頭腦中形成的

6、物理知識結(jié)構(gòu)，是學(xué)生對物理知識體系內(nèi)容的理解和組織。學(xué)生相關(guān)物理認(rèn)知的學(xué)習(xí)模式如圖1所示。 由圖1可以看出，學(xué)生的物理認(rèn)知學(xué)習(xí)模式是比較復(fù)雜的。物理認(rèn)知學(xué)習(xí)開始于物理環(huán)境對學(xué)生的刺激。但需要注意的是，物理認(rèn)知學(xué)習(xí)效果的影響因素不僅取決于物理概念和規(guī)律本身，還取決于學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)和學(xué)習(xí)興趣的激發(fā)。思維加工是認(rèn)知過程的中心，它始終與學(xué)生的物理認(rèn)知結(jié)構(gòu)有關(guān)，所以對于改善學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)也非常重要。1 學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)和興趣的激發(fā)，是學(xué)習(xí)“電動(dòng)力學(xué)”必要的心理準(zhǔn)備學(xué)生要正確把握物理現(xiàn)象和規(guī)律，首先需通過觀察、聽講、閱讀等方式感知物理情景。但當(dāng)一些同學(xué)對“電動(dòng)力學(xué)”越學(xué)越有興趣時(shí)，卻也有不少同學(xué)對該

7、課程漸漸失去了學(xué)習(xí)的興趣。究其原因，主要就在于后者缺乏主動(dòng)學(xué)習(xí)的動(dòng)機(jī)，認(rèn)為“電動(dòng)力學(xué)”的數(shù)學(xué)推導(dǎo)太多、物理意義難于理解、對現(xiàn)實(shí)生活和科技沒有實(shí)際意義等。之所以如此，在于他們對該課程的知識體系、知識背景缺乏真正的了解，因此需要教師創(chuàng)設(shè)相應(yīng)的情境來激發(fā)他們的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)和興趣。2 具體感知與抽象思維是實(shí)現(xiàn)第一次認(rèn)知飛躍的基礎(chǔ)圖1顯示，思維加工過程分為感知物理現(xiàn)象、形成概念和掌握規(guī)律、解決物理問題三個(gè)階段。其中，感知物理現(xiàn)象就是讓學(xué)生對物理事實(shí)、物理現(xiàn)象和物理過程形成清晰而明確的認(rèn)識，為其進(jìn)一步的思維活動(dòng)提供線索和依據(jù)。然后，思維加工進(jìn)入形成概念和掌握規(guī)律的階段，學(xué)生的認(rèn)識由感性上升為理性、由具體變?yōu)槌?/p>

8、象，由此實(shí)現(xiàn)了認(rèn)知的第一次飛躍。在實(shí)現(xiàn)第一次認(rèn)知飛躍的這一過程中，首先要建立物理表象，它是具體感知與抽象思維的必要過渡。建立具體的物理表象容易，建立一般的物理表象如電磁場、光速不變性、時(shí)空相對性等則比較困難，其過程是首先必須利用一些特殊的物理現(xiàn)象作鋪墊，待建立特殊表象后再推廣到一般情況。在原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)的支持下，表象通過分類、概括、抽象等思維加工過程，就可以形成物理概念和規(guī)律。也就是說，不僅要清楚概念的內(nèi)涵、外延和本質(zhì)屬性，還要明確概念建立的依據(jù)，明確它與其它概念之間的區(qū)別與聯(lián)系，以重新組合自己的“電動(dòng)力學(xué)”認(rèn)知結(jié)構(gòu)。3 知識結(jié)構(gòu)的形成和變通是實(shí)現(xiàn)第二次認(rèn)知飛躍的基礎(chǔ)只實(shí)現(xiàn)了第一次認(rèn)知飛躍，并沒

9、有完成物理的學(xué)習(xí)過程。因?yàn)橹挥薪鉀Q了物理問題，才能鞏固、深化、活化物理概念和規(guī)律，才能對新的物理環(huán)境做出正確的反應(yīng)，這個(gè)過程就是思維從抽象到具體、知識由理解變?yōu)闀?huì)應(yīng)用的過程，也就是認(rèn)知的第二次飛躍。對于熟悉類型的簡單應(yīng)用，需要學(xué)生從已有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)中提取相關(guān)的物理知識和方法并將其運(yùn)用到新的物理環(huán)境中。但對于較難的“電動(dòng)力學(xué)”題目，則需要學(xué)生將學(xué)過的物理概念、原理和方法加以重新組合，形成新的模式，生成新的知識組塊，有時(shí)還需要進(jìn)行復(fù)雜的邏輯推理和判斷。因此，學(xué)生不僅要正確掌握相關(guān)的物理概念和規(guī)律，還要掌握物理知識之間的聯(lián)系，避免先入為主、粗心大意和思維的片面性，要善于改變方式思考問題。由圖1可知，思

