電動力學教學中 培養(yǎng)學生科學思維和創(chuàng)新意識的思考

電動力學教學中

培養(yǎng)學生科學思維和創(chuàng)新意識的思考與實踐蘭州大學理論物理研究所汪映海2006.7.一.全面認識基礎理論課的任務電動力學是物理系四門基礎理論課（四大力學）之一。基礎理論課不僅要使學生學習掌握基本概念和基本理論，而且要培養(yǎng)學生靈活運用所學知識，乃至創(chuàng)新知識的意識和初步能力。課程教學活動不只是一個傳授知識的過程，還應該是培養(yǎng)學生科學研究能力前期階段的組成部分。電動力學的教學要從教學思想、教學內(nèi)容和教學方法各個方面注重培養(yǎng)學生的科學思維和創(chuàng)新意識，以適應學生在本科階段了解科研或參加科研的要求，提高學生的科學素質(zhì)。二.剖析課程中兩個新物理理論的建立

培養(yǎng)學生的科學思維和創(chuàng)新意識電動力學包括麥克斯韋電磁理論和愛因斯坦狹義相對論，這是物理學發(fā)展史上具有里程碑意義的兩個新物理理論。新物理理論一般具有三個特點：新理論包含了原有理論的合理內(nèi)核；新理論能夠闡明原有理論所不能夠解釋的物理現(xiàn)象；新理論能夠預言新的物理效應，并且能為以后的科學實驗所證實。按照上述三個特征作具體講解，闡述：新理論與原有理論的繼承與發(fā)展關(guān)系；新理論的科學創(chuàng)新性主要反映在哪里；怎樣理解一個新的物理理論；創(chuàng)立一個新的物理理論的基本方向。講述新物理理論總是在發(fā)現(xiàn)矛盾、解決矛盾的過程中產(chǎn)生的，引導學生認識善于發(fā)現(xiàn)問題和解決問題對于科學創(chuàng)新的意義。講述新物理理論的創(chuàng)立者具有非凡的開拓創(chuàng)新精神，激發(fā)學生的創(chuàng)新意識。講述新物理理論的建立過程符合辯證唯物主義的認識規(guī)律，增強學生培養(yǎng)科學思維能力的自覺性。

三.講述學科的發(fā)展其在現(xiàn)代科學中的應用 培養(yǎng)學生的科學思維和創(chuàng)新意識“在科學上沒有一個已經(jīng)完全解決了的問題，也沒有一個永遠不變的問題。”

--愛因斯坦電動力學的教學，既要著重系統(tǒng)地、完整地講解基本知識、基本概念、基本規(guī)律和基本方法，又要介紹該理論的成就所達到的程度以及學科的現(xiàn)代發(fā)展。 使學生不僅能掌握基礎理論知識，還能了解本學科的前沿課題和研究方向。經(jīng)典電動力學的局限性和適用范圍：揭示經(jīng)典電動力學中的一些矛盾例如在下列問題中遇到的困難：

原子的穩(wěn)定性原子的輻射頻率光電效應 共振頻率和譜線寬度康普頓散射 帶電粒子的輻射阻尼電子自能和電磁質(zhì)量這些問題在經(jīng)典理論中的研究仍有一定意義。解釋電動力學作為電磁作用的動力學，涉及帶電粒子和電磁場兩方面。指出帶電粒子的波動性或者電磁場（光子流）的粒子性不顯著而可以忽略時，經(jīng)典電動力學是很好的近似。介紹本學科的發(fā)展及其在現(xiàn)代科學中的應用：經(jīng)典電動力學是宏觀電磁理論，進一步研究微觀領域的電磁相互作用，發(fā)展了量子電動力學。狹義相對論只適用于慣性參考系，拓展到非慣性參考系，發(fā)展了廣義相對論。探討電磁相互作用和弱相互作用之間的內(nèi)在聯(lián)系，發(fā)展了用規(guī)范場理論描述的弱電相互作用的統(tǒng)一理論。介紹超導電動力學。介紹等離子體電動力學。介紹非線性光學中的混沌、分形、孤子，指出：已經(jīng)形成“非線性物理”。探索復雜性（多維度、多組元、非線性、非平衡和開放的）系統(tǒng)，正在形成“復雜性物理”。 該學科研究復雜系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、性能和演化中一些具有普遍性的運動規(guī)律和運動模式。 這是一門有重要的基礎科學意義的學科。介紹電磁學與力學效應的相互影響 首先是磁流體力學的研究，隨后有電磁彈性力學的興起。 近年來隨著超導新材料、微電機械實用化等的研究和應用，形成了電動力學與固體力學相交叉的“電磁固體結(jié)構(gòu)力學”。電磁固體結(jié)構(gòu)是指對電磁場敏感的鐵磁材料、壓電材料、超導材料等制成的結(jié)構(gòu)；這些結(jié)構(gòu)處在電磁場中時，受到電磁力的作用而產(chǎn)生性能改變。該學科研究電磁場與電磁固體結(jié)構(gòu)變形相互耦合作用下固體結(jié)構(gòu)的力學行為和特征。關(guān)鍵是描述和處理電磁場與力學場的非線性耦合。四注重思想方法和處理方法

培養(yǎng)學生的科學思維和創(chuàng)新意識

注重分析歸納法與演繹法相結(jié)合分析歸納法：從特殊到一般。演繹法：從一般到特殊。兩者結(jié)合：是在一個認識層次上實踐—理論—實踐的全過程，是理論與實際相結(jié)合的體現(xiàn)。注重帶有普遍性的方法例如：電磁場邊值問題的求解方法。 物理學中對指數(shù)衰減規(guī)律常常引入一個 特征量來描述。注重物理與數(shù)學的緊密結(jié)合理論物理課程的突出特點。對問題的闡述：物理圖像—數(shù)學描述—物理意義，例如講述洛侖茲變換。指出數(shù)值模擬和分析方法的重要性。注重用現(xiàn)代觀點和方法闡明問題提高課程的起點，力求注入一些現(xiàn)代的新觀點、新方法。在數(shù)學工具和處理方法方面，引入局域坐標和整體坐標，縱場和橫場，全反對稱張量，投影算子等。在物理概念和規(guī)律方面，介紹電荷禁閉與夸克禁閉，對偶變換、對偶場和對偶性破缺，電荷共軛變換C、空間反演P、時間反演T及CPT聯(lián)合反演等。注重近似處理方法抓住問題實質(zhì)和主要矛盾，忽略次要因素?？山鉀Q一些還不能嚴格求解的問題； 可使一些能夠求解的問題得到簡化； 往往能很好的適應技術(shù)和工程實際的需要。 例如：輻射電磁場，電磁多極展開，似穩(wěn)電磁場等。注重從不同角度和途徑闡明同一問題對問