電磁場(chǎng)理論課程中的科學(xué)方法教育思想

張洪欣

摘? 要：面向新工科建設(shè)的需求，結(jié)合物理學(xué)史和電磁場(chǎng)理論知識(shí)體系結(jié)構(gòu)，分析了電磁場(chǎng)理論中蘊(yùn)含的科學(xué)方法要素?？梢愿鶕?jù)新工科建設(shè)對(duì)學(xué)生創(chuàng)新思維能力培養(yǎng)的需要，運(yùn)用科學(xué)方法教育思想，整合教學(xué)內(nèi)容，優(yōu)化教學(xué)方法，落實(shí)科學(xué)方法教育在電磁場(chǎng)理論課程中的貫徹和應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：科學(xué)方法;電磁場(chǎng);新工科;教學(xué)方法

中圖分類號(hào)：G640 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(jìn)入21世紀(jì)，工程科技進(jìn)步和創(chuàng)新將成為推動(dòng)人類社會(huì)發(fā)展的重要引擎，工程教育已經(jīng)成為國家競(jìng)爭(zhēng)力的重要來源。相對(duì)于傳統(tǒng)工科人才培養(yǎng)模式，我國提出“新工科”人才培養(yǎng)模式，在工程教育新理念、學(xué)科專業(yè)新結(jié)構(gòu)、人才培養(yǎng)新模式、教育教學(xué)新質(zhì)量、分類發(fā)展新體系等方面開展綜合教育實(shí)踐改革[1-3]。傳統(tǒng)的教育模式將培養(yǎng)人才作為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求，忽視了人的發(fā)展與科學(xué)發(fā)展客觀規(guī)律的統(tǒng)一性。將育人過程簡化為知識(shí)學(xué)習(xí)和技能培訓(xùn)，忽略了人對(duì)科學(xué)精神的追求;導(dǎo)致教育的功能側(cè)重于確定知識(shí)的傳授，忽視了其社會(huì)教化和科學(xué)創(chuàng)造功能。隨著科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，信息化社會(huì)發(fā)展日新月異，在大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、網(wǎng)絡(luò)安全、新材料、大健康等新經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都出現(xiàn)了嚴(yán)重人才供給不足的現(xiàn)象，暴露出我國傳統(tǒng)工程教育與新興產(chǎn)業(yè)和新經(jīng)濟(jì)發(fā)展有所脫節(jié)的短板[4，5]。新工科教育對(duì)高校特別是電子信息類專業(yè)建設(shè)提出了新的要求、新的方向。

相對(duì)于傳統(tǒng)工科，未來新產(chǎn)業(yè)和新經(jīng)濟(jì)需要工程實(shí)踐能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力強(qiáng)、具備國際競(jìng)爭(zhēng)力的高素質(zhì)復(fù)合型人才，新工科人才不僅在某一學(xué)科專業(yè)上學(xué)業(yè)精深，而且還應(yīng)具有“學(xué)科交叉融合”的特征;不僅能夠運(yùn)用所掌握的知識(shí)解決出現(xiàn)的工程問題，更重要的是有能力學(xué)習(xí)新知識(shí)、新技術(shù)，預(yù)測(cè)和解決未來出現(xiàn)的新問題;在技術(shù)上過硬，又同時(shí)懂得經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和管理，兼具良好的人文素養(yǎng)[5，6]。目前，我國工科院校在人才培養(yǎng)方面目標(biāo)定位尚不清晰，工科教學(xué)理科化，存在通識(shí)教育與工程教育、實(shí)踐教育與實(shí)驗(yàn)教學(xué)之間的模糊認(rèn)識(shí)，人才綜合素質(zhì)和知識(shí)結(jié)構(gòu)方面與社會(huì)需求脫鉤等問題。面對(duì)現(xiàn)代化新產(chǎn)業(yè)和新經(jīng)濟(jì)，高等工科院校必須深化課程教學(xué)體系改革，強(qiáng)調(diào)面向服務(wù)“新經(jīng)濟(jì)”、“以能力為中心”的人才培養(yǎng)模式，本文闡述了科學(xué)方法教育思想在新工科教育中的作用，并以電磁場(chǎng)理論課程中的科學(xué)方法教學(xué)與教育思想，形成與新工科要求相適應(yīng)的教學(xué)及育人思路。

