普通本科院校“电磁学”课程设计探讨

【摘 要】本文论述普通本科院校“电磁学”课程的设计，认为科学研究和教学活动相结合并共同服务于大学人才的培养，是新时代提高本科教育水平的重要人才培养模式，提出优化普通本科院校物理学专业“电磁学”课程的教学设计、课程评价体系设计，以推进“电磁学”课程的教学与科研相结合，加强本科生的思维、实践、创新等能力的训练，以提高学生的创新能力和科研能力。

【关键词】科教融合 高校人才培养 电磁学

【中图分类号】G  【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2021）11-0147-03

2018年教育部第一次召开了关于专门研究部署高等学校本科教育工作的全国会议，明确强调了本科必须从“本科教学”向“本科教育”转变。自2018年以来，自治区教育厅为了贯彻落实新时代全国高等学校本科教育工作会议精神，制定了一系列政策，加快构建振兴本科教育的长效机制和保障措施，推进深入培养学生创新创业、科学研究的能力，大力促进科研和教学协调育人。教学与科研相结合的人才培养模式是新时代全面提高本科教育水平的重要举措和改革方向。在本科院校推进科研与教学融合，需要让学生尽早参与和融入科研、早进实验室等，提高学生实践能力和创新创业能力。

“电磁学”是物理学专业的基础课程，通过这类课程的学习，需要培养学生掌握描述、解决电磁场相关问题的基本理论和方法，具有扎实的物理基础、较强的创新能力、较强运用知识和学习新知识的能力，能在物理学和相关的技术领域中从事科研、教学、技术和相关的管理工作。电磁场类课程也是物理学专业中较为古老、较为重要的基础学科之一。电磁场相关理论的建立、发展以及广泛应用的过程，充分体现了实践是检验真理的唯一标准的认识论和真理观，处处彰显了“严密的实验—理论假设和数理推理—实验检验”循环往复不断完善的科学研究的方法论，弘扬了锐意进取、勇于创新的科学精神。在全面提高本科教育水平的过程中，亟须本科院校加强本科生的思维、实践、创新等能力的训练，积极鼓励学生锐意进取、勇于创新。

国内名牌高校物理专业基础课程的先进人才培养模式和改革举措值得普通本科院校借鉴，但是在资源、环境等方面，普通本科院校与著名高校存在比较大的差别，不能完全生搬硬套著名高校的经验，必须有所取舍和改进。在这样的背景下，本文探讨普通本科院校物理学专业“电磁学”课程的教学设计、课程评价体系设计，推进“电磁学”课程的教学与科研相结合，加强本科生的思维、实践、创新等能力的训练，提高学生的创新能力和科研能力。

一、课程教学设计

“电磁学”是本科物理学专业的基础课程，课程总课时设计为64个学时。学生通过“电磁学”的学习，能够掌握电磁场的基本规律、基本概念和基本思维方式，深刻理解电磁场的物质属性及其存在与运动形态，掌握电磁相互作用的基本规律，了解近代物理与电磁规律的内在联系，并在思维能力、计算能力、科学素质方面都有很大提高。课程设计分为两大模块，即课堂讲授模块和课外训练模块，其中课堂讲授模块是基础，课外训练模块是课堂模块的重要拓展。

（一）课堂教学的设计

普通高校物理学本科专业的“电磁学”课程教学内容主要包括静电场、有导体时的静电场、静电场中的电介质、恒定电流、恒定电流的磁场、电磁感应、磁介质、时变电磁场和电磁波，此部分总课时设计为56个学时。

1.静电场，共12个学时。教学内容和要求：（1）理解库仑定律及其适用条件、场的概念、场强的迭加原理及其物理意义，理解电通量的概念、静电场的环流定律、高斯定理的物理意义以及它們在电磁场中的重要地位，理解引入电势概念的条件、电势的相对性以及电势迭加原理;（2）掌握应用高斯定理计算电场分布条件和方法，以及掌握用电势定义求空间电势分布方法;（3）熟练运用场强迭加原理计算简单、典型带电体及其组合体的电场分布，熟练运用电势迭加原理计算简单、典型带电体及其组合体的电势分布，以及熟练运用高斯定理求解有特定对称性分布的电荷所产生的电场的场强分布。

