从电磁学内容探讨高中与大学的物理教学衔接*

于 军 朱伟玲 吴登平

(广东石油化工学院 广东 茂名 525000)

《普通高中物理课程标准(实验)》[1](以下简称“新课标”)的颁布与实施是进入新世纪后我国基础物理教育的一次深层次的彻底革命，它正深深影响着每一所高中、每一位教师乃至每一位学生.2004年12月由教育部高等学校非物理类专业物理基础课程教学指导委员会分委会提交的《非物理类理工学科大学物理课程教学基本要求》[2](以下简称“基本要求”)正式发布，“基本要求”从课程的地位、作用和任务、教学内容基本要求；能力培养基本要求；素质培养基本要求；教学过程基本要求；有关说明等6个方面对非物理类理工科大学物理课程的开设提出了基本要求，它是一份指导性文件.高中物理“新课标”与大学物理“基本要求”形式上有差异，但其指导思想是一致.在这两份纲领性文件的指引下，高中物理[3]与大学物理[4]应该可以有效衔接.

本文仅以电磁学内容为例，探讨在“新课标”高中物理基础之上，如何更合理、有效地搞好大学物理理论课的教学.

1 模块主题的异同

电磁学内容在高中“新课标”里占有两个模块，“选修3-1”与“选修3-2” (我校理工类学科在校大学生高中阶段物理课程大多选修“选修3-1”与“选修3-2”模块，以下讨论如不特别说明，均指这两个模块). “选修3-1”模块划分为三个二级主题，电场、电路、磁场；“选修3-2” 模块也划分为三个二级主题，电磁感应、交变电流、传感器.大学物理通常将电磁学作为一个模块，按其内容又被分为四个主题，电场(含导体与电介质)、磁场(含磁介质)、电磁感应(含暂态过程、电磁场与电磁波)、恒定电流电路.

从模块主题看，电磁学在高中阶段与大学阶段还是具有基本对应关系的，两个阶段都有电场、磁场、电磁感应、电路等电磁学方面的重要而基础性主题，这种良好的对应关系为两个阶段的教师教学与学生学习活动的有效衔接创造了基础,提供了线索.在各相应模块主题范围内进行的衔接应当是最直观、有效的，也是最简单易行、便于操作的.下面，我们就以上两个阶段共有的四个主题进行探讨.

2 内容与知识点的异同

2.1 电场主题

相同点主要有电荷及其量子化与守恒律、点电荷、实验电荷、库仑定律、静电场、电场强度、电场叠加原理、电场线、电势差、电势、电场线与等势面的关系、电场与电势的关系、带电粒子在电场中的运动、电容器及其作用、静电的应用.

不同点主要是大学阶段比高中阶段多出以下内容即电偶极子及其电场、电偶极矩及其所受电场的扭转力矩、电场强度通量、高斯定理(含介质下的高斯定理)、环路定理、电势叠加原理、电势梯度、静电场中的导体与电介质、电场的能量与能量密度、电容器的串并联.

2.2 磁场主题

相同点主要有基本磁现象(含奥斯特实验)、磁场、磁感应强度、磁感线、安培分子电流假说、安培力及应用、磁通量、洛伦兹力及应用.

不同点主要是大学阶段比高中阶段多出以下内容即毕奥-萨伐尔定律及应用、磁偶极子(磁偶极矩及其所受磁场的扭转力矩)、运动电荷的磁场、磁场的高斯定理与安培环路定理及其应用、磁介质、磁化强度、磁场强度、磁介质中的环路定理、铁磁质的相关概念与应用.

2.3 电磁感应主题

相同点主要有电磁感应现象、法拉第电磁感应定律及应用、楞次定律、感应电动势、感应电流、自感现象及应用、涡电流及应用.

不同点主要是大学阶段比高中阶段多出以下内容即感应电动势中的非静电力(动生与感生)、互感现象及应用、暂态过程(电路)、磁场能量及能量密度、涡旋电场与位移电流、麦克斯韦方程组的积分形式、电磁场与电磁波谱(其中“电磁场与电磁波”的内容在高中阶段属于“选修3-4”模块的一个二级主题，实际调查表明该模块很少有学生选修).

