基于演示實(shí)驗(yàn)的電磁學(xué)課堂教學(xué)改革

陳苗根+于明州+焦志偉

摘要：本文介紹了中國(guó)計(jì)量大學(xué)物理系基于演示實(shí)驗(yàn)的電磁學(xué)課堂教學(xué)改革。我們實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，在電磁學(xué)課堂教學(xué)過(guò)程中，引入實(shí)物演示實(shí)驗(yàn)和視頻動(dòng)畫(huà)演示實(shí)驗(yàn)，極大地改善了課堂教學(xué)效果，提高了教學(xué)質(zhì)量，而且?guī)熒P(guān)系也得到了加強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：演示實(shí)驗(yàn)；電磁學(xué)；教學(xué)改革

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2017）02-0269-02

一、現(xiàn)實(shí)背景

美國(guó)物理學(xué)家密里根曾說(shuō)過(guò)：“科學(xué)靠?jī)蓷l腿走路，一是理論，一是實(shí)驗(yàn)；有時(shí)一條腿走在前面，有時(shí)另一條腿走在前面。只有使用兩條腿，才能前進(jìn)。”物理學(xué)是一門(mén)集理論和實(shí)驗(yàn)的綜合性學(xué)科，其中許多的物理規(guī)律就是在實(shí)驗(yàn)中被發(fā)現(xiàn)、總結(jié)、驗(yàn)證。而電磁學(xué)是物理學(xué)本科專(zhuān)業(yè)的必修課程，同時(shí)也是一門(mén)基于實(shí)驗(yàn)的主干課程。它是物理學(xué)的一個(gè)重要分支，是研究電和磁的相互作用現(xiàn)象，其內(nèi)容主要包含電現(xiàn)象、磁現(xiàn)象和電磁現(xiàn)象，其知識(shí)體系具有一定的抽象性，許多物理原理的解釋必須要借助實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象才能有深刻地理解。此外，電磁學(xué)的知識(shí)部分是比較枯燥的，教學(xué)過(guò)程中存在一定的難度，學(xué)生們聽(tīng)課也容易產(chǎn)生畏懼情緒，進(jìn)而會(huì)影響教學(xué)質(zhì)量。

在過(guò)去很長(zhǎng)一段時(shí)間里，國(guó)內(nèi)的課堂教學(xué)模式，一般采用講授法，即老師在講臺(tái)上講，學(xué)生在下面聽(tīng)，而且唯書(shū)本是從，忽略了實(shí)踐動(dòng)手操作的重要性，對(duì)實(shí)驗(yàn)的重視程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，在實(shí)際的課堂教學(xué)環(huán)節(jié)中很少有實(shí)驗(yàn)教學(xué)的出現(xiàn)。在這樣的背景下，想要在課堂教學(xué)過(guò)程中推廣演示實(shí)驗(yàn)具有一定的難度。但是課堂教學(xué)演示實(shí)驗(yàn)具有獨(dú)特的知識(shí)性、趣味性、示范性和實(shí)踐性，對(duì)學(xué)生的理解和動(dòng)手能力的培養(yǎng)有很大的幫助。

近期，隨著多媒體技術(shù)在教學(xué)中的廣泛應(yīng)用，教師不再局限于用它來(lái)展示物理概念、規(guī)律的文字描述以及公式的推導(dǎo)，也逐漸引入一些物理過(guò)程的視頻動(dòng)畫(huà)等來(lái)代替實(shí)物操作的演示實(shí)驗(yàn)，在一定程度上改善了課堂教學(xué)效果。而在國(guó)外，很多大學(xué)如麻省理工學(xué)院的物理教學(xué)過(guò)程中，通過(guò)助教配合，運(yùn)用道具演示一些比較簡(jiǎn)單且容易實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)，使得學(xué)生更加直觀地來(lái)理解物理概念或者含義。我們不難發(fā)現(xiàn)，在物理課堂教學(xué)中引入演示實(shí)驗(yàn)，其重要性是顯而易見(jiàn)的。另外，隨著演示實(shí)驗(yàn)在大學(xué)課堂教學(xué)中的作用日益凸顯，對(duì)其進(jìn)行的研究也越來(lái)越多。

