电磁学理论教学与实验如何有效结合的思考

李智华 陆培祥

(华中科技大学物理学院，湖北 武汉 430074)

电磁学理论教学与实验如何有效结合的思考

李智华 陆培祥

(华中科技大学物理学院，湖北 武汉 430074)

电磁学是一门与实验紧密相关联的理论课程。笔者在多年从事电磁学教学过程中，对电磁学理论教学和实验教学如何有效结合，进行较深入的思考与实践，其中包括大学物理实验课程中的电磁学实验与电磁学课程理论教学内容协调统筹设置和安排,电磁学理论教学与课堂演示实验的有效配合,设置电磁学设计性实验与电磁学理论教学相结合，以及建设电磁学专业实验室的必要性。

电磁学课堂教学；电磁学实验；设计型电磁学实验；电磁学理论教学与实验结合

电磁学课程是高等学校物理学科专业的核心基础课，也是很多交叉学科必修的重要课程[1-3]。纵观电磁学理论的发展历程，电磁学毫无疑问是一门与实验紧密相关联的理论课程。在电磁学理论教学过程中，如果能够有效设计相关的实验，以配合电磁理论的教学，不仅有益于帮助学生构建起电磁学理论的知识体系，牢固掌握和应用相关知识，而且对激发学生的学习兴趣，促进学生创新思维能力的培养将非常有帮助[4，5]。因此，高校的电磁学主讲教师，深入思考电磁学的理论与实验教学如何有效有机结合，是非常有必要，也是非常重要的一件事情。笔者在多年电磁学教学过程中，对电磁学理论和实验教学有几点心得，写出来与大家分享，敬请批评指正，以期不断完善提高。

1 大学物理实验课程中电磁学实验与电磁学理论教学的统筹安排

很多高校都有大学物理实验课，大学物理实验课程中的电磁学实验相关的内容最好与电磁学课程理论教学内容协调统筹设置和安排。为什么这样统筹规划要好呢？大家都知道，大学物理实验课程包含力学、热学、声学、电磁学、光学等诸多实验，将诸多实验安排在一门课中，而且集中在一两个学期让学生完成，一般很难顾及到学生在要求完成相应的实验项目之前，是否学生已经学习掌握了相关的理论知识，这直接导致实验效果不理想，学生囫囵吞枣应付了事，不仅没有真正达到开设该实验项目的目的，而且对培养学生养成科学严谨的实验态度是无益的。能够料想大学物理实验课程时学生评教认为效果不好、教学质量欠佳的课程了，事实也确实如此。但是，如果把实验内容和相关的理论知识的教学能统筹协调安排就大不一样了。比如，在要求学生完成“霍尔效应与应用设计”实验之前，如果学生刚好在电磁学理论教学的课堂上掌握了“带电粒子在电磁场中的受力及运动规律”，这个实验对学生来说就是手到擒来了，不仅起到了加深巩固理论知识的作用，而且还对其进行了应用设计及扩展。再如，在学生做“磁化曲线和磁滞回线的测量”的实验之前，如果事先在电磁学理论课堂上清楚了“不同介质的磁化规律和特性”，相信同学们在完成该实验时一定是饶有兴趣而且信心满满了。理论和实验教学的目的和效果的达成当然较之前述的方式要好许多了。

2 电磁学理论教学与课堂演示实验需要有效配合

电磁学理论教学与课堂演示实验需要有效配合[3-5]。电磁学实际也是一门实验科学，电磁学理论课堂上配合以演示实验，不是哗众取宠。电磁学的很多演示实验需要精心设计，以配合电磁理论的教学。谈及“精心设计”是非常有必要的，主要体现在以下几个方面。

1) 电磁学的演示实验不是越多越好。电磁学的演示实验的目的是要帮助学生掌握相关的理论知识，激发学生主动思考去发现问题解决问题。比如目前对磁学部分，我们有以下系列实验，实验1：法拉第电磁感应现象、巴比伦、平行通电长直导线间的相互作用；实验2：手摇交直流发电机、互感现象；实验3：自感与介质磁导率的关系、自感现象、巴克豪森效应；实验4：热磁轮、趋肤效应、涡流阻尼摆；实验5：电磁感应现象、电磁驱动、楞次定律；实验6：磁滞回线、电磁热效应；实验7：磁聚焦、洛伦兹力及电子阴极射线实验、载流导线在磁场中的运动；实验8：电磁悬浮实验；实验9：电磁波的发射与接收。实验的形式多样，有的是实际演示装置，有的是模拟动画，有的是实验录像。对这些实验我们并不是把所有能演示的都搬到课堂。比如课堂内容讲到法拉第电磁感应现象和定律时，相关的演示实验很多，常选实验现象明显直观的通电螺线管和磁铁、手摇发电机来演示即可，对其他相关的实验，可以安排学生进入实验室亲手实验(图1)。演示实验的量切不可过多，过多了就喧宾夺主，冲淡了演示实验为理论教学服务的目的。