2.4 电路主题

相同点主要有电阻率、欧姆定律、电动势、电感元件与电容元件对变化电流的作用等.

不同点主要由两个方面构成.一是大学阶段比高中阶段多出的内容即电流密度、连续性方程、稳流条件、欧姆定律微分形式、基尔霍夫定理、暂态电路；二是高中阶段比大学阶段多出的内容即电阻定律、电阻的串并联、路端电压与负载的关系、多用电表的原理与使用、电功、电功率、焦耳定律、门电路、集成电路、交变电流及其描述、交流电的周期、频率、峰值、有效值、低频扼流圈、高频扼流圈、隔直电容器、高频旁路电容器、变压器、远距离输电等.

从以上四个主题的对比看，前三个与电磁场紧密联系的主题中，大学物理的内容与知识点远多于高中阶段.这主要是由于大学物理侧重于让学生了解电磁场这种物质形态的研究方法及其基本规律.而高中阶段更侧重于让学生了解电磁场的基本知识(常识)及应用.在电路主题中高中阶段的内容与知识点似乎要多于大学物理，其实这是一个错觉.在大学阶段理工类专业一般都要开设专门的课程，如电工学、电子线路、电路分析及相关实验等，那些应用性强的内容都被并入了应用型课程之中.大学物理仅将那些与电磁理论密切联系的电路知识列入其中，一是为电磁理论的讲授服务；二是为后续应用型课程提供理论支撑.这恰好说明物理学课程在中学、大学不同阶段被赋予的内涵与开课目的是有区别的,即大学阶段是较为纯粹的基础理学学科，它一方面为学生提供基本的世界观、方法论与科学素养培育，另一方面它又肩负着为其他应用学科提供必须的基础理论支撑；与此相比中学阶段的物理更多被赋予了工程与自然常识学科的使命.这种“使命”上的差别是每一个物理教育者与学习者都应十分清楚的，否则大学物理课程的开设不可能取得应有的效果，也不可能达到课程开设的目的.

3 大学物理电磁学内容知识点处理的若干建议

内容知识点的处理原则是所有知识点的讲授都应该是有目的的，授课方法、过程、手段等都应该为“目的”服务，授课效果也应从是否达到“目的”来评价.

3.1 与高中阶段共有知识点的处理

对那些与高中阶段共有知识点处理的建议为既不能轻易忽略，为后续课程学习造成障碍，也不能劳而无功，仅仅是高中的翻版.

该类知识点分两种情况,一是知识点相同,教学要求相近；二是知识点相同,教学要求不同.以上建议在第二种情况下是容易做到的，但还应做到重点突出，详略得当.如“电场强度的计算”应将连续带电体中的“叠加(积分)法”作为重点讲透.再如，“电场线”概念在高中阶段仅要求用它的疏密分布与方向描述场强大小与电势高低；在大学物理中更应重点强调其“有头有尾，非闭合性”，为学生对静电场有源无旋性质及高斯定理、环路定理的直观理解创设必要的物理图像.在第一种情况下应特别关注那些与后续内容有密切关联的知识点，千万不可轻易忽略掉，可以选择精讲(串讲)达到教学目的即可，或在原高中基础之上有所侧重.如电场部分的电荷及其量子化与守恒律、点电荷、实验电荷、库仑定律等知识点就属于“知识点相同,教学要求相近”的情况.这些概念出现于电磁学的第一节课，在课时紧张的情况下有些教师对这些概念的讲授未给予充分重视，往往一带而过.这样做的结果会对后续内容学习造成障碍.用高斯定理分析导体存在时的静电场分布是静电场内容里常见且重要的一类问题，该类问题分析时常离不开电荷守恒律，这就要求学生对电荷守恒律必须要熟悉，且有强烈应用意识.对“点电荷、实验电荷”这两个概念没有理解到位，一定会对“电场及其点函数描述方法”不理解，进而影响到对电场强度、电势分布函数的理解.“库仑定律”是静电场的一条最为基础的规律，它的存在导致了高斯定理与环路定理的成立，进而导致了电磁学理论的成立.对此知识点既不能不讲，也不能仅仅是高中的翻版.讲解时可突出其矢量性，为“电场强度矢量性”的理解服务.也可突出库仑力是对“点”电荷的作用力，从而为“电场强度是空间位置点函数”，“静电场是有源场、径向场”，“静电场力是径向力”的理解作铺垫.还可侧重库仑定律提出的历史过程，为电磁学常用的科学方法——“类比法”服务，进而也为力学部分惯用方法——“叠加(积分)法”顺利引人电磁场的研究进行了铺垫.