二、研究意義

正如前面所說(shuō)，物理學(xué)是一門(mén)以觀察和實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，物理學(xué)的概念、規(guī)律及公式等往往是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的。因此物理教學(xué)實(shí)驗(yàn)就成了物理學(xué)課堂教學(xué)不可或缺的組成部分。傳統(tǒng)意義上的物理教學(xué)實(shí)驗(yàn)主要可以分為探究性實(shí)驗(yàn)與演示性實(shí)驗(yàn)。兩者之間最主要的區(qū)別是實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡牟煌?。探究性?shí)驗(yàn)要求學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與操作，目的在于加強(qiáng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思維能力與實(shí)際動(dòng)手操作能力。與之相對(duì)，演示性實(shí)驗(yàn)更多的是教師在教授物理學(xué)的概念、規(guī)律及公式的同時(shí)向?qū)W生演示相關(guān)實(shí)驗(yàn)，這類(lèi)實(shí)驗(yàn)一般要求實(shí)驗(yàn)可操作性強(qiáng)以及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，目的在于加深學(xué)生對(duì)于其物理概念、規(guī)律及公式的理解與記憶。

目前對(duì)于物理課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)這一塊的教學(xué)模式仍然是非常的單一，往往只注重課堂教學(xué)，而不注重物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)。這不僅與有些院校不夠重視物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)有關(guān)，還有就是沒(méi)有真正認(rèn)識(shí)到物理實(shí)驗(yàn)的本質(zhì)作用。另外，僅僅把物理實(shí)驗(yàn)當(dāng)作一種課堂訓(xùn)練或是一種技能是不夠的。演示實(shí)驗(yàn)是作為教學(xué)中的一項(xiàng)重要教學(xué)內(nèi)容。通過(guò)理論講解和演示實(shí)驗(yàn)的結(jié)合，它可以實(shí)現(xiàn)一些抽象的物理現(xiàn)象或物理活動(dòng)的再現(xiàn)，從而加強(qiáng)學(xué)生對(duì)抽象物理活動(dòng)和物理現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)和理解，幫助學(xué)生掌握和歸納物理規(guī)律，還能培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力和邏輯思維能力，進(jìn)而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。

三、改革與實(shí)踐

電磁學(xué)的課堂教學(xué)從研究對(duì)象及內(nèi)容上相對(duì)于物理學(xué)的其他分支有著更大的挑戰(zhàn)性，這主要體現(xiàn)在電磁學(xué)的概念更加抽象，規(guī)律及公式更加深?yuàn)W，相關(guān)的物理現(xiàn)象也更加復(fù)雜。這不僅對(duì)學(xué)生的理解能力提出更高的要求，客觀上也加大了教師的教學(xué)難度。傳統(tǒng)的電磁學(xué)教學(xué)模式是教師在課堂上講解，學(xué)生被動(dòng)地在聽(tīng)，這個(gè)模式是以教師為中心的一種教學(xué)模式，這種方法是有諸多弊端的。雖然教學(xué)過(guò)程中可能有師生互動(dòng)的情節(jié)，但是通過(guò)實(shí)際的課堂教學(xué)反饋，發(fā)現(xiàn)了很大一部分學(xué)生在電磁學(xué)理論的學(xué)習(xí)上遇到了比較大的困難。

因此，對(duì)電磁學(xué)課堂教學(xué)的改革就顯得尤為重要，我們?cè)谥袊?guó)計(jì)量大學(xué)物理系的電磁學(xué)課堂中引入了演示實(shí)驗(yàn)，其中包括實(shí)物操作和視頻動(dòng)畫(huà)演示實(shí)驗(yàn)，將理論教學(xué)與演示實(shí)驗(yàn)相結(jié)合。通過(guò)這種教學(xué)模式與傳統(tǒng)的教學(xué)模式進(jìn)行對(duì)比，就可以清楚地知道實(shí)行課堂改革之后的效果和作用。針對(duì)電磁學(xué)的教學(xué)內(nèi)容，我們通過(guò)以下三個(gè)部分來(lái)具體分析。

1.電學(xué)演示實(shí)驗(yàn)在課堂教學(xué)中的作用。相對(duì)于電磁學(xué)的其他分支，電學(xué)本身包含的難點(diǎn)并不是很多，但電學(xué)是電磁學(xué)的基礎(chǔ)，對(duì)電學(xué)的學(xué)習(xí)是整個(gè)電磁學(xué)的入門(mén)階段，在這一階段，學(xué)生還未形成對(duì)電磁學(xué)特有的認(rèn)知，也沒(méi)有形成特定的思維方式，所以往往在理解電磁學(xué)概念時(shí)表現(xiàn)出一定的主觀性、片面性和表面性。針對(duì)這些問(wèn)題，我們引入了避雷針演示實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生尖端放電現(xiàn)象，從而幫助學(xué)生加快電學(xué)知識(shí)的認(rèn)知及加深對(duì)于電學(xué)概念的理解。