科學(xué)方法在科學(xué)技術(shù)發(fā)展史上發(fā)揮了重要的作用。通過科學(xué)方法教育可以引導(dǎo)學(xué)生自覺地運(yùn)用科學(xué)方法不斷地學(xué)習(xí)和創(chuàng)新，從而掌握新知識(shí)和新技術(shù)?？茖W(xué)方法可以促進(jìn)科學(xué)領(lǐng)域及人才的可持續(xù)發(fā)展?？茖W(xué)方法比知識(shí)本身更具有普遍適用性，并可以遷移到相關(guān)的學(xué)科領(lǐng)域，在學(xué)習(xí)和研究過程中獲得靈感，提升創(chuàng)新思維能力[7]。在傳統(tǒng)電磁場(chǎng)理論課程的教學(xué)中，對(duì)電磁學(xué)中科學(xué)方法的滲透不夠，教學(xué)不僅要傳授知識(shí)，更要培養(yǎng)學(xué)生在探索知識(shí)的過程能夠創(chuàng)造知識(shí)。因此，教育教學(xué)改革應(yīng)更加關(guān)注科學(xué)探究、科學(xué)方法和科學(xué)過程的教學(xué)，在科學(xué)探究過程中，應(yīng)用和創(chuàng)新科學(xué)方法，將科學(xué)方法滲透于教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)和評(píng)價(jià)體系中。在教學(xué)中創(chuàng)造學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)思維的機(jī)會(huì)和條件，使其了解和掌握科學(xué)研究的方法，激發(fā)科學(xué)探究的熱情。

電磁場(chǎng)理論與科學(xué)方法交織發(fā)展，一方面，電磁理論的發(fā)展促進(jìn)了科學(xué)方法的形成和完善，科學(xué)方法的完善也推動(dòng)了電磁場(chǎng)理論的發(fā)展和進(jìn)步[7]。因此，在電磁場(chǎng)教學(xué)中實(shí)施科學(xué)方法教育，能夠使學(xué)生了解電磁理論演化的歷史面貌，激發(fā)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的主觀能動(dòng)性。在電磁場(chǎng)理論課程教學(xué)中，突出電磁理論與科學(xué)方法之間的內(nèi)在關(guān)系，結(jié)合新工科建設(shè)研究科學(xué)方法在教學(xué)改革實(shí)踐中的應(yīng)用。

電磁場(chǎng)與電磁波課程是電子信息類專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課程，直接關(guān)系到學(xué)生能力及素質(zhì)的培養(yǎng)。在電磁場(chǎng)與電磁波課程的教學(xué)實(shí)踐中，通過滲透科學(xué)方法教育，認(rèn)真分析電磁場(chǎng)理論中的顯性和隱性科學(xué)方法因素，結(jié)合物理學(xué)史和電磁場(chǎng)理論的知識(shí)體系結(jié)構(gòu)，根據(jù)新工科建設(shè)對(duì)學(xué)生思維和能力培養(yǎng)的需要，整合教學(xué)內(nèi)容，優(yōu)化教學(xué)方法，以實(shí)現(xiàn)科學(xué)方法教育在電磁場(chǎng)與電磁波課程中的貫徹和應(yīng)用。

二、結(jié)合電磁理論發(fā)展史挖掘科學(xué)方法要素

在教學(xué)過程中滲透科學(xué)方法是實(shí)施科學(xué)方法教育的主要形式。首先要對(duì)電磁場(chǎng)理論形成過程中的科學(xué)方法要素進(jìn)行提煉、總結(jié)和分析。梳理電磁場(chǎng)理論中知識(shí)點(diǎn)的產(chǎn)生、發(fā)展和演繹過程，以物理學(xué)史實(shí)為依托，凝練電磁理論發(fā)展中的研究方法，挖掘、提煉電磁理論概念和原理中蘊(yùn)含的科學(xué)方法要素。