2.有导体时的静电场，共6个学时。教学内容和要求：（1）理解静电平衡导体上电荷分布的特点，电容的物理意义，电容器储能的概念，带电体的概念，以及静电屏蔽现象及应用;（2）掌握导体的静电平衡条件，带电体组的静电能及其计算方法，计算电容器及电容器组电容的方法，以及计算电容器的储能方法;（3）熟练运用导体的静电平衡条件，求解规则形状导体静电平衡时的电荷分布与电场分布问题。

3.静电场中的电介质，共5个学时。教学内容和要求：（1）理解极化强度矢量的物理意义、电介质极化的微观解释、极化强度与极化电荷面密度的关系，理解电位移矢量及有介质时的高斯定理物理意义，理解电场的能量、电场能量密度概念;（2）掌握电场的边界条件，掌握极化强度、电场强度以及极化率之间的关系，掌握计算有对称性的非均匀电场能量的方法;（3）熟练运用高斯定理求解有介质存在时，具有一定对称性的电场的分布问题。

4.恒定电流，共9个学时。教学内容和要求：（1）理解电流密度矢量的概念，电动势的基本概念，金属导电的经典物理图像和理论;（2）掌握电流强度与电流密度矢量的关系，以及电流的连续性方程，掌握电流的稳恒条件、稳恒电场的基本性质，掌握欧姆定律、欧姆定律的微分形式、一段含源电路和闭合电路的欧姆定律。

5.恒定电流磁场，共10个学时。教学内容和要求：（1）理解磁感应强度的物理意义，磁通量的概念，稳恒磁场的高斯定理和安培环路定律的物理意义，以及磁矩的定义;（2）掌握毕奥-萨伐尔定律，掌握洛仑磁力和安培力，以及其计算方法，掌握计算平面载流线圈在磁场中所受的磁力矩方法;（3）熟练掌握求解载流导体规则分布时的磁感应强度方法、计算非均匀磁场中通过简单几何形状平面的磁通量的方法，熟练掌握应用安培环路定律计算磁感应强度的条件和方法，并求解具有一定对称性的电流的磁场分布问题。

6.电磁感应，共9个学时。教学内容和要求：（1）理解动生电动势的产生，理解自感和互感的物理意义、自感磁能和互感磁能的物理意义，理解感生电场的物理意义、性质，以及感生电场与静电场的区别;（2）掌握计算动生电动势的方法，以及计算自感系数和互感系数的方法;（3）熟练掌握并运用法拉第电磁感应定律和楞次定律。

7.磁介质、时变电磁场和电磁波，共5个学时。教学内容和要求：（1）理解磁介质磁化的微观解释、磁场强度矢量的定义、磁化强度、磁场能量、磁场能量密度概念，理解麦克斯韦两个基本假设的中心思想、麦克斯韦方程组各方程的物理意义和方程中各物理量的物理意义，理解平面电磁波的基本性质、能流密度的概念、坡印亭矢量的物理意义，以及偶极振子辐射电磁波的物理过程和物理图像;（2）掌握磁化强度与磁化电流的关系、磁场强度和磁化电流之间的关系，掌握有介质时安培环路定律、求解具有一定对称性的磁场分布的方法，以及计算具有对称性的磁场的能量的方法。