2.磁學(xué)演示實(shí)驗(yàn)在課堂教學(xué)中的作用。在這個(gè)電磁學(xué)理論中磁學(xué)部分占了相當(dāng)大的內(nèi)容，并且磁學(xué)的內(nèi)容比之前的電學(xué)難度更大，故而磁學(xué)演示實(shí)驗(yàn)在課堂教學(xué)中的作用更加突顯。在實(shí)際教學(xué)環(huán)節(jié)中，我們引入安培力演示實(shí)驗(yàn)，學(xué)生就很容易明白通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中是怎么受到磁場(chǎng)力的作用的。對(duì)于課堂里比較難做的實(shí)驗(yàn)，我們用視頻動(dòng)畫(huà)演示，然后做進(jìn)一步的講解和討論。

3.電磁學(xué)演示實(shí)驗(yàn)在課堂教學(xué)中的作用。在電磁學(xué)學(xué)科發(fā)展歷史中，電磁感應(yīng)現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)之后，原本兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的學(xué)科——電學(xué)與磁學(xué)，發(fā)展成為了一個(gè)密不可分的整體。從這個(gè)意義上講，在現(xiàn)在及未來(lái)很長(zhǎng)的一個(gè)歷史階段，經(jīng)典電磁學(xué)研究的重點(diǎn)將是有關(guān)電與磁的相互聯(lián)系以及相互作用。結(jié)合這樣的一個(gè)大背景，對(duì)于電磁學(xué)的學(xué)習(xí)不僅要重視電學(xué)與磁學(xué)的學(xué)習(xí)，更重要的是在此基礎(chǔ)上對(duì)電磁相互作用的學(xué)習(xí)。但電和磁一相互作用，在實(shí)際教學(xué)環(huán)節(jié)中，我們發(fā)現(xiàn)學(xué)生就很難來(lái)理解其物理概念或者含義。所以我們引入多個(gè)課堂演示實(shí)驗(yàn)，例如引入楞次定律演示實(shí)驗(yàn)來(lái)理解磁場(chǎng)的變化是如何產(chǎn)生電的。另外，也引入多個(gè)視頻動(dòng)畫(huà)演示，使得學(xué)生直觀地理解相關(guān)的物理概念或者含義。

通過(guò)實(shí)踐，我們發(fā)現(xiàn)，在課堂上經(jīng)過(guò)教師對(duì)物理知識(shí)的講解和梳理，再結(jié)合簡(jiǎn)單方便、直觀明了、形象生動(dòng)的物理演示實(shí)驗(yàn)，將這些抽象、復(fù)雜的物理過(guò)程或現(xiàn)象展現(xiàn)在學(xué)生面前，能夠讓學(xué)生切身地感受到電磁學(xué)在生活中的存在，從而有效地幫助學(xué)生理解并掌握其中的相關(guān)知識(shí)，從而極大地改善課堂教學(xué)的效果。另一方面，演示實(shí)驗(yàn)可以將抽象理論概念轉(zhuǎn)化為直觀的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象呈現(xiàn)給學(xué)生，進(jìn)一步地引導(dǎo)學(xué)生思考和探索問(wèn)題，從而提高了課堂的教學(xué)質(zhì)量，學(xué)生的學(xué)習(xí)效率也有了很大的提高。與此同時(shí)，以演示實(shí)驗(yàn)觀察提高理論水平，拓寬了學(xué)生的想象思維，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力也起了一定的作用。此外，通過(guò)講解和演示，師生之間的這種教與學(xué)的親密性、互動(dòng)性也得到了加強(qiáng)，學(xué)生更愛(ài)學(xué)，老師更愛(ài)教。

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Classroom Teaching Reform of Electromagnetics Based on Demonstration Experiments

CHEN Miao-gen，YU Ming-zhou，JIAO Zhi-wei

（Physics Department，China Jiliang University，Hangzhou，Zhejiang 310018，China）

Abstract：The course teaching reform of electromagnetics based on the demonstration experiments in Physics Department of China Jiliang University is presented in the paper. We find that the classroom effect and the quality of teaching have been greatly improved and the relationship between the teacher and students has been strengthened，after the introduction of the demonstration experiments including practical operation and animation video demonstration in the course teaching of electromagnetics.

Key words：demonstration experiments；electromagnetics；teaching reform