“以学生为主体”教学理念的电动力学改革初探

高平 舒鹏丽 孙燕芬 吴双娥

摘  要：面对电动力学课程知识抽象不易理解，公式推导冗长枯燥，学生厌学情绪严重，考试挂科率居高不下等现象，文章开展“以学生为主体”教学理念的探究式教学，从课前教学设计、课堂教学引导、课后教学评价三方面入手，旨在提升学生课程学习的积极性和参与度，挖掘课程思政的教学元素，提高教学效果。

关键词：电动力学；以学生为主体；探究式教学；课程思政

中图分类号：G642    文献标识码：A    文章编号：1673-7164（2024）11-0086-04

电动力学是高校物理学专业的一门重要的核心课程，课程内容覆盖面大，实用性强，与实际生产生活结合紧密。通过课程的学习，学生应全面系统地掌握电磁基础理论和规律，课程中物理方法及物理思想的理解对提升学生个人素质大有裨益。然而，在实际教学中，存在学生抱怨课程知识抽象不易理解，公式推导冗长繁琐，内容枯燥脱离实际等问题，诸多问题的产生导致学生学习兴趣低下，迟到、早退现象突出，考试挂科率居高不下。对于教师来讲，传统单一的讲授式教学模式也让教师感到辛苦和无奈。因此，课程的教学改革迫在眉睫，亟须探索新的教学模式和教学方法。

在教育部大力提倡高等学校课程教学改革的大背景及全面推进课程思政的新形势下，电动力学课程也加入教学改革队伍。教学改革宗旨秉承OBE教育教学理念，坚持“以学生为主体，以教师为主导”的思想，［1］围绕学生的学习产出进行设计，更加注重学生学了什么而非教师教了什么；除了要求学生对专业知识的掌握以外，还应关注学生在能力素质方面的培养，通过适时恰当地引入课程思政元素，帮助学生树立正确的人生观和价值观，实现立德树人的根本教育任务。通过此次课程教学改革，学生的学习主动性、学习兴趣得到了提高，取得了初步的成效。

一、立足学生学情，注重课前教学设计

讲授一门课程，从课前教学设计、课堂教学引导到课后教学评价，环环相扣，自成系统，其中，课前的精心设计是上好一门课的关键。学生是课堂学习的主体，只有充分了解学生，方能预设出适合学生的教学设计。

（一）采用颠倒式教学法，凸显学生主体作用

颠倒式教学法是在摒弃了常规的教师先教，学生后学的基础上，采用学生先学，教师后教的教学方法。［2］吕梁学院物理学专业的电动力学课程安排在大三的上学期，鉴于学生已经先修了电磁学、数学物理方法等课程，因此，在电动力学课程中学生需学习有一定基础的内容章节时采用提前布置作业，课堂上通过学生讲解的方式进行教学。具体来讲，在前一节课结束前，将下节课需要提前预习的内容以问题的形式告知学生，学生课后分组预习查找资料，上课时随机邀请学生登台分享见解。［3］例如在“分离变量法求解拉普拉斯方程”一节中，学生通过查阅资料理解什么是分离变量法，运用的条件是什么，运算过程中需要注意哪些问题，这在一定程度上培养了学生运用数学方法分析问题的能力，培养了学生团结协作的精神，最后，再由教师做出必要补充。值得注意的是，由于课程特点及学生的知识结构，适合自学的内容较为局限，通常选取学生较为熟悉的电磁场的基本规律作为讲解内容，而对于电磁波的传播辐射等较难理解的部分，仍以教师课堂讲授为主。

（二）注重问题导向式教学法，引导学生主动学习

“以学生为主体”的教学理念中，教师不再是单纯的知识传授者，更注重加强对学生的引导，帮助学生理清思路，如何更快地自主学习，有效学习，对此，问题导向法是一种适合的教学方法。［4］例如在“电磁波在导体中的传播”一节中，教师首先和学生共同推出导体中的电磁波解，然后引出问题，让学生思考该解具有什么特点，电矢量和磁矢量的振幅有何关系，相位有何关系，在良导体中如何传播，在不良导体中又如何传播等，系列问题可以提纲的形式列于黑板上，让学生带着问题去找答案。本环节还可安排小组讨论，比如5分钟的时间快速讨论，找1—2位学生做交流分享。在此过程中，着重引导学生对知识点的串联、架构及学会分析问题的方法，培养学生自主学习能力和团结协作能力。

