李娜 虞學(xué)紅 巫志玉

摘要：電磁學(xué)內(nèi)容是物理學(xué)課程的重要組成之一，是大學(xué)物理課程的重點(diǎn)部分，也是中學(xué)物理課程的重中之重。大學(xué)生認(rèn)為電磁學(xué)部分難學(xué)是普遍的觀點(diǎn)，解決電磁學(xué)部分的難點(diǎn)問題尤為重要。為提高大學(xué)物理課程的教與學(xué)的質(zhì)量，文章以電磁學(xué)部分為研究對(duì)象，從教學(xué)內(nèi)容的對(duì)比、教學(xué)方式的改進(jìn)、物理思維方法的應(yīng)用三個(gè)角度探討大學(xué)物理課程與中學(xué)物理課程的銜接途徑，以提高大學(xué)物理教學(xué)質(zhì)量，完善學(xué)生物理知識(shí)體系。

關(guān)鍵詞：大學(xué)物理；電磁學(xué)；中學(xué)物理；課程銜接

中圖分類號(hào)：G642文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1008-3561（2022）21-0017-04

基金項(xiàng)目：本文系海南大學(xué)教育教改項(xiàng)目“大學(xué)物理與中學(xué)物理課程銜接研究”（項(xiàng)目編號(hào)：hdjy2043）研究成果

一、前言

大學(xué)物理課程是高等院校理工類各專業(yè)的一門非常重要的必修基礎(chǔ)課，對(duì)學(xué)生的物質(zhì)觀、運(yùn)動(dòng)觀和時(shí)空觀的培養(yǎng)具有重要意義。大學(xué)物理課程一般安排在大一的下學(xué)期或大二上學(xué)期，是大學(xué)生初入大學(xué)校門的課程之一，也是高中物理課程的延續(xù)。梁昆淼曾表示：中學(xué)物理課程與大學(xué)課程對(duì)學(xué)生的要求很不同，剛?cè)氪髮W(xué)的一年級(jí)大學(xué)生還保留不少中學(xué)生的特點(diǎn)，不能立刻適應(yīng)大學(xué)物理課程的要求。那么如何使學(xué)生盡快適應(yīng)這門課程的學(xué)習(xí)呢？筆者認(rèn)為在教學(xué)實(shí)踐上，可以利用學(xué)生已掌握的中學(xué)物理知識(shí)，創(chuàng)設(shè)一些深度學(xué)習(xí)的情境，從而架設(shè)一條通往大學(xué)物理教學(xué)的橋梁。為此，做好大學(xué)物理與中學(xué)物理的比較研究，找到兩部分的銜接之處是架設(shè)“橋梁”的關(guān)鍵。本文以大學(xué)物理中電磁學(xué)的教學(xué)內(nèi)容為例，對(duì)大學(xué)物理教學(xué)和中學(xué)物理教學(xué)的銜接進(jìn)行探討。

二、大學(xué)物理與中學(xué)物理內(nèi)容的比較

下面，將大學(xué)物理教材與高中物理教材內(nèi)容中的電磁學(xué)部分進(jìn)行對(duì)比。

大學(xué)物理教材靜電場(chǎng)內(nèi)容有：電荷及守恒定律，庫侖定律和靜電力的疊加原理，電場(chǎng)、電場(chǎng)強(qiáng)度電通量和靜電場(chǎng)的高斯定理，安培環(huán)路定理，電場(chǎng)力的功和電勢(shì)，電場(chǎng)強(qiáng)度與電勢(shì)的微分關(guān)系；靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體，靜電場(chǎng)中的電介質(zhì)，靜電場(chǎng)的電容和電容器，電場(chǎng)的能量。

穩(wěn)恒磁場(chǎng)內(nèi)容有：電流，電動(dòng)勢(shì)，磁現(xiàn)象的本質(zhì)，磁場(chǎng)，畢奧—薩伐爾定律，幾種常見的磁場(chǎng)定量計(jì)算，磁通量，磁場(chǎng)中的高斯定理，安培環(huán)路定理，磁場(chǎng)對(duì)一般載流導(dǎo)體的作用，磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用，磁介質(zhì)。

電磁感應(yīng)內(nèi)容有：法拉第電磁感應(yīng)定律，動(dòng)生和感生電動(dòng)勢(shì)，自感和互感，磁場(chǎng)的能量，位移電流，麥克斯韋方程組。

高中物理教材靜電場(chǎng)內(nèi)容包含：電荷及守恒定律，庫侖定律，電場(chǎng)強(qiáng)度，電勢(shì)能和電勢(shì)，電勢(shì)與電場(chǎng)的關(guān)系，帶電粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)，靜電現(xiàn)象，電容。