電磁理論中的知識(shí)點(diǎn)反映了人們?cè)谔剿骱桶l(fā)展這部分知識(shí)過程中的科學(xué)方法要素。例如，在分析庫侖定律時(shí)，人們通過利用引力和電力的相似性用類比方法進(jìn)行推測(cè)，平方反比關(guān)系自始至終對(duì)庫侖的實(shí)驗(yàn)起著指導(dǎo)作用;安培遵循牛頓的研究路線，仿照力學(xué)的理論體系創(chuàng)建了電動(dòng)力學(xué)，給出了安培定律，即電流之間的相互作用力公式;在分析畢奧-薩伐爾定律時(shí)，可以了解畢奧和薩伐爾在實(shí)驗(yàn)中通過消除地磁的影響，克服了載流導(dǎo)體有限長帶來的問題，并通過設(shè)計(jì)磁針周期振蕩實(shí)驗(yàn)及合理地處理數(shù)據(jù)等發(fā)現(xiàn)了電流對(duì)磁場(chǎng)的作用定律。

法拉第研究了電介質(zhì)對(duì)電力作用的影響，利用場(chǎng)的概念提出了力線的思想，形成了近距理論的核心內(nèi)容[8]。湯姆孫運(yùn)用類比方法，將法拉第力線思想轉(zhuǎn)變?yōu)槎康谋硎?，為麥克斯韋方程組的建立提供了非常有益的經(jīng)驗(yàn)。麥克斯韋發(fā)展了湯姆孫的類比方法，用不可壓縮的流體的流線類比于法拉第力線，把流線的數(shù)學(xué)表達(dá)式用到靜電理論中。面對(duì)電磁現(xiàn)象與流體力學(xué)現(xiàn)象的巨大差別，以及電現(xiàn)象和磁現(xiàn)象的差異性，幾何上的類比無法洞察事物的本質(zhì)，麥克斯韋又借助于蘭金的“分子渦流假設(shè)”提出了“分子渦旋”模型和位移電流假設(shè)。他受到法拉第力線思想的鼓舞，并得到湯姆孫運(yùn)用類比方法的啟發(fā)，深刻地洞察了以紐曼和韋伯為代表的大陸派電動(dòng)力學(xué)的困難和不協(xié)調(diào)因素，敏銳地抓住了位移電流和電磁波這兩個(gè)關(guān)鍵概念，運(yùn)用模型理論對(duì)力線的分布及其應(yīng)力性質(zhì)給予了機(jī)理性說明[8]。麥克斯韋正是站在法拉第和湯姆孫等科學(xué)家的肩膀上，面對(duì)眾說紛紜的電磁理論，以深邃的洞察力建立了麥克斯韋方程組，開創(chuàng)了物理學(xué)的新領(lǐng)域。然而，麥克斯韋理論沒有解決光的反射和折射，光的色散及吸收問題，后來洛倫茲巧妙地將超距的電動(dòng)力學(xué)與電磁理論綜合到一起，人們逐漸地解決了這個(gè)問題。

綜上所述，可以從這些史實(shí)中分析出科學(xué)研究的實(shí)驗(yàn)方法、數(shù)學(xué)方法和邏輯方法等，在教學(xué)實(shí)踐中滲透科學(xué)方法。

三、從電磁理論知識(shí)類型中提煉科學(xué)方法要素

電磁理論知識(shí)涵蓋概念、規(guī)律、實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用等類型，它們所運(yùn)用的科學(xué)方法各異且相互聯(lián)系[7]。在電磁概念的建立中經(jīng)常用到理想模型法、比值定義法、分類法等，例如，在分析點(diǎn)電荷、電偶極子、磁偶極子、電流元、磁荷、理想導(dǎo)體等運(yùn)用了理想模型法;在分析電場(chǎng)強(qiáng)度、磁感應(yīng)強(qiáng)度、電流強(qiáng)度、極化強(qiáng)度、磁化強(qiáng)度等運(yùn)用了比值定義法;在分析導(dǎo)體、電介質(zhì)、磁介質(zhì)的性質(zhì)，分析電磁波的反射與折射現(xiàn)象等運(yùn)用了分類法。