图1 学生在实验室亲手实验

图2 电磁波的发射与传播演示

2) 电磁学演示实验项目得精选，以扣准所要表述的电磁理论知识点。电磁学演示实验不是越花哨越好，也不是演示仪器越贵越好，否者就有哗众取宠之嫌了。比如，当理论课堂内容讲到电磁波的发射与传播时，其演示实验就非常有必要在课堂上演示了，如图2。实验不仅能将看不见摸不着的电磁波展现，而且能验证电磁波的磁场和电场及电磁波发射方向之间的关系，电磁波叠加的驻波演示，以及电磁波波长与振荡偶极子尺寸的关系，都能通过实验加以验证和展现。实验装置简单，紧扣理论要点，实验现象直观明了。再举个反例，曾见过一个“人体导电”的演示实验装置，非常美观上档次，中间是用一个大大的透明玻璃罩罩着的一个直升飞机模型，周边有3对导电手柄，人双手握紧一对手柄，飞机模型发光并伴随螺旋桨转起来，以显示人体导电。就这么个实验装置花了1万多元。各位读者估计心里都有评判了，这个有必要吗？要证明人体导电，取一个万用表加两根导线即可，效果既直观而且还便宜方便携带。

3) 电磁学演示实验多需要教师根据理论教学的内容去设计的，有的甚至是教师指导学生设计出来的。比如电磁学理论课上关于“磁介质磁化后在非均匀磁场中的受力分析”，在讲完这部分内容之后，笔者抛给学生一个设计题目“你们能否把磁介质磁化后在非均匀磁场中的受力的运动规律用演示实验展现出来？”在学期结束之前由3个学生组成的一个研究设计小组交出一套演示实验装置，笔者震惊也很兴奋，同学们的设计非常完美，装置很简单，实验现象直观而且明显！这里就不上图了。虽然笔者实际装置不怎么美观，可是，读者可能想不到，当笔者拿着这样简易的装置在下一届学生的电磁学课堂上演示这个实验时，同学们被深深感染了、带动了、鼓舞了，很明显同学们的学习热情和兴趣被有效地激发了，以后历届都有不少学生参与到我的电磁学演示实验的设计中来。可见，电磁学演示实验确实要“精心设计”，做到电磁学理论教学与演示实验有机配合，才能有效激发学生的学习热情，以提高教学效果与质量。

3 设置电磁学设计性实验与电磁学理论教学相结合

图3 平行板电容器插入电解质溶液现象的研讨

设置电磁学设计性实验，与电磁学理论教学相结合，能促进学生动脑与动手相结合，有效激发学生的创新精神[6]。这类设计性的实验的设置相当耗费教师的精力，对主讲教师的知识和理论的要求也是比较高的。设计性实验的内容安排是否合适，直接影响到设置实验的目的和效果，内容既要有一定难度能激发学生真正参与其中，学生能在实验设计过程中既灵活应用电磁学及相关知识，在动手和动脑过程中体验创新过程的愉悦与成就感。设置的设计性实验内容又不能太过超出学生的能力范围，太难学生无从下手，踮起脚尖也够不着反而是会打击学生参与的积极性。设计性实验设置得好，可以有效调动整个课堂学生的积极性让大多数学生乐于参与进来。让学生能根据自身的兴趣选题，组成实验设计研究小组，研究小组的成员既有明确的分工负责，又有集中讨论分析，在学生需要时，教师可以参与进来了解学生设计研究的进展、发表建议进行指导等。到学期末各小组在课堂上对所负责的设计实验项目执行情况进行汇报，教师和全班同学参与评价和讨论。这种授课的环节就是“金鱼缸式”教学法在课堂上的应用。近几年在笔者的电磁学课程教学的过程中，将设计性电磁学实验与电磁理论课教学相结合，很受同学们的欢迎并得到了大家的肯定，这点在学校的历年学生评教结果中得到了体现。因此笔者建议，那些对教学有热情、愿意将自己的心血投入到本科教学中的教师，不妨尝试一二，并欢迎大家与笔者切磋，以不断探索改善提高。下面是笔者在实际教学过程中的两个范例。在讲到静电场能量和利用虚功原理求力的内容时，设计性实验的范例(如图3所示)：“将平行板电容器插入电解质溶液，与电源相连接的电容器在往电介质溶液中垂直插入时，电容中的溶液如何运动？与哪些因素有关？是否简谐？这里静电力的来源如何？”。引导学生思考这系列问题，很明显学生们的兴趣就来了，课后由孙林钧，郭鸣阳和王超3人组成的研究小组，在老师和实验员的指导下开始了他们实验探索之旅。与本范例涉及的物理本质类似的问题“平行板电容器内电介质受力来源的物理本质是什么？”。2012级学生李帅龙做了深入调研，目前相应的论文“平行板电容器内电介质受力问题剖析”正在整理中。探索的结果不是最重要的，重要的是同学们的兴趣被有效激发，运用所学的理论知识动手实验并深入理论探索，这难道不就是我们教学的目的吗？