10、維加工的每一階段都同物理認(rèn)知結(jié)構(gòu)密切相連。學(xué)生要建立自己的物理認(rèn)知結(jié)構(gòu)，首先要在頭腦里建立起物理概念和規(guī)律之間的聯(lián)系，即弄清各個(gè)物理概念和規(guī)律在同一個(gè)物理體系中的地位，以及它們是如何結(jié)合起來實(shí)現(xiàn)物理知識的整體功能的。只有這樣，學(xué)過的物理知識才不會(huì)雜亂無章地堆積在大腦中，而會(huì)以一定的結(jié)構(gòu)方式和邏輯關(guān)系存在著，使知識呈現(xiàn)出一種有序的狀態(tài)?！半妱?dòng)力學(xué)”知識的有序性要變成學(xué)生自己知識結(jié)構(gòu)的有序性，是學(xué)生下一步認(rèn)知活動(dòng)的必要準(zhǔn)備，也是學(xué)生提升能力的重要基礎(chǔ)。4 “電動(dòng)力學(xué)”認(rèn)知過程中的兩個(gè)突出特點(diǎn)（1）“電動(dòng)力學(xué)”認(rèn)知結(jié)構(gòu)的建立過程是復(fù)雜的。它不僅需要本身的物理概念、規(guī)律和方法組成相互關(guān)系，還需要下位數(shù)

11、學(xué)知識、普通物理知識作支撐。也就是說，“電動(dòng)力學(xué)”的學(xué)習(xí)，需要“高等數(shù)學(xué)”、“電磁學(xué)”、“數(shù)學(xué)物理方法”等學(xué)科知識組成的認(rèn)知結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)；如果數(shù)學(xué)、普通物理等的知識基礎(chǔ)不牢，就會(huì)對“電動(dòng)力學(xué)”的學(xué)習(xí)產(chǎn)生負(fù)面影響。（2）“電動(dòng)力學(xué)”認(rèn)知結(jié)構(gòu)的建立還反映在物理觀念的變革上。如經(jīng)典力學(xué)中關(guān)于機(jī)械論的物質(zhì)觀念和時(shí)空觀念、電磁場理論中關(guān)于場的觀念、相對論中關(guān)于時(shí)空的相對性等，都是形成“電動(dòng)力學(xué)”認(rèn)知結(jié)構(gòu)的前提。三 “電動(dòng)力學(xué)”教學(xué)改革實(shí)踐綜上所述，“電動(dòng)力學(xué)”認(rèn)知過程確實(shí)有其獨(dú)特之處。在教學(xué)實(shí)踐和改革的過程中，教師首先必須改變觀念，既要分析教材內(nèi)容，又要分析學(xué)生的認(rèn)知過程，以選擇合適的教學(xué)方法，同時(shí)還要注

12、意以下問題：1 了解學(xué)生的學(xué)前準(zhǔn)備情況學(xué)前準(zhǔn)備包括認(rèn)知準(zhǔn)備和動(dòng)機(jī)準(zhǔn)備兩個(gè)方面。在認(rèn)知準(zhǔn)備方面，教師要了解學(xué)生的原有知識水平，注意學(xué)習(xí)內(nèi)容與原有認(rèn)知水平之間的差異，不論是數(shù)學(xué)知識的不足還是“電動(dòng)力學(xué)”概念的不清，都應(yīng)該了解清楚、查缺補(bǔ)漏。而在動(dòng)機(jī)準(zhǔn)備方面，教師可以在講課的時(shí)候，對電磁場概念予以生動(dòng)形象的描述，重在說明其物理意義，而不是只是簡單地進(jìn)行公式運(yùn)算；教師可以增加與“電動(dòng)力學(xué)”密切相關(guān)的各種知識如生活中的電磁現(xiàn)象、電磁理論在高新技術(shù)中的應(yīng)用等的講解；另外，老師不要一味地只顧講解，還可以采用討論課或運(yùn)用動(dòng)畫模擬等形式開展教學(xué)，并增加網(wǎng)絡(luò)教育等課外環(huán)節(jié)來激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)和學(xué)習(xí)興趣。2 “電動(dòng)

13、力學(xué)”學(xué)習(xí)也要注意建立物理表象隨著“電動(dòng)力學(xué)”推導(dǎo)的增多，許多學(xué)生只注意數(shù)學(xué)結(jié)果，而不注意其物理意義。如麥克斯韋方程組包含極其豐富的電磁場理論知識，學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)不應(yīng)只記住公式本身，還應(yīng)該理解它在穩(wěn)恒場、迅變場和相對論條件下的不同形式。再如相對論，學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)也不應(yīng)只記住其公式，更應(yīng)該知道其時(shí)空觀與經(jīng)典理論的本質(zhì)區(qū)別。3 應(yīng)注意糾正學(xué)生解決問題時(shí)所用的一些錯(cuò)誤方法“電動(dòng)力學(xué)”的相對計(jì)算要求較高，但學(xué)生應(yīng)注意：對該課程中所涉基本概念和規(guī)律的理解是基礎(chǔ)，不應(yīng)只追求結(jié)果，而忽視物理過程、空間關(guān)系和數(shù)量關(guān)系的分析；應(yīng)及時(shí)復(fù)習(xí)和預(yù)習(xí)，不要機(jī)械地套用公式和例題，而應(yīng)該根據(jù)題意，有效利用學(xué)過的知識，靈活調(diào)整解題的