（三）采用渗透式方法进行辅助教学

常规的教学方法，大多按照循规蹈矩，按部就班的程序进行，旨在让学生循序渐进地获取知识，促使学生掌握的知识更系统、更完整，但也容易导致学生的认知被束缚被局限，创新思维不足。渗透式方法是指教师首先提出某个物理概念，［5］学生可能前期知识积累存在欠缺，但通过课前查阅资料文献，课中科普视频等形式，知识的点滴渗透在不经意间获得。［6］例如，在讲介质的电磁性质时，课前将学生进行分组并安排任务，学生在课中分享超导材料的实际工程应用，之后教师进行原理的分析以加深认识，如图1所示为学生的展示分享PPT。再例如，每次上课前五分钟，安排一个“课前知识小风暴”的环节，学生选择与本章节知识点相似的话题与同学交流，可以是自己的疑惑，可以是某个概念或某個实验现象等，通过知识的交叉碰撞，拓宽学生的视野，提高学生的学习兴趣。

二、增加信息量，给课堂注入活力

（一）利用Matlab辅助教学，实现科研教学结合

优质的课堂不应是教师的“一言堂”，应充分发挥信息技术的庞大功能，实现课堂的可听、可看、可操作性和可观赏性。Matlab是一款具有强大的数据计算功能和图形模拟功能的工程软件，对学生基础要求不高，并且学生在此之前已修过这门课程，更易上手操作演练，因此，将Matlab引入课堂教学，利用Matlab的计算及绘图功能进行仿真模拟具有可行性。例如在讲矢量分析部分时，用Matlab仿真模拟电磁场的空间分布特征，包括对电场、磁场分布曲线的描绘；利用Matlab仿真模拟电磁场的梯度、散度、旋度（简称“三度”）运算，通过图形仿真来帮助学生更直观形象的认识电磁场的基本特性及场的“三度”所蕴含的物理含义，引导学生以矢量场论的思维方式看待电磁场问题。如图2所示的电偶极子在空间的电场分布，可以看出，穿过包围正电荷的任一闭合曲面的电通量大于零，即有电场线从该闭合面内发出，这表明，正电荷是发出电场线的源；同理，穿过包围负电荷的任一闭合曲面的电通量小于零，即有电场线穿入该闭合面，表明负电荷是终止电场线的汇，即静电场是有源场。这种通过现场演示模拟图形的方法，不仅激发了学生的探索求知欲，对于学生开展探究性学习也具有极大的帮助。

（二）采用线上线下相结合的方式教学，实现资源共享

在新时代背景下，充分利用网络及多媒体资源，将线上教学贯穿于课前、课中、课后，能有效发挥“线上”与“线下”教学的优势互补作用。［7］以运用超星学习通平台为例，将国家精品课程资源上传至学习通，让学生课前观看预习，课堂中选取优质的视频资源进行集体观看，并让学生参与讨论。例如在讲“相对论的时空理论”前，让学生用一个关键词概括自己对狭义相对论的理解，并运用超星学习通投影于大屏幕，展示学生的认知力和想象力，促进同学间相互交流，也使课堂增添了乐趣和活力。再如对涉及概念、公式较多的章节，利用随堂练习功能编辑测试题，让学生现场作答或抢答，并随机抽查学生谈谈各自的看法，教师再解答疑惑，查漏补缺，及时发现并解决问题。课后，针对本节课布置的思考题，学生可在讨论区展开讨论，全天候无间断地保持学习及有效互动。