在概念辨析中經(jīng)常用到比較法。比較法可以將學(xué)科領(lǐng)域范疇內(nèi)相關(guān)的、相似的、對(duì)稱的、易混淆的概念進(jìn)行比較，避免混淆。電磁理論中，許多電現(xiàn)象與磁現(xiàn)象有相似性。例如電介質(zhì)的極化現(xiàn)象與磁介質(zhì)的磁化現(xiàn)象，極化電荷與磁化電流，電偶極子與磁偶極子，庫侖定律與安培力定律;各種電磁場(chǎng)中的矢量線概念，通量與環(huán)量，標(biāo)量電位與矢量磁位，靜態(tài)電磁場(chǎng)與時(shí)變電磁場(chǎng)，近區(qū)場(chǎng)與遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)等等。在這些內(nèi)容的教學(xué)過程中，比較是一個(gè)很有效的方法和實(shí)施環(huán)節(jié)。

在總結(jié)規(guī)律時(shí)常用到歸納法、演繹法、假說方法、比擬等[7]，例如庫侖定律、歐姆定律、畢奧-薩伐爾定律、法拉第電磁感應(yīng)定律等運(yùn)用了歸納法，高斯定理、斯托克斯定理、安培環(huán)路定理、電流連續(xù)性方程、基爾霍夫定律等就運(yùn)用了演繹法，位移電流的引入運(yùn)用了假說方法，導(dǎo)致了麥克斯韋方程組完整體系的建立。在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)，經(jīng)常用到比較法、轉(zhuǎn)換法、近似法和疊加平均法等，例如在高斯定律和畢奧-薩伐爾定律、庫侖定律與安培力定律的實(shí)驗(yàn)對(duì)比中運(yùn)用了比較法;在鏡像法運(yùn)用了轉(zhuǎn)換法將電荷分布未知問題轉(zhuǎn)換為已知電荷分布;靈敏電流計(jì)、檢波器等儀器儀表基本上都運(yùn)用了放大法來顯示結(jié)果;在磁偶極子輻射，電偶極子產(chǎn)生的近場(chǎng)、遠(yuǎn)場(chǎng)分析中運(yùn)用了近似法，在波導(dǎo)波長的測(cè)量實(shí)驗(yàn)中用到了疊加平均法來處理數(shù)據(jù)。在靜電場(chǎng)和恒定電場(chǎng)性質(zhì)的對(duì)比中采用比擬法，靜電場(chǎng)中的D、？著、q和恒定電場(chǎng)中相應(yīng)的J、？滓、I存在比擬關(guān)系，利用靜電場(chǎng)的方程和邊界條件就轉(zhuǎn)換成恒定電場(chǎng)的方程，反之亦然。

在電磁理論應(yīng)用中，數(shù)學(xué)演繹和數(shù)學(xué)建模的方法運(yùn)用得較多，比如建立點(diǎn)電荷、面電荷、線電荷模型，體電流、面電流、線電流模型等，利用疊加原理求空間電磁場(chǎng)的分布;根據(jù)電磁場(chǎng)對(duì)稱性分布的特點(diǎn)運(yùn)用高斯定理或環(huán)路定理求解電磁場(chǎng)等;利用分離變量法求解區(qū)域電磁場(chǎng)分布等。概念和原理等知識(shí)點(diǎn)只能體現(xiàn)某些類型的科學(xué)方法，而知識(shí)點(diǎn)的產(chǎn)生、發(fā)展、成熟到應(yīng)用往往是多種科學(xué)方法綜合運(yùn)用的結(jié)果，例如麥克斯韋方程組的建立就是運(yùn)用了多種科學(xué)方法綜合的結(jié)果，因此不能將科學(xué)方法與知識(shí)類型分離出來研究。