穩(wěn)恒磁場(chǎng)內(nèi)容包含：磁現(xiàn)象和磁場(chǎng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度，幾種常見的磁場(chǎng)定性分布，洛倫茲力和安培力。

電磁感應(yīng)內(nèi)容包含：楞次定律，法拉第電磁感應(yīng)定律，電磁感應(yīng)現(xiàn)象的兩類情況，互感和自感，渦流、電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)。

顯然，通過大學(xué)課程與中學(xué)課程的具體內(nèi)容知識(shí)點(diǎn)的對(duì)比和分析，可知中學(xué)物理是大學(xué)物理的基礎(chǔ)，大學(xué)物理相對(duì)中學(xué)物理知識(shí)結(jié)構(gòu)、知識(shí)層次、研究方法是螺旋式上升，而不是簡單的重復(fù)。從中學(xué)物理知識(shí)過渡到大學(xué)課堂教學(xué)中，會(huì)讓學(xué)生既沒有陌生感，又感覺不是中學(xué)的重復(fù)，能激發(fā)學(xué)生繼續(xù)學(xué)習(xí)的興趣。

三、教學(xué)方式的改進(jìn)

中學(xué)階段，學(xué)時(shí)多，知識(shí)點(diǎn)少，物理教學(xué)主要側(cè)重訓(xùn)練學(xué)生的解題技巧，對(duì)于物理概念、規(guī)律及內(nèi)涵的理解，各個(gè)知識(shí)之間的聯(lián)系很少涉及。進(jìn)入大學(xué)階段，物理內(nèi)容多又難，課時(shí)少，在教學(xué)方式上更注重學(xué)生獨(dú)立學(xué)習(xí)能力，知識(shí)面的廣度、深度，思維方式，科學(xué)素養(yǎng)等方面的培養(yǎng)。因此，在大學(xué)階段需要通過適當(dāng)改變教學(xué)方式來使大學(xué)物理教學(xué)和中學(xué)物理教學(xué)有效銜接。

教學(xué)有多種形式，如翻轉(zhuǎn)課堂、混合式教學(xué)模式等，大學(xué)教師要通過不同的教學(xué)模式激發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)意識(shí)。在設(shè)計(jì)課堂教學(xué)的過程中，大學(xué)教師可在課前提出討論課題內(nèi)容，鼓勵(lì)學(xué)生利用各種手段查找相關(guān)的資料、論著，或者提前發(fā)一些材料、相關(guān)教學(xué)視頻給學(xué)生，讓學(xué)生提前查閱、整理材料，提出觀點(diǎn)或找出疑點(diǎn)，以提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和思考能力。還可在課堂中通過提問、分組討論等方式對(duì)學(xué)生進(jìn)行引導(dǎo)，并以中學(xué)的知識(shí)作為切入點(diǎn)，依據(jù)教學(xué)情境，讓學(xué)生從中學(xué)的“舊概念或規(guī)律”逐漸擴(kuò)展到大學(xué)的“新概念或規(guī)律”。

物理學(xué)中，電磁學(xué)各個(gè)概念之間不是孤立的，比如沒有電場(chǎng)的思想，就沒有電場(chǎng)強(qiáng)度、電勢(shì)的概念。學(xué)生如果脫離了概念之間的聯(lián)系來學(xué)習(xí)概念，會(huì)導(dǎo)致自身對(duì)整個(gè)電磁學(xué)體系乃至物理體系不能完整掌握。中學(xué)階段，學(xué)生建立的物理體系是有限的、離散的物質(zhì)世界，進(jìn)入大學(xué)階段，為了幫助學(xué)生建立起知識(shí)體系之間的聯(lián)系，筆者曾嘗試在翻轉(zhuǎn)課堂中設(shè)立教學(xué)情境。例如，在教學(xué)靜電場(chǎng)的過程中，筆者安排學(xué)生分組探討如何建立電場(chǎng)強(qiáng)度、電勢(shì)之間的聯(lián)系，如何建立起由庫侖定律推導(dǎo)出點(diǎn)電荷及點(diǎn)電荷系的電場(chǎng)強(qiáng)度公式，如何由電場(chǎng)強(qiáng)度電場(chǎng)的迭加原理推導(dǎo)出真空中電場(chǎng)的高斯定理和環(huán)量定理。