在讲到磁场对电流的作用时，设计性实验的范例有：“高速电动机的设计与转速的测定”，如何以所学的电磁学理论为指导，来设计装置提高转速？如何便捷地测量转速？被这些问题激发，同学们自发分组开展了装置设计的活动。其中2011级学生李林涛(见图4)，不仅成功设计了高转速发动机，更重要的是他将电磁学理论知识与其他课程如单片机原理知识相结合，同时还实现了转速的便捷测量并数值实时显示。这种范例展示对下届同学的震撼和学习激情的触动不言而喻了。

图4 学生设计高速电动机

4 建设电磁学专业实验室的必要性

建设电磁学专业实验室是非常有必要的。基于上述讨论可见，电磁学理论教学与实验相结合，显然是非常重要的，而且电磁学的实验又有不同的层次[3]，有些实验适用于电磁学理论教学过程中的课堂演示。这种实验一般体积小，方便搬运到课堂上去演示；有些实验可能体积过于庞大，适用于安排学生进实验室参与实验并体验的。比如静电屏蔽笼实验，怒发冲冠实验；还有些设计性实验，是学生研究小组经常不定期到实验室研究、分析、讨论和实现的。像这种研究设计性实验如果不给学生安排专门的实验室和场地，是存在严重的安全隐患的。比如，一次笔者在电磁学课堂上演示了雅各布天梯的实验后，同学们自发组织了

一个小组来研讨“雅各布天梯的实验和理论分析”。他们的研究和实验是在学生宿舍完成的，无可否认同学们的实验设计和理论分析都非常漂亮，在笔者把他们的研究拿到课堂上给下一届学生展示后，同学们非常羡慕和佩服。但作为教师，的的确确发现了欠考虑之处，学生购买高压直流电源直接在他们宿舍实验是非常危险的，不仅有可能导致自身或他人遭受电击的危险，还有严重的火灾隐患。从上面几点分析来看，建设电磁学专业实验室非常必要了。

[1] 陈惠敏，武永慎.电磁学教学必须重视演示实验[J].物理与工程，2008,(18)4:26-28. Chen Huimin, Wu Yongshen. Demonstration experiments should be paid more attention in electromagnetic teaching[J]. Physics and Engineering, 2008, (18)4: 26-28. (in Chinese)

[2] 张志宏.电磁学实验教学模式的探索与实践[J].武汉科技学院学报，2006,18(12):127-128. Zhang Zhihong. Exploration and practice of electromagnetics experiment teaching mode[J]. Journal of Wuhan University of Science and Technology, 2006, 18(12): 127-128. (in Chinese)

[3] 李智华，熊曹水，项林川,等.电磁学教学新模式的探索与实践[J].物理通报，2013(9):13-16. Li Zhihua, Xiong Caoshui, Xiang Lincuan, et al. Exploration and practice of new electromagnetics teaching mode[J]. Physics Bulletin, 2013(9): 13-16. (in Chinese)

[4] 照日格图.电磁学教学中培养学生创新意识和思维的多种教学法分析[J].西南农业大学学报，2012,10(3):193-194. Zhao Rigetu. An analysis of various teaching methods to cultivate students innovative awareness and thought in electromagnetic teaching[J]. Journal of Southwest Agricultural Unviersity, 2012, 10(3): 193-194. (in Chinese)

[5] 袁敏，陈新莲，梁志霞.电磁学教学中利用演示实验培养学生创新能力的探索[J].科技信息，2011(36):466. Yuan Min, Chen Xinlian, Liang Zhixia. Exploration of cultivating students innovative ability by demonstration experiments in electromagnetics teaching[J]. Science & Technolgy Information, 2011(36): 466. (in Chinese)

[6] 姜成果，许志军.电磁学实验教学中设计性实验的探索与实践[J].通化师范学院学报，2011,32(8):25-27. Jiang Chengguo, Xu Zhijun. Exploration and practice of designable experiments in electromagnetics teaching[J]. Journal of Tonghua Teachers College, 2011, 32(8): 25-27. (in Chinese)

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THINKING OVER HOW THE ELECTROMAGNETICS THEORY TEACHING AND EXPERIMENT EFFECTIVELY COMBINE

Li Zhihua Lu Peixiang

(School of Physics, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan Hubei 430074)

Electromagnetics is a theory course closely related with experiments. Based on their electromagnetics teaching experience for many years, the authors have been thinking over how to effectively combine electromagnetics theory and experiments in their classes, including how to make overall arrangements between college physics experiments and electromagnetics theory teaching, how to make demonstration experiments effectively cooperate with electromagnetics theory teaching, how to set designable electromagnetics experiments combined with electromagnetics theory teaching, as well as the necessity of construction of electromagnetism professional laboratory.

electromagnetics classroom teaching; electromagnetics experiments; designable electromagnetics experiments; combinations of electromagnetics theory teaching and experiments

2016-04-06；

2016-05-10

李智华，女，教授，主要从事激光与物质相互作用方面的研究，研究方向为凝聚态,lizhihua@hust.edu.cn。

李智华,陆培祥. 电磁学理论教学与实验如何有效结合的思考[J]. 物理与工程，2017，27(1)：73-76.