（二）课外科研素养训练的设计

课外训练模块是课堂模块的重要拓展，是为学生便于发挥自主性学习“电磁学”而设计的一个重要平台，课堂引导课时设计为8个学时。课外科研素养训练内容主要包括“电磁学”课程的基本原理和普遍规律，并有相应的补充和拓展，弥补课堂教学因课时紧张对讲授内容的约束，可以满足不同层次学生的学习要求，达到培养逻辑思维能力、科研实践能力、数学推演能力。此部分以专题形式开展训练，内容覆盖电磁学的多个重难点，其中部分内容属于电动力学的范畴。训练过程注重概念的准确性，以及逻辑推理过程的严谨性。训练内容主要包括：

第一专题，客体与模型问题：模型的使用范围，同一客体建立多个模型，孤立体和孤立体系模型，构建模型中的主要矛盾和次要矛盾问题。

第二专题，无限远问题：数学无限远与物理无限远的共性和差异。

第三专题，电场线和磁场线问题：场线的描绘，场强度和方向的定性讨论。

第四专题，静电平衡问题：利用电场线讨论静电场分布和静电平衡，导体电荷面密度与曲率的关系。

第五专题，静电唯一性定理：静电唯一性定理的证明，有介质的唯一性定理及其应用，静电唯一性定理在静电叠加、静电屏蔽中的应用。

第六专题，静电屏蔽和磁屏蔽问题：两种屏蔽的基本原理及其异同，两种屏蔽在实际问题中的具体应用。

第七专题，电像法和分离变数法求解静电场的问题：电像的构建及其基本物理问题，分离变数中的数学理念和具体推演。

第八专题，电容和电容器问题：有规则孤立导体的电容，导体组的电容和电容系数，任意形状导体的电容，多电容器的组合，电容器中的静电感应，“一板两壁”的特殊电容器，电容器的“电库”功能。

第九专题，电介质和磁介质的极化和磁化问题：极化和磁化的具体物理过程，以及它们的相似性。

第十专题，地球与无限远的电势问题：接地电势和无限远电势的深度讨论。

第十一专题，任意截面螺线管内部和外部磁场问题：内部和外部磁场强度和分布的证明及其具体应用。

第十二专题，任意闭合线圈在均匀磁场中的安培力矩问题：安培力矩的计算方法及推广。

第十三专题，场矢量和标量分析问题：标量场的梯度，矢量场的散度和旋度，电磁场的边值关系和麦氏方程的微分形式。

第十四专题，麦氏方程问题：麦氏方程组与洛伦兹力公式，演化方程和约束方程。

第十五专题：库仑电场和感生电场问题：纵场和横场，库仑规范和洛伦茨规范，静电场、恒定电场和库仑电场。

第十六专题，电磁场的能量和动量问题：电磁场的能量和能流密度，电磁场的动量和动量密度，不接触物体间的“作用力”和“反作用力”。

第十七专题，磁单极问题：磁荷存在性与磁单极子存在性，狄拉克的磁单极子，含磁荷的麦氏方程组，原始麦氏方程组的成立前提。

此部分以课外训练为主，课堂引导为辅，以学生为主，教师为辅。在课程结束前，每一名学生必须独立或者组织小团队完成至少2个专题，并对完成的专题进行答辩。

二、课程评价体系设计

本科生学习课程的主要目的不是为了应付考试，而是需要能灵活运用课程的理论知识解决实际问题，以及进行各种创新活动;需要把理论和实践相结合，提高科研实践能力、创新能力以及科研素养等。课程考核是了解学生掌握课程知识情况，是检验学生对知识的灵活运用能力、创新能力等重要方式，也是检验教学效果、保证教学质量、促进教学目标实现的重要措施。“电磁学”课程分为课堂讲授和课堂外训练两大模块，为了能够更好检验课程设计效果，改革后的课程考核方式应该有别于传统的以期中考试和期末考试为主的考核方式，应该以更加灵活的方式考查学生的各种能力，以考核学生掌握课程体系知识、创新能力、应用能力为主，尽量避免死记硬背、答案标准化和唯一化，科学合理测评学生的学习效果。总体上，“电磁学”课程考核分为课程本体知识掌握情况的考核与科研素养训练效果的考核。