物理學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，物理規(guī)律的發(fā)現(xiàn)和物理理論的建立，必須以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)。無論中學(xué)或大學(xué)物理課程在教學(xué)過程中都安排了物理實(shí)驗(yàn)。在物理課程中，物理實(shí)驗(yàn)具有其他教學(xué)手段無法代替的作用，實(shí)驗(yàn)可幫助學(xué)生直觀理解一些晦澀難懂的物理概念或物理規(guī)律。在中學(xué)階段，各個(gè)地區(qū)各個(gè)中學(xué)的條件、硬件設(shè)備不同，部分學(xué)生從沒有或很少接觸到物理實(shí)驗(yàn)，導(dǎo)致他們?cè)趯W(xué)習(xí)物理概念或物理規(guī)律時(shí)往往死記硬背。在高校中，物理實(shí)驗(yàn)條件、設(shè)備有了保障，學(xué)生可以充分進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。如在混合式課堂教學(xué)中，教師可將物理實(shí)驗(yàn)實(shí)踐課和物理理論課相結(jié)合，使學(xué)生直觀觀察、體驗(yàn)具體的抽象的物理過程。

電磁學(xué)部分內(nèi)容相對(duì)抽象難懂，如電磁場(chǎng)中“場(chǎng)”的概念和思想、靜電場(chǎng)中電勢(shì)的概念，教師在演示實(shí)驗(yàn)時(shí)利用幾種典型的模型如點(diǎn)電荷、等量異號(hào)電荷，可以讓學(xué)生觀察靜電場(chǎng)分布現(xiàn)象，引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合實(shí)驗(yàn)原理解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。再如尖端放電和避雷針演示實(shí)驗(yàn)，能讓學(xué)生理解靜電平衡時(shí)導(dǎo)體的電荷分布與導(dǎo)體形狀實(shí)驗(yàn)原理的曲率半徑有關(guān)的結(jié)論。又如電磁阻尼是渦電流在磁場(chǎng)中所受安培力，筆者曾設(shè)計(jì)了電磁阻尼課堂實(shí)驗(yàn)，利用波爾振動(dòng)實(shí)驗(yàn)的磁阻尼振動(dòng)來研究電磁阻尼，教學(xué)反饋效果較好。

四、物理思維方法的應(yīng)用

物理思維，是指具有意識(shí)的人腦對(duì)客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)部規(guī)律性及物理事物間的聯(lián)系和相互關(guān)系的間接的、概況的和能動(dòng)的反映。趙紅認(rèn)為：教師除了向?qū)W生傳授知識(shí)，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的思維方式和思維能力。

物理學(xué)的思維方法有很多，包括比較和分類法、類比法、歸納法、演繹法、圖像與圖示法等。類比法是根據(jù)兩個(gè)或兩類對(duì)象之間在某方面屬性相同或相似而推出其他屬性上也可能相同或相似的一種推理方法。夏志廣認(rèn)為：找出新舊知識(shí)的聯(lián)系，通過類比講解，可引導(dǎo)學(xué)生由中學(xué)熟悉的知識(shí)聯(lián)系到新知識(shí)，幫助學(xué)生盡快接受新知識(shí)。以帶電體相互作用力的習(xí)題為例，面積為S的空氣平行板電容器，極板上分別帶電量±q，若不考慮邊緣效應(yīng)，問兩極板間的相互作用力為多少？每次總有學(xué)生答為q2/s著0。此處，學(xué)生將靜電場(chǎng)兩帶電體之間的作用力和電場(chǎng)疊加混淆，引用了中學(xué)課本帶電粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)思維，而電場(chǎng)又重疊考慮了疊加原理。在課堂中，筆者引用兩個(gè)點(diǎn)電荷之間的庫侖力相互作用進(jìn)行類比，電荷A對(duì)電荷B的作用力，就是電荷A的電場(chǎng)對(duì)電荷B的作用，平行電容板之間的作用力也應(yīng)如此，為q2/2s著0。學(xué)生們茅塞頓開，在電磁學(xué)學(xué)習(xí)過程中逐漸形成類比的思維方式。

再如，畢奧—薩伐爾定律對(duì)于學(xué)生來說是新知識(shí)，他們會(huì)在理解上存在困難。筆者在課堂上同樣利用類比思維，將畢奧—薩伐爾定律公式與庫侖定律公式進(jìn)行對(duì)比，相同點(diǎn)都是與距離平方成反比，與電流元大小成正比（電荷電量成正比）；不同點(diǎn)是一方面系數(shù)不同，電場(chǎng)強(qiáng)度系數(shù)是真空介電常數(shù)，磁感應(yīng)強(qiáng)度系數(shù)是真空磁導(dǎo)率，另一方面兩者方向的判斷方法不同，庫侖力的方向沿兩點(diǎn)電荷的連線方向，而畢奧—薩伐爾定律確定磁感應(yīng)強(qiáng)度方向利用右手螺旋定則。這樣的類比思維的應(yīng)用，能讓學(xué)生很快接受并掌握新知識(shí)。

