胡南 郑光平

摘要：本文从电磁学课程开设的必要性、电磁学核心物理思想的提出以及电磁学中的数学物理分析能力的培养等方面阐述了在新形势下大学物理电磁学教学中如何突出核心内容实现教学目标，并运用于实践，取得一定的效果。

关键词：大学物理；电磁学；物理思想；物理思维；场

中图分类号：G642.41 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）23-0194-02

电磁学教学一直是大学物理教学的重难点，一方面该课程存在知识较抽象难懂，系统性强的特点；另一方面课程的新概念多，涉及的数学物理方法也多。加之新形势下大学物理课程受到的各种冲击，如课程整合、微课、慕课的开展等，电磁学教学改革迫在眉睫。近年来，结合许多物理教育工作者从电磁学理论体系、电磁学数学物理方法等多方面提出改革方案[1][2][3]，我校的课程团队也从电磁学课程开设的必要性、电磁学核心物理思想的提取以及电磁学中的数学物理分析能力的培养等方面阐述了在学时有限的电磁学教学中如何突出核心教学内容体现教学目标，并运用于实践，取得一定的效果。

一、充分认识大学物理中电磁学教学的必要性和重要性

近年来，应用型人才的培养目标以压缩学时和整合内容为实现手段，给新背景下大学物理教学提出了新的考验。有针对性地分层分类教学已经打破了传统体系的完整性，某些类型的大学物理课程已经开展了内容的大删除，电磁学是某些专业删除的对象之一。

电磁学是研究电和磁相互作用、规律和应用的物理学分支学科。由于知识的膨胀，快餐文化的冲击，经典电磁理论被简单地认为是脱离实际的概念和现象，定理定律以及复杂的微积分运算的总和，基于学生学习反馈的“难”字，更是加深了对电磁学学习的误解。一方面是因为现有教学与新形势需求之间的矛盾，另一方面是教学实施未能体现电磁学教学的核心和本质。无论是教育者还是被教育者都应该充分认识到大学物理电磁学教学的必要性和重要性。

1.经典电磁学理论的建立过程确立了电磁学的重要物理地位。众所周知，电磁学理论的完善和牢固地位的确立经历了漫长的历史时期。从早期单独电现象和磁现象的研究，到18世纪中叶发现了电力和磁力的平方反比定律，到18世纪末电堆发明引入的电磁运动以及之后电流的磁效应、欧姆定律、安培定律、电磁感应定律的发现，再到19世纪中期，麦克斯韦建立电磁学理论，最终确立经典电磁理论地位。麦克斯韦建立的电磁场理论统一描述了各种电磁现象，实现了经典电磁理学的大综合，被人们公认为继牛顿之后学力学史上第二个里程碑式的人物[4]。电磁学的学习承载了更多物理思想和物理思维方法以及创新能力培养的目的，而非仅仅停留在理论学习的表面。

2.电磁学中核心物理思想明确了电磁学学习的重要性。从经典电磁理论的建立过程和电磁学理论框架中不难确立两大核心物理思想。

第一是“场”理论的建立。关于近距作用力和超距作用力的争论，以法拉第的“场线”和“场”的提出打开了另一扇理论分析的窗户，从此在人们眼中物理对象不再仅仅是肉眼可见的实物，还多了一个看不见摸不着无处不在的场。通过电磁学学习，建立“场”理论，初步掌握场基本分析方法是电磁学学习的目标之一。第二是电磁统一的物理思想。人类从单独的电现象和单独的磁现象开始研究，到奥斯特发现电流的磁效应，引发法拉第电磁感应现象的发现，到激发麦克斯韦经过严密的理论推导，提出感生电场和位移电流假设，最后统一了电和磁，建立电磁场方程。人们眼中原来两个完全不同的物理现象其内涵本质却是一致的，电磁学理论的建立和学习充分体现了物理现象下面本质的联系。基于自然界四种基本作用力的大统一理论分析也是科学家们一直探索的方向。基于电磁学中出现的两大核心物理思想[2]，电磁学的学习至关重要。

3.电磁学中数学语言的表达必然强化高等数学基本知识的理解和应用。电磁场同其他场对象一样，共同的特点是无处不在，即弥散性。且电磁场是矢量场，具有叠加性。所以分析场特性、相互作用时必不可少的数学工具是矢量和微积分。众所周知，矢量和微积分是高等数学中最基本也是最重要的数学知识，多数大学生学完高等数学后不能深刻地理解数学语言表达的内涵，数学课上更加强调定义和运算法则，这就需要在实际对象研究中体现这些优美的数学语言。大学物理力学部分开始接触简单的矢量运算的重点在一维的微积分应用，电磁学从一维线性向三维空间作了推广，并且把矢量运算和微积分融合，即矢量微积分运用较多。比如通量、电势、安培力求解等，并在这些数学分析中展现场特有的物理属性、高斯定理的有源无源性、环路定理的有旋无旋性等。电磁学教学一方面培养学生的物理思想，还有更重要的一个方面就是学会场理论的数学描述，并反哺数学学习，提升数学与物理现象的互译能力。