（三）融入课程思政，实现全方位育人

课程思政作为一种教育教学理念，承载着培养学生世界观、人生观的作用，在润物细无声中给学生以精神指引。［8］自然贴切的思政元素需要教师精心挖掘和提炼，为了思政而思政的教学方式难以实现教育任务。因此，针对提炼课程内容中蕴含的人文元素实施课程思政至关重要。例如在讲波导这节内容时，首先向学生明确波导是用以传输电磁能量的中空金属管，金属波导问题实则是电磁场的边值问题，［9］只需求解一定频率下电磁波所满足的亥姆霍兹方程的解。求解的过程中，由于波导的几何尺寸充当边界条件，因此决定了波解具有不同形式，即对应于波不同的传播模式。人的一生亦如求一个方程的定解，他的出生及成长经历等是其自身应服从的规律，而外部环境，如努力、机遇等则是决定其成功与否的重要影响因素。通过类似的比喻，不仅加深了学生对内容的理解，也让学生意识到不虚度年华，坚持努力奋斗的重要性。通过电磁波的传播引申到我国的5G及北斗导航系统所处的领先地位及面临的巨大挑战，以此来激励学生要树立远大的目标和理想，为我国的科技进步贡献自己的力量。

再比如对以太物质的认知上，历史上很长一段时间都被“以太说”统治，认为它无处不在甚至是真空。然而，迈克尔逊-莫雷实验中并没有测出地球相对以太介质的速度，即否定了以太的存在。即本以寻找以太为目标的实验反而成了验证爱因斯坦相对论的直接证据，于是，才有了后来爱因斯坦狭义相对论及洛伦兹变换的诞生。可见，任何真理的建立需要大胆的设想以及不断的实验验证，伟大的成就除了天才的想法外，更多地依赖于科学家们严谨的治学态度及顽强的拼搏精神，这都值得借鉴与学习。

三、重视课后教学评价，实现全过程监控

课程教学改革中，教学评价具有激励和调节的重要作用，其中，学生学习过程评价最直接的方式就是考核。在“以学生为主体”教学理念的探究式教学中，更加关注对学生整个学习过程的考核，［10］主要包括课堂表现、课后作业、随堂测验、课程总结等方面，个别项目从线上和线下两个维度协同考核，［11-12］既保证了成绩的相对公平，也满足了学生的个性化学习需求。

（一）考核方式

1. 课堂表现

本课程更加关注课堂教学中学生与教师、学生与学生间的互动。例如小组讨论中，代表发言者可获得最高分值，积极参与讨论者次高，普通组员一般分值。课堂中教师会通过线上及线下方式随机提问，根据学生的回答情况酌情加减分。另外，还可引入课堂竞争机制，即凡是答对问题者在课堂表现成绩中均有相应加分，答错不扣分，或者采取连续多节课都提问一位学生回答问题。久而久之，学生学习的主动性得到了增强，原本沉闷的课堂也变得活跃起来，师生交流互动的次数增多，教学效果也得到了提升。

2. 课后作业

作业环节包括线上发布的随机作业和定期的线下作业。线上作业主观题通常采用生生互评方式，学生在点评他人作业的过程中，开阔思路，汲取别人的优秀经验，弥补自身不足。线下重点考查学生能否独立完成作业，采取上交作业前学生先自己评阅的方法。即倘若作业是学生在没有参考资料的前提下自己独立完成的，学生自评为A；若借助参考资料或是他人作业完成，自评为B；若完全抄袭别人的成果，自评为C。而后由教师统一批阅，根据作业情况给出综合成绩。通过自评，可以判断学生对该部分内容的掌握情况，短期激励其更好完成作业还可以培养学生实事求是的品格。但该方式考核效果并不太理想，后期学生易产生倦怠，持续激励作用不明显，并不适用于作业考核全过程。

3. 随堂测验

通过线上开卷考试完成随堂测验，考试时间为45分钟。其中客观题大多为平时练习的章节测验题，主观題为开放型题，例如通过已有的学习，写出本课程中掌握最好的一部分或者哪部分掌握最差等。通过测验，能更有效地反馈学生学习的整体效果，为后续阶段的教学提供一定的参考。