四、從知識(shí)結(jié)構(gòu)的邏輯關(guān)系中挖掘蘊(yùn)含的科學(xué)方法要素

電磁理論知識(shí)體系具有嚴(yán)密邏輯架構(gòu)，電磁理論的知識(shí)點(diǎn)結(jié)構(gòu)之間具有一定的邏輯關(guān)系，各個(gè)知識(shí)點(diǎn)之間也具有較強(qiáng)的邏輯通道[7]，反映了知識(shí)內(nèi)容的循序漸近性和螺旋上升性，這種邏輯關(guān)系是學(xué)生掌握新知識(shí)的重要途徑。這些邏輯要素構(gòu)成了科學(xué)方法的主要架構(gòu)，可以通過分析理論知識(shí)體系的邏輯關(guān)系挖掘科學(xué)方法要素。

例如，可以通過通量和環(huán)量分析電場(chǎng)和磁場(chǎng)在媒質(zhì)分界面的邊界條件，并由此得到這樣的規(guī)律：對(duì)于通量密度矢量（D、B、J等），利用通量研究其法向分量的連續(xù)性;而對(duì)于場(chǎng)強(qiáng)度矢量（E、H等），利用環(huán)量研究其切向分量的連續(xù)性。麥克斯韋方程組第一方程及第二方程的積分形式和微分形式是通過斯托克斯定理聯(lián)系在一起的，麥克斯韋方程組第三方程及第四方程的積分形式和微分形式是通過高斯（散度）定理聯(lián)系在一起的;電磁場(chǎng)的矢量場(chǎng)和源之間存在左手或者右手螺旋關(guān)系，揭示了場(chǎng)和源的邏輯關(guān)系。從高斯（散度）定理和斯托克斯定理來分析麥克斯韋方程組積分和微分形式的內(nèi)部邏輯關(guān)系是自洽的。對(duì)偶原理反映了點(diǎn)和磁的對(duì)偶性，進(jìn)一步揭示了電和磁的邏輯關(guān)系，并由此可以進(jìn)一步得出邊界條件的對(duì)偶性。

分析電磁理論中所蘊(yùn)含的科學(xué)方法要素并不局限于教材本身，應(yīng)該以教材和參考書為綱，以物理學(xué)史為線，根據(jù)知識(shí)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和類型，尋求科學(xué)方法教育的知識(shí)和史實(shí)背景，梳理對(duì)電磁理論知識(shí)的衍變規(guī)律，為在教學(xué)中滲透科學(xué)方法教育思想提供理論和事實(shí)支撐。

五、將科學(xué)方法教育思想應(yīng)用于創(chuàng)新實(shí)踐環(huán)節(jié)

在電磁場(chǎng)理論教學(xué)和創(chuàng)新實(shí)踐中自覺地運(yùn)用科學(xué)方法是滲透科學(xué)方法教育思想的最基本的形式[7]，可以幫助學(xué)生自發(fā)地將科學(xué)方法遷移到創(chuàng)新思維方式上?？茖W(xué)方法教育的目的不是灌輸給學(xué)生生硬的科學(xué)方法概念和要素，而是在于結(jié)合解決具體問題的實(shí)際，合理地選擇適當(dāng)?shù)目茖W(xué)方法來解決問題。在具體的教學(xué)環(huán)節(jié)和創(chuàng)新實(shí)踐中，將知識(shí)本身所蘊(yùn)含的科學(xué)方法自然地傳授給學(xué)生，達(dá)到科學(xué)方法教育的目的。

教學(xué)環(huán)節(jié)是針對(duì)相應(yīng)的教學(xué)任務(wù)而言，在教學(xué)過程中的實(shí)施的某項(xiàng)教學(xué)活動(dòng)。對(duì)于一堂課的教學(xué)來說，課程內(nèi)容的引入與界定、物理概念的理解與辨析、電磁規(guī)律的探索與應(yīng)用、課堂的總結(jié)與引申、課后練習(xí)與實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新實(shí)踐等都是教學(xué)環(huán)節(jié)。將科學(xué)方法應(yīng)用于電磁理論教學(xué)環(huán)節(jié)，利用科學(xué)方法優(yōu)化和促進(jìn)教學(xué)活動(dòng)，實(shí)現(xiàn)在教學(xué)過程中潛移默化地實(shí)施科學(xué)方法教育思想。

