浅谈物理图像在《电磁学》教学中的应用
【摘要】《电磁学》是物理专业一门十分重要的基础课，涉及较多的后续课程。通过多年来的教学实践，笔者发现建立物理图像，抓住物理本质，提高学生的学习兴趣对于《电磁学》教学质量的提升具有十分重要的意义。
【关键词】物理图像 电磁学 教学方法改革
【中图分类号】G633.7 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2016）09-0171-02
近年来随着就业压力的增大，填报物理师范专业志愿的学生越来越少，生源的素质有所下降。此外，为了提高师范生的就业技能，留出更多的时间用于教育和生产实习，许多原本属于高年级的课程下放到低年级学习。在这样的背景下，教师的授课难度越来越大。《电磁学》是一门物理学专业的核心必修课，涉及较多的后续课程，例如《电动力学》、《电介质物理和器件》和《电路分析基础》等。通过多年来的教学实践，笔者发现建立物理图像，抓住物理本质，提高学生学习物理的兴趣对于《电磁学》教学质量的提升具有十分重要的意义。
什么是物理图像？不同的学者对这一概念的理解各有偏差。在大学物理中，物理图像不仅指两个物理量之间的函数关系，还指数学公式的物理内涵或物理过程演绎的规律性。通俗来讲，是指在学习物理公式的过程中脑子里建立的“画面感”——就是把事物之间的联系从理性认识变成感性认识最后固化成物理直觉。对于刚刚学了高等数学，并利用微积分等数学知识来演绎物理规律的学生而言，建立物理图像是很困难的。为了使低年级本科学生建立起清晰的物理图像，我们认为应当加强以下几个方面的工作：
一、物理规律与数学知识的有机结合
作为一名学习物理的学生，不应当将物理当成应用数学。数学是为了表达物理量之间的关系而引入的，而不是为了做计算引入的。例如，电磁场的麦克斯韦方程组，积分形式、微分形式乃至张量形式，从数学角度来说是截然不同的东西。从物理角度来说，尽管所用的数学语言越来越抽象，实际上表达的都是电场磁场的内在联系，物理图像上没有什么差别。物理学是实验现象和实验规律的总结，在授课过程中，教师应当尽可能先展示实验现象，让学生自己去总结物理规律，以建立初步的物理图像，这样才不会迷失于越来越复杂的数学推导。举例来说，在学习磁场的过程中，通过实验展示，学生很快会发现每一条磁感线都是闭合的。他们很容易接受“磁场是无源场”这一概念。然后在推导高斯定理时，因为磁场的无源性，对于一个封闭的曲面，不存在“磁单极子”接收磁感线，进去一条磁感线，必然会出来一条磁感线，因此磁场的高斯通量为零。然后通过严格的数学推导，将高斯定理的积分形式转变为微分形式，即磁场的散度为零。以后，学生在听到“散度为零”时，他就懂得里面存在一个无源的矢量场。这样，本来是基于实验得到的物理图像就变成基于数学公式联想到的物理图像，达到数学与物理有机结合的目地。从认知规律的角度，这是一种认知层次的提升。
二、物理抽象规律和过程的“可视化”
在学习电磁学的过程中，电场和磁场因为分别引入了电场线和磁感线作为形象化的手段，学生比较容易想象物理量的大小和方向。但是有些物理量比如能量，既看不见也摸不着也没有“能量线”之类的辅助手段，在授课过程中又如何让学生较好地掌握其物理图像呢？电磁学关于能量的学习一直是难点之一，涉及的能量种类繁多，包括点电荷体系的自能和互能、导体组的能量、电容器的储能以及通电线圈的储能等。例如贾起民等编著的《电磁学》一书中有近十处章节提及能量的问题[1]，其它如赵凯华版[2]和梁灿彬版[3]的《电磁学》也多次提及能量的问题，而且这些章节遍布全书。如果学生不明确每种能量说明的物理图像，不了解这些物理图像之间的联系和差别，只是死记硬背公式，一定会弄得头昏脑胀，甚至张冠李戴。因此，我们曾尝试依照循序渐进的规律，不拘泥于课本安排的授课顺序，将电场能量和磁场能量分别作为两个单独的体系，从学生熟悉的知识点——力作功和能量守恒定律出发，得到各种电荷体系的静电能量的场源表示形式，再经过数学推论得到能量密度的表示形式并推广到极化电场的情形，从中揭示了电场能量的物理本质。对于磁场能量也作了类似处理，最后水到渠成得到了电磁场的能量密度及能流的坡印亭矢量。在授课过程中，因为针对的是同一个知识点的变迁和演化，学生通过类比，容易针对每一种能量建立清晰的物理图像，而且在教学过程中，培养了学生的物理分析能力和数学逻辑思维能力，已初步取得了良好的教学效果。
综上所述，研究物理图像对本科教学的促进作用，将抽象的物理概念和规律具体化，使学生更好地掌握和理解电磁学的概念和规律是值得思考和有意义的问题。
参考文献
[1]贾起民，郑永令，陈暨耀.电磁学（第二版）[M].北京：高等教育出版社，2001.
[2]赵凯华，陈熙谋.电磁学[M].北京：高等教育出版社，2003.
[3]梁灿彬，秦光戎，梁竹键.（第二版）[M].北京：高等教育出版社，2004.
基金项目：
江苏省教育厅教学改革研究重点项目（2015JSJG058），苏州科技学院校级重点专业应用物理学专业建设项目（2013ZYXZ-08）。
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