3.2 大学物理特有知识点内容的处理

对那些高中阶段没有，大学阶段才出现的知识点处理的建议为尽可能从学生熟悉的知识点“生长”出来，从学生熟悉的物理图像中寻求理解之道.

例如，电场强度通量、磁感应强度通量可以从学生熟悉的电场线、磁感线的空间分布“生长”出来，照此线索再“生长”下去就给出了静电场的高斯定理与磁场高斯定理.磁场的环路定理可以从磁感线 “无头无尾的闭合性”逐步“生长”出来；静电场的环路定理可从“保守力做功”“生长”出来；将电流场与电场作类比可从电场强度“生长”出电流密度；从电场强度通量“生长”出电流强度；从场源的数学表述“生长”出稳流条件……教学内容采用“生长”的方法，有利于学生对新知识的学习；有利于学生对课程整体的把握；有利于学生对知识体系内部脉络的认识.当然，“生长”一定要自然，自然就体现在顺势而为，所以，教学的艺术就是“势”的营造艺术.高斯定理与环路定理是电磁学的核心内容，大多数学生记住了它们的内容，了解了它们在解题中的应用，却无法理解它们的数学形式，为什么一定是(他们不熟悉、不喜欢的)闭合(曲面、曲线)积分形式？对此，学生熟悉的流体运动形成流速场的营造是恰当的.对流体流出的“源”及流体流入的“汇”(可看作负源)的定量讨论，产生了矢量场中的闭合曲面积分，对流速场中涡旋的讨论又导致了矢量场中的闭合曲线积分的出现.“源”与“旋”对矢量场的影响是重大且无法回避的.由此可见，矢量场特点由闭合(曲面、曲线)积分形式反映，是自然规律本身决定的，并非人类强加.同时,我们还要看到,自然规律的表现形式可能是多种多样的，要像遵重规律本身一样尊重它的表现形式，而不能随个人而好恶.

3.3 注重对数学工具的运用

微积分与矢量运算的讲解以及注重对物理科学方法的提炼总结是大学物理教学中非常重要的方面，篇幅所限，不再赘述.

4 结语

“新课标”的颁布与实施，对提高我国基础教育水平将起到极大的推动作用，它将引起高中物理教学理念与方式的重大变革，同时，也会引起学生学习习惯与方式的较大转变.最近两三年升入大学学习的新生就应该是“新课标”的首批“产品”，即将为这些“产品”授课的大学物理教师们对授课对象又了解多少呢？从年龄层次看，我国各高校大学物理骨干教师大多在21世纪七八十年代接受的高中教育，几十年来，由于机制等原因，他们中的大多数对中学的变化了解甚少，以至于他们脑海中的中学就是20世纪七八十年代的中学.近些年，大学物理教学质量的滑坡，原因是多方面的，教师不了解学生应是原因之一.

参考文献

1 中华人民共和国教育部. 普通高中物理课程标准(实验). 北京: 人民教育出版社,2003

2 教育部高等学校非物理类专业物理基础课程教学指导分委员会. 非物理类理工学科大学物理课程教学基本要求.物理与工程,2006,16(5)：1～8

3 广东基础教育课程资源研究开发中心物理教材编写组. 普通高中课程标准实验教科书《物理·选修3-3》(第一版).广州： 广东教育出版社,2005

4 梁灿彬. 电磁学(第二版). 北京：高等教育出版社,2004