基于科學(xué)發(fā)展知識(shí)、人文知識(shí)，圍繞電磁理論應(yīng)用，以基本功能系統(tǒng)、單一功能簡單系統(tǒng)、多功能簡單系統(tǒng)、單一功能復(fù)雜系統(tǒng)、多功能復(fù)雜系統(tǒng)為演進(jìn)主線，在教學(xué)實(shí)踐中將信息通信、電子控制、軟件設(shè)計(jì)等新技術(shù)與電磁場(chǎng)、射頻微波工業(yè)技術(shù)緊密結(jié)合，以航空航天復(fù)雜系統(tǒng)、大健康復(fù)雜系統(tǒng)的應(yīng)用為突破口，探索基于科學(xué)方法教育思想的協(xié)同創(chuàng)新人才培養(yǎng)新模式。圍繞電磁場(chǎng)與微波技術(shù)在民用、軍事、航空航天工程等領(lǐng)域的應(yīng)用，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、網(wǎng)絡(luò)安全、新材料、大健康等新經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的需求，開展科學(xué)方法在通識(shí)教育與工程教育、實(shí)踐教育與實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用，著力培養(yǎng)實(shí)踐能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力強(qiáng)、具備國際競(jìng)爭(zhēng)力的高素質(zhì)復(fù)合型“新工科”人才。

六、結(jié)束語

分析和闡述了在電磁場(chǎng)理論課程教學(xué)環(huán)節(jié)中實(shí)施科學(xué)方法教育的必要性和重要性。提出了結(jié)合電磁理論的發(fā)展史實(shí)挖掘科學(xué)方法要素，從電磁理論知識(shí)類型中提煉科學(xué)方法要素，從知識(shí)結(jié)構(gòu)的邏輯關(guān)系中挖掘蘊(yùn)含的科學(xué)方法要素，并將科學(xué)方法教育思想應(yīng)用于創(chuàng)新實(shí)踐環(huán)節(jié)，和通識(shí)教育相結(jié)合，培養(yǎng)綜合素質(zhì)高、實(shí)踐能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力強(qiáng)、科學(xué)素養(yǎng)強(qiáng)，具備國際競(jìng)爭(zhēng)力的高素質(zhì)復(fù)合型“新工科”人才。

參考文獻(xiàn)：

[1]夏建國，趙軍.新工科建設(shè)背景下地方高校工程教育改革發(fā)展芻議[J].高等工程教育研究，2017（3）：15-19，65.

[2]陸國棟，李拓宇.新工科建設(shè)與發(fā)展的路徑思考[J].高等工程教育研究，2017（3）：20-26.

[3]周開發(fā)，曾玉珍.新工科的核心能力與教學(xué)模式探索[J].重慶高教研究，2017，5（3）：22-35.

[4]徐曉飛，丁效華.面向可持續(xù)競(jìng)爭(zhēng)力的新工科人才培養(yǎng)模式改革探索[J].中國大學(xué)教學(xué)，2017（6）：6-10.

[5]張鳳寶.新工科建設(shè)的路徑與方法芻論：天津大學(xué)的探索與實(shí)踐[J].中國大學(xué)教學(xué)，2017（7）：8-12.

[6]劉明堂，楊陽蕊.新工科背景下的電子信息工程專業(yè)創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式探討[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2018（20）：224-227.

[7]鄧大淵.科學(xué)方法在電磁學(xué)演化與教學(xué)中的應(yīng)用[D].四川師范大學(xué)，2007，4.

[8]郭奕玲，沈慧君.物理學(xué)史（第二版）[M].清華大學(xué)出版社，2005，8.