冯志芳 战可涛 邵晓红
【摘 要】《大学物理》是所有理工科专业的基础课程,对本科生后续学习方法的形成、科学素养的提高、专业基础知识的掌握都起着非常重要的作用。结合多年一线教学经验,作者在教学过程中尝试了一种新的教学方法,即“像麦克斯韦一样做推理-预测-证明”的方法。通过多次在课堂上使用该方法,发现该方法可以激发学生学习的兴趣,提高学生的课堂参与度,培养学生的科学思维能力,激发学生对未知知识的探求欲。
【关键词】大学物理;麦克斯韦;推理
中圖分类号:G633.7 文献标识码:A 文章编号:0493-2099(2020)24-0103-02
【Abstract】 "College Physics" is a basic course for all science and engineering majors. It plays a very important role in the formation of undergraduates' follow-up learning methods, the improvement of scientific literacy, and the mastery of professional basic knowledge. Combining many years of front-line teaching experience, the author tried a new teaching method in the teaching process, that is, "do inference-prediction-proof like Maxwell". Through the use of this method in the classroom many times, it is found that this method can stimulate students' interest in learning, improve students' classroom participation, cultivate students' scientific thinking ability, and stimulate students' desire to explore unknown knowledge.
【Keywords】College physics; Maxwell; Reasoning
我主讲的课程是《大学物理》,通过多年一线教学经验的积累,以及对课程中“电磁学”部分知识点的详细分析与比较,我总结出了一套适合电磁学部分的课堂讲授方法,为了纪念在电磁学理论建立过程中做出突出贡献的、伟大的物理学家麦克斯韦,我把这种方法称为“像麦克斯韦一样做推理-预测-证明”。通过多次在课堂实际操作、应用,发现该方法确实是一种行之有效的讲授方法,不仅可以激发学生学习的兴趣,提高学生的课堂参与度,还可以培养学生的科学思维能力,激发学生对未知知识的探求欲。
一、“像麦克斯韦一样做推理-预测-证明”方法介绍
麦克斯韦通过阅读大量电磁学方面的材料,结合其在物理学、数学方面深厚的理论功底,通过大量理论推导、研究,给出有关电磁学的两个非常重要的预言——有旋电场和位移电流。结合多年一线教学的经验,我对“电磁学”部分的知识点做了全面的总结、对比后提出了“像麦克斯韦一样做推理-预测-证明”的课堂教学法,该方法分为四个阶段:第一阶段复习相关知识点,第二阶段分析-推理-预测,第三阶段证明,第四阶段进行前后知识点的对比。参与这四个阶段学习的学生,其收获是多方面、多层次的,如进一步加深了对前面知识点的理解和掌握;建立了前后知识点之间的关联性;对新的知识的理解、掌握变得更加容易;培养了学生的科学思维能力、探寻未知知识的欲望;学生充分体会到了物理之美,激发了学生进一步学习物理的兴趣等。
二、课堂实例——匀速运动电荷的磁场
第一阶段:复习相关知识点
第二阶段:分析-推理-预测阶段
第三阶段:证明
接着我带领学生以毕奥-萨伐尔定律为基础开始证明学生的预测。第一步,引导学生分析了电流元内部的构成,指出电流元是由一个个定向运动的电荷形成的;接着引导学生分析每一个运动电荷运动的特点,如运动速度是否相同、每个电荷到计算点的距离是否相同等。分析完成后,引导学生做比较,分析存在差异的物理量该如何处理,是否可以忽略这些差异等。
第四阶段:对比阶段
证明完成后,我让学生对两个公式做分析、比较、总结,给出如表1所示结果,对公式中不同位置用正方形边框做标注。
表1毕奥-萨伐尔定律和匀速运动电荷磁场的比较
三、课堂实例二——位移电流
与其他知识点相比较,对位移电流概念进行理解、掌握是学生的难点,我采用同样的方法引导学生,让学生更加容易接受、理解位移电流的概念。我首先带着学生详细地复习了有旋电场相关的知识点,分析了反映两者之间关系的公式(1)建立的详细过程。
总结出以下几点:(1)求解磁通量,计算其随时间的变化率 (2)[Ev]与[B]随时间的变化率相关。基于此,我尝试引导学生预测变化电场与磁场之间的关系。通过分析、类比,了解到:(1)可能需要求解电通量;(2)可能需要通过计算电通量随时间的变化率;(3)[H]可能与[D]随时间的变化率相关。基于上述分析,预测出可能的关系式为下面的(2)式。
其中,有没有负号暂时无法确定,暂且保留。预测完成后,我带着学生以平行板电容器为例,经过一系列推导、证明后,给出了如下面(3)式的结果。
比较发现:(3)式与(2)式之间仅差一个负号,两者近乎一致;且(1)和(3)两式竟然具有如此完美的相似性。这一堂课,学生快速地理解了位移电流的概念,了解到了变化电场可以激发磁场;同时还激发了学生的学习兴趣及探究未知领域的欲望。
四、结语
我提出了“像麦克斯韦一样做推理-预测-证明”的教学方法,经过多次课堂实际应用,发现该方法确实起到了让课堂变得更美、更生动的效果,且可以激发学生学习的兴趣,提高学生的课堂参与度,培养学生的科学思维能力,激发学生对未知知识的探求欲等。
参考文献:
[1]孙玲.麦克斯韦的科学贡献与科学方法[D].中国社会科学院,1990.
作者简介:冯志芳(1974-),女,山西省汾阳人,北京化工大学数理学院副教授,博士,主要从事:大学物理教学。
(责任编辑 范娱艳)