14、步驟；要善于尋找隱蔽的條件、限制條件等，為解決問題打開突破口。4 將多媒體教學(xué)與傳統(tǒng)教學(xué)相結(jié)合教師在講授“電動(dòng)力學(xué)”課程時(shí)，既要注意板書的應(yīng)用，也要充分利用多媒體和網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢。如教師可以將課程中相關(guān)一般電磁波傳播、天線和波導(dǎo)電磁場分布等許多抽象的物理圖像通過動(dòng)畫或模擬圖像的形式展現(xiàn)出來，以幫助學(xué)生更好更快地理解相關(guān)概念；可以將多媒體課件按照學(xué)習(xí)目標(biāo)、預(yù)備知識、知識展開、鞏固練習(xí)和總結(jié)等教學(xué)過程展開，并通過網(wǎng)絡(luò)將課件發(fā)給學(xué)生以隨時(shí)隨地進(jìn)行預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)；可以利用網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)跟學(xué)生交流各種問題，形成良好互動(dòng)。5 在教學(xué)改革中，發(fā)揮教師教學(xué)的個(gè)性特點(diǎn)和主動(dòng)性教師不僅可以利用物理學(xué)史、實(shí)驗(yàn)、計(jì)算機(jī)模擬等多種途

15、徑講授“電動(dòng)力學(xué)”內(nèi)容，還可以根據(jù)教學(xué)設(shè)計(jì)的原則和自己的教學(xué)特點(diǎn)進(jìn)行相關(guān)內(nèi)容設(shè)計(jì)。如每章學(xué)習(xí)結(jié)束后，讓學(xué)生自己進(jìn)行章節(jié)小結(jié)；把習(xí)題課變?yōu)槔蠋熀蛯W(xué)生的共同討論課；積極倡導(dǎo)學(xué)生開展課程論文寫作；引導(dǎo)學(xué)生更多地了解“電動(dòng)力學(xué)”知識在當(dāng)代科技中的具體應(yīng)用等。四 反思和總結(jié)青島大學(xué)近幾年的“電動(dòng)力學(xué)”課程改革始終從學(xué)生的認(rèn)知過程出發(fā)，以學(xué)生的全面發(fā)展和個(gè)性化成才為目標(biāo)。同時(shí)，為適應(yīng)素質(zhì)教育和創(chuàng)新的新形勢，該課程還在具體教學(xué)內(nèi)容方面做了很多改革，如融合多種教學(xué)方式，以彌補(bǔ)集中教學(xué)的不足；設(shè)計(jì)并應(yīng)用多種“電動(dòng)力學(xué)”教學(xué)課件，充分發(fā)揮多媒體和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在教學(xué)中的作用等。該課程的教學(xué)改革，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)“電動(dòng)力學(xué)

16、”課程的興趣，形成了比較完善的“電動(dòng)力學(xué)”知識結(jié)構(gòu)，并能在實(shí)踐中順利地應(yīng)用“電動(dòng)力學(xué)”相關(guān)的基本知識。2012年，該課程被評為了山東省精品課程。但是，該課程的教學(xué)改革也還存在著一些有待進(jìn)一步解決的問題。如學(xué)生的基礎(chǔ)參差不齊，對“電動(dòng)力學(xué)”學(xué)習(xí)的負(fù)面影響不能完全消除；雖然通過預(yù)先講解矢量計(jì)算、每節(jié)課提前做好課前準(zhǔn)備、課后認(rèn)真預(yù)習(xí)并及時(shí)復(fù)習(xí)等方法，可能會(huì)使這一負(fù)面影響有所緩解，但由于學(xué)習(xí)“電動(dòng)力學(xué)”需要多門課的知識儲(chǔ)備，因此還有個(gè)別同學(xué)不能達(dá)到“電動(dòng)力學(xué)”課程的學(xué)習(xí)要求；在我國的教育評價(jià)系統(tǒng)中，學(xué)生仍然必須記住公式和規(guī)律，學(xué)校考試也仍然注重卷面考試，而學(xué)生的平日表現(xiàn)、作業(yè)和課程論文等內(nèi)容在總成績中所占比重過少這些問題的解決，將成為“電動(dòng)力學(xué)”課程教學(xué)改革今后的努力方向，并推動(dòng)著整個(gè)教學(xué)改革的進(jìn)一步發(fā)展。參考文獻(xiàn)：1楊薇.信息技術(shù)與電動(dòng)力學(xué)課程整合的理論和實(shí)踐d.武漢：華中師范大學(xué)，2007：7-2