（一）课程本体知识掌握情况的考核，占课程总成绩的70%

课程本体知识的考核，需要注重学生学习的参与性，以及学生对本体知识运用的灵活性等综合素质考查，尽量避免出现临时抱佛脚、死记硬背、应付式考试的倾向，尽量避免一试（期末考试）定总成绩的情况。此部分的具体考查方式，可由出勤、课后作业、阶段测试以及期末考试四部分组成，每部分考核结果占据此部分成绩一定的比重，如图1所示。

出勤情况是考查学生参与学习的重要手段之一，也是考查学生组织纪律性的重要措施之一。学生无故缺勤需要扣分，无故缺勤达到一定次数，可以对课程总成绩进行一票否决，取消课程考试资格，并按学校有关规定处理。考勤的方式，在班級人数较少的情况下，可以采用清点学生总人数或者课堂点名的方式进行，在班级总人数较多的情况下，可以采用随机点名并结合课堂随机提问的方式进行。

课后作业需要覆盖所学课程本体知识的主要内容，难易程度应该适当，并包括一部分开放性题目，以便更好考查学生对课程本体知识掌握的情况，并有利于锻炼学生灵活运用课程本体知识的能力、创新能力以及科研实践能力等。对非开放性题目，需要考查学生答题的整洁性、规范性、正确性;对开放性题目，不设置标准答案，主要考查学生逻辑推演的严谨性、理解概念的准确性等。

阶段性测试是了解学生掌握阶段性课程知识情况的重要措施之一，是检验阶段性教学效果的重要手段之一，也是保证教学质量、促进实现教学目标的重要策略之一。测试的内容，重点包括学习阶段的课程本体知识的重点内容和基础理论等，可采用闭卷形式或开卷形式进行。

期末考试考查的内容，需要涵盖课程的基础知识点和重点知识点，难易程度需要合理，可以结合课后作业、阶段测试、课堂练习等进行命题。为了更好考查学生对课程本体知识掌握情况，以及对课程本体知识的运用情况，考试内容可以包括一部分的开放性题目。对开放性题目，注重考查学生理解概念的准确性、逻辑推演的严谨性以及创新性等，不设定标准答案。

（二）科研素养训练情况的考核，占课程总成绩的30%

科研素養训练考核，主要考查学生参与程度、参与途径和方式，以及考查学生处理问题的逻辑思维能力、科研创新能力、组织协助能力等。考核的方式，以完成专题小论文以及对完成专题的答辩情况为主。每名学生或者每个小组，都必须完成所选择的专题撰写小论文，并对完成的过程、结果进行答辩。专题小论文，注重考查学生理解概念的准确性，逻辑推演的严谨性，推理过程的正确性、创新性等，注重论文的完整性、逻辑性、合理性等，以及注重学生解决问题的综合素养。专题小论文的答辩，注重考查学生语言组织能力、表达能力、PPT制作能力，以及逻辑思维水平等。

总之，电磁场类课程是物理学专业中较为古老、较为重要的基础学科之一，是本科物理学专业的基础课程。为了能在电磁学课程中有效地开展科研素养训练，加强本科生的思维、实践、创新等能力的训练，本文探索“电磁学”的课程教学设计和评价体系设计，基于不降低课程本体知识的要求，又有利于开展科研素养训练，从课堂教学和课外训练入手，分别考查学生本体知识的掌握情况和技能水平层次，以及考查科研素养训练的成效。通过推动科教融合在“电磁学”课程中的实施，将有利于提高学生的逻辑思维能力、创新能力和科研能力。

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注：2020年度广西高等教育本科教学改革工程项目“在电磁场类课程教学中强化科研素养训练的探索与实践”（2020JGB172）

【作者简介】陈志福（1981— ），男，广西藤县人，广西民族大学数学与物理学院副研究员，研究方向为天体物理学。

（责编 龚维玲）