4. 课程总结

在每章内容结束时，要求学生用最少的字数对本章重点内容做思维导图式总结。通过章节总结，使学生更好地理解知识脉络，理清课程框架体系，提高概括总结能力。最后，教师对优秀的具有代表性样本进行展示传阅，促进学生之间的相互学习和进步。

（二）成绩评定

本课程最后成绩由期末卷面成绩（70%）与平时成绩（30%）构成。其中，平时成绩以百分制计算，课堂表现占比40%，课后作业30%，随堂测验20%，课程总结10%。需要说明的是，以上各环节考核并非每次上课都用到，而是根据具体的学习内容和目标选择适合的考核项目。

四、结语

根据问卷调查结果汇总，近两年来通过对本校电动力学的教学改革，大部分学生认为新的教学模式更利于他们获取知识，能更多地参与到课程学习中，甚至有学生感慨正是通过本门课程的学习让其对物理专业产生了浓厚兴趣。但这种“以学生为主体”教学理念的探究式教学仍存在很多问题，例如课程内容在深度及广度方面延展不够需进一步拓展，教师的工作量加大等仍须在进一步的实践教学中加以探索优化。

参考文献：

［1］ 蔡根旺，张腊梅，张合斌. 双主教学模式下电动力学课程教学改革研究［J］. 高等函授学报（自然科学版），2009，22（06）：23-25.

［2］ 万勇，云茂金，刘眉洁，等. 基于问题导向的《电动力学》教学改革和优化［J］. 山东师范大学学报（自然科学版），2017，32（04）：132-136.

［3］ 胡錦莲，孙文斌. 关于电动力学课程教学方法的探讨［J］. 安徽工业大学学报（社会科学版），2010，27（04）：112-113.

［4］ 张子珍. 电动力学教学改革之探讨与实践［J］. 山西大同大学学报（自然科学版），2021，37（05）：15-17+70.

［5］ 马保科，张英堂，翟学军，等. 电动力学课程教学体系的改革与完善［J］. 西安邮电学院学报，2011，16（S2）：68-70+129.

［6］ 熊万杰，陆建隆. 对“电动力学”课程改革的探索［J］. 高等理科教育，2003（06）：72-75.

［7］ 蒋练军. 基于“雨课堂”的《电动力学》“金课”打造实证研究［J］. 教育现代化，2019，6（37）：50-53.

［8］ 王振林. “电动力学”课程思政建设的思考［J］. 大学物理，2021，40（06）：53-56+61.

［9］ 曹斌照，范明明，马宁. 光电类专业“电动力学”课程思政探究［J］. 电气电子教学学报，2022，44（03）：95-99.

［10］ 邢琳，贺庆，张牛，等. 基于探究式教学的电动力学课程教学改革实践［J］. 科教导刊，2021（29）：138-140.

［11］ 姜贵文，郭俊萍，刘保华，等. “新工科”背景下大学物理教学现状及改革措施［J］. 上饶师范学院学报，2020，40（06）：20-23.

［12］ 王青，郭应寿. 《费曼物理学Ⅱ》和《电动力学》混合式线上教学实践［J］. 物理与工程，2020，30（03）：3-10.

（荐稿人：刘艳娥，吕梁学院副教授）

（责任编辑：黄文波）

基金项目：2021年山西省高等学校教学改革创新项目“Matlab在电学类课程教学中的应用研究 ”（项目编号：J2021719）；2021年山西省高等学校教学改革创新项目“微控制器类课程的建设与改革——以《单片机原理及应用》课程为例 ”（项目编号：J2021718）。

作者简介：高平（1985—），女，硕士，吕梁学院物理系讲师，研究方向为电磁学、电动力学的教学与研究工作；舒鹏丽（1985—），女，博士在读，吕梁学院物理系讲师，研究方向为量子力学、热力学与统计物理学的教学与研究工作；孙燕芬（1985—），女，硕士，吕梁学院物理系讲师，研究方向为电磁学、电动力学的教学与研究工作；吴双娥（1986—），女，硕士，吕梁学院物理系讲师，研究方向为电磁场与电磁波、微机原理及应用等的教学与研究工作。