二、改革大学物理电磁学教学，真正体现电磁学中的物理思想

1.以“场”为核心，开展大学物理电磁学教学。经典电磁学结构明晰，从静电学、静磁学到电磁相互作用，最后引出麦克斯韦方程组。在讲授过程中，一方面延续传统知识体系的讲解顺序，一方面不断强化场分析过程中的特性和方法[5]，形成了特有的知识体系，强化物理思想，弱化复杂运算。新知识体系以“场”为中心，从场的弥散性、叠加性出发来分析讲解场的基本参量，如电场强度等，分析场与介质的作用；从场论的散度和旋度出发，分析讲解高斯、环路定理，以及电、磁相互作用，最后基于高斯和环路得出麦克斯韦方程组。

2.重视经典电磁学建立过程，确立电磁场统一理论。通过在进入电磁学学习前，引入电磁学绪论，重点介绍电磁学发展和建立过程。麦克斯韦如何在库仑、高斯、欧姆、安培、毕奥、萨伐尔、汤姆逊、法拉第等人的一系列实验成果和发现的基础上，以其深邃的洞察力和精湛的数学知识建立了完整的电磁场理论体系。其中奥斯特发现电流的磁效应，打开电磁相互作用的研究，到后来法拉第的电磁感应，以及麦克斯韦重要的两个概念的假设，贯穿于此，让学生深刻理解科学家在电磁统一过程中的创新思维、大胆假设、科学实践的精神，同时形成一个初步的电磁场理论体系。

三、重视大学物理电磁学中的物理和数学互译能力的培养

1.场的特性和矢量微积分运用。“场”的弥散性和叠加性决定了场在具体定量分析中的思维方法。比如，电场强度和磁感应强度的求解。由于场源的不规则性，将场源先微元化，带电体微元化为电荷元dq，通电流导线微元化为电流元Idl（矢量），它们分别产生弥散的电场dE和磁场dB，而每一个微元产生的无处不在的场又在同一考察空间位置叠加，故采用积分运算。再比如磁场对通电流导线的作用，空间形态的导线在弥散性的磁场当中，由于磁场的不均匀，分析安培力需要对导线先微元化，然后求解该微元导线的微小安培力再积分求和。诸如此类基于弥散性的场作用分析很多，但是给学生讲解时，在基本作用原理的基础上还是要以场弥散性特点为背景，更能体现数学运算的意义。“弥散性”特点还体现在一些定性分析中。同学们经常容易被空间一些实物限制了思维，把一些“场”“挡”在外面，考虑缺失，叠加的时候对微积分掌握不牢固，加之没有充分理解场的“叠加”思想，常常按照例题依葫芦画瓢，没有充分理解其思维特点。再如，在研究导体静电感应并平衡的案例中，平衡后导体内场强为零而形成的类似“屏蔽”的效果，这种由于“叠加”出现的零场值和最初场“弥散性”特点往往引起同学们的误会，这也是对“弥散性”和“叠加性”理解的不足。因此，在教学中的各个环节我们应反复多次通过具体知识点的学习强化“场”的特点。

2.初步建立场理论分析的梯度、散度、旋度的数学分析方法。贯穿整个电磁学学习的高斯定理（散度）和环路定理（旋度）揭示了电磁场的更多时空特性。静电场的有源无旋性，稳恒磁场的无源有旋性都通过高斯定理和环路定理得到了体现，加入变化磁场和变化电场（时变场）的影响，最后的麦克斯韦方程组用简洁的数学语言确立了电磁学统一理论，实现了人类对自然界的又一次综合[8]。教学中，在完成麦克斯韦方程学习后，作为“场”对象的研究，设计了对散度、旋度、梯度三个场理论研究中的基本物理量的简单阐述。对比介绍其他如流体场、温度场、引力场等类似场研究的共通性，明确作为弥散存在的场在研究上类似的一些思维分析方法。以电磁场作为载体，让学生了解场物质研究的基本物理思想和方法，而不仅仅停留在高斯定理和环路定理以及相关案例解决的表面，缺乏知识的高度，无法实现教学目标。

四、小结

新形势下的大学物理电磁学教学任务艰巨，但是电磁学特有的物理属性和物理思维方式，是开启“场”学习的大门，如何依托电磁学学习培养学生能力是物理教育工作者需进一步研究的课题，希望通过我们的思考和实践能提供一个参考，共同促进大学物理电磁学教学。

参考文献：

[1]单亚拿.大学物理电磁学教学改革的研究与实践[A].2014年全国高等学校物理基础课程教育学术研讨会论文集[C].2014：48-50.

[2]张灵振.电磁学理论建立过程的探究与教学实践[J].教育教学论坛，2015，（3）：107-109.

[3]任一涛.电磁场理论课程教学思考与改革尝试[J].云南大学学报（自然科学版），2014，36（2）：154-157.

[4]胡化凯.物理学史二十讲[Z].2009，01271-283.

[5]张淑芳.重视“场”，更重视物理思想方法——关于电磁学教学[J].佳木斯教育学院学报，2015，135（1）：190-191.