圖像法是通過坐標(biāo)系將變量間的函數(shù)用圖像的方式表示出來的方法，圖像的幾何要素與一定的物理量相聯(lián)系。圖示法是用圖的方式將物理概念、物理現(xiàn)象或物理規(guī)律等表示出來的方法，是將物理與數(shù)學(xué)相結(jié)合，抽象與形象相結(jié)合，具有形象、直觀的特點(diǎn)。圖像圖示法在物理學(xué)中是常用的思維方法。靜電場(chǎng)的高斯定理是電磁學(xué)重要定理之一，應(yīng)用高斯定理可快速簡潔定量計(jì)算電荷分布球?qū)ΨQ、軸對(duì)稱、平面對(duì)稱的電場(chǎng)。高斯定理的證明及應(yīng)用在課堂中往往需要結(jié)合圖像圖示法。如均勻帶電球面的電場(chǎng)計(jì)算，首先應(yīng)分析均勻帶電球面的電場(chǎng)分布，對(duì)比物理中最典型模型之一———點(diǎn)電荷的電場(chǎng)分布，引導(dǎo)學(xué)生想象均勻帶電球面的電場(chǎng)分布，并畫出其電力線圖，選擇直角坐標(biāo)系并確定坐標(biāo)原點(diǎn)位于球心，下一步如何選取合適的高斯面問題就迎刃而解了。最后利用高斯定理，可快速地算出均勻帶電球面的電場(chǎng)類似點(diǎn)電荷的電場(chǎng)分布。

五、結(jié)語

綜上所述，在大學(xué)物理具體教學(xué)實(shí)施過程中，運(yùn)用對(duì)比法對(duì)兩個(gè)階段的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)要求進(jìn)行比較研究，可以幫助教師理清兩個(gè)階段的教學(xué)內(nèi)容銜接關(guān)系；采用形式多樣的教學(xué)方式創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境，可以使學(xué)生從大學(xué)物理和中學(xué)物理教學(xué)的銜接中順利走向大學(xué)物理的深度學(xué)習(xí)；在大學(xué)物理和中學(xué)物理教學(xué)的銜接中，加強(qiáng)物理思維方法的教學(xué)，十分有益于提高學(xué)生的思維能力。教學(xué)實(shí)踐表明，在大學(xué)物理教學(xué)中注重大學(xué)物理和中學(xué)物理教學(xué)內(nèi)容上的對(duì)比、教學(xué)方式上的改進(jìn)以及物理思維方法的應(yīng)用，可以在有限的教學(xué)學(xué)時(shí)內(nèi)最大程度地提高教學(xué)質(zhì)量，進(jìn)而幫助學(xué)生適應(yīng)大學(xué)物理課程，助力他們成長成才。

參考文獻(xiàn)：

[1]梁昆淼.引導(dǎo)一年級(jí)大學(xué)生適應(yīng)學(xué)習(xí)上的轉(zhuǎn)變[J].大學(xué)物理，1984（01）.

[2]張大昌，等.高中物理選修3-1，3-2[M].北京：人民教育出版社，2010.

[3]趙近芳，王登龍等.大學(xué)物理學(xué)（下）[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社， 2017.

[4]宋國利，梁紅，蘇春艷.大學(xué)物理課程與中學(xué)物理課程有效銜接方式的研究[J].物理與工程，2012（01）.

[5]牛曉娟.電磁學(xué)課堂教學(xué)方法改革初探[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2012（05）.

[6]朱文輝，李世霆.從“程序重置”到“深度學(xué)習(xí)”———翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)實(shí)踐的深化路徑[J].教育學(xué)報(bào)，2019（15）.

[7]劉金梅，王向暉，尹亞玲，鄧?yán)?混合教學(xué)模式在大學(xué)物理課程教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].物理與工程，2020（04）.

[8]辛春雨.庫侖定律教學(xué)與實(shí)施素質(zhì)教育[J].長春師范學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006（02）.

Research on the Connection between College Physics Electromagnetism Teaching and Senior Middle School Physics

Li Na *， Yu Xuehong， Wu Zhiyu

（SchoolofScience，HainanUniversity，Haikou，Hainan570228，China）

Abstract： The content of electromagnetism is one of the important components of physics curriculum. It is not only the key part of college physics curriculum， but also the most important learning content of senior middle school physics curriculum. College students believe that it is a common view that electromagnetism is difficult to learn， and it is particularly important to solve the difficult problems of electromagnetism. In order to improve the teaching and learning quality of college physics courses， this paper takes the electromagnetics part as the research object， and discusses the connection ways between college physics courses and middle school physics courses from three perspectives： the comparison of teaching contents， the improvement of teaching methods and the application of physical thinking methods， so as to improve the teaching quality of college physics and improve the students physical knowledge system.

Key words： collegephysics；electromagnetics； senior middleschoolphysics；curriculumconnection