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1、关于电磁学与电动力学打通的 设想应物 92李明臣 09093038电磁学与电动力学是大学物理专业的主要基础课,其历史悠久,应用 广泛,且充满活力,在物理学中占有重要地位. 在科学技术飞速发展的今 天,各门课程的改革迫在眉睫,电磁学与电动力学教材的改革,将对整个 物理教学产生重大影响. 目前,苏州大学出版了一本关于电磁学与电动 力学打通的书,笔者在调查该书的实践基础上,提出了打通适合师范类教 学的电磁学与电动力学教材的设想.1 电磁学与电动力学教材打通的可行性我们知道,电磁学与电动力学从内容上来看没有原则的区别. 一般说来,电磁学偏重于电磁现象的实验研究,从广泛的电磁现象研究 中归纳出电磁学的基
2、本规律. 而经典电动力学则偏重于理论方面,以 麦克斯韦方程组和洛伦兹力为基础,研究电磁场分布,电磁波的激发、 辐射和传播,以及带电粒子与电磁场的相互作用等电磁问题. 可以说, 广义的电磁学包含了经典电动力学. 所以,我们可以在教材内容上把 两者有机地结合起来. 从大学物理课程开设的现状来看,大一下学期 开设电磁学,大二 下学期开设电动力学,时间上的跨度使两门课严重脱节. 如果两门课 合并,不但可以解决这个问题,而且只需一个学期的教学,学时大大减 少. 从学生的知识水平来看,大一学年的高等数学的学习使他们完全 可以运用复杂的数学工具来进行计算,同期开设的数学物理方法课也将使学生更好 地掌握这两门
3、基础课的内容. 2001 年苏州大学出版的电磁学和电动力学可谓 是一种大胆的尝试与探索. 这本书不但把电磁学和电动力学在内容上较好地融合 在一起,而且加入了许多前沿物理知识,受到了学生、教师的好评. 学生们认为采 用打通方法可以避免电磁学与电动力学之间不必要的重复与脱节现象,能对 电磁理论有个系统的深刻认识,且学时的减少,减轻了他们的负担,可以有更多时 间了解当前物理知识.教师们也认为电磁学与电动力学的打通,节约了学时,为保 证主要内容的讲授、增添电磁学前沿知识以及理论联系实际创造了条件. 从教学内容和实践的效果都可以看出电磁学与电动力学打通是可行的.2 电磁学与电动力学教材打通的初步设想科学
4、、技术和生产的分化和综合是现代科学、技术和生产发展 的规律. 高等院校的教学目的、任务和教学内容与科技进步之间的关系是 十分密切 的,并受到科学技术发展的制约. 这一规律必然反映到高等院校的教学内容 和教材的发展与改革上来. 现今,对成熟教材的改革趋势便是把几门关系 密切的课程合并成一门课程,基于这种思想,我们从教材体系结构和教材内 容两方面初步探讨适合师范类教学的电磁学与电动力学教材的合并设想.211 电磁学与电动力学教材打通的体系结构在经典物理中,电磁学与电动力学在逻辑体系上的清晰和结构的 完善方面是独特的. 现行的大多数教材的结构基本相同就充分说明了这一 点. 当 然,高等师范院校的电磁
5、学、电动力学教材也必须正视这种由学科内容决定 的传统结构体系. 传统不等于落后,今天是从昨天走过来的,我们既不能轻 视传统,也不能抱残守缺,必须看到传统也需要发展或更新. 基于这一思想, 我们在电磁学的传统体系结构的基础上结合电动力学的体系结构设计出 综合型的电磁学与电动力学打通教材的体系结构,如图1. 静电场性质和规律 作为第一章内容;静电场与实物之间的相互作用作为第二章内容,其中包 括导体静电平衡、介质极化、静电场基本问题及计算;稳恒电路和静磁场性 质与规律作为第三章内容;静磁场与实物之间的相互作用作为第四章内 图1 体系结构图容,其中包括安培力与洛伦兹力、介质磁化、静磁场 基本问题和计算
6、;电磁感应作为第五章内容;电磁场关系作为第六章内容,包 括交流电路和麦克斯韦方程;电磁波传播与辐射作为第七章内容;狭义相 对论作为第八章内容. 各章节的安排符合顺序化原则. 从该图的体系结构的 基本呈现方式来看,电磁学知识是电动力学理论知识的基础. 而电动力学理 论在科技方面有着广泛的应用,但某些师范院校,由于学时紧张而没有开设 这门课,这对师范生来说是一种遗憾,而电磁学与电动力学结构和内容的合 并可弥补这一缺陷, 使师范生能站在更高的台阶上来体会电磁学理论的伟 大从学生的认知规律来看, 这个体系结构从电磁学的 基本概念、基本规律出发 深 入到电动力学理论知识, 进而应用知识,从定性到 定 量
7、,从形象到抽象,从特殊 到一般,从简单数学工具 到 复杂数学工具,这些都符 合学生的思维发展规律. 当 然,只有在体系结构和内 容与思维发展规律相互适 应,达成一致,才能更好地 促进思维发展,这也是我 们 今后研究的主要方向. 因 此这本合成教材的体系结 构应有别于电磁学、电动 力学的简单合并,主要表 现 在对教材结构和教材内容 的恰当选取上.212 电磁学与电动力学教材内容的统一阐述电磁学与电动力学在内容上相互统一,相互渗透,但各自又有独 立性,因此把它们合并成一门课程,不但要考虑教材内容的融合,也要注意 其相对独立性. 从电磁学与电动力学各章节内容来看,电动力学第一章内容 是对电磁学知识的
8、总体概括,第二章静电场和第三章静磁场对应于电磁学 中静电场、静磁场基本问题的计算,第四、五章关于电磁波的传播与辐射 对应于电磁学中的电磁波,第六章狭义相对论是电动力学中必不可少的部 分. 因而我们设想把电磁学与电动力学内容上相对应的部分给予统一阐述, 而相对独立部分可以单独作为一重要章节给予阐述. 初步设想如下:1) 静电 场这一部分可以在电场、电场强度、电势等基本概念的介绍后,引入高斯 定理与环路定理及它们的微分方程,由电场强度与电势的关系引出真空中 的泊松方程与拉普拉斯方程,待介绍过静电场与介质间的相互作用,通过唯 一性定理与静电场边值关系的讲解,便可运用泊松方程与拉普拉斯方程具 体计算静
9、电场在真空与介质中的场强与电荷分布.其中包括积分法、分离 变量法、电象法,而电多极矩作选读材料. 图2 给出了对静电场部分内容统 一阐述的构思方案;2) 静电场和静磁场之间的稳恒电流可以与静磁场并为一 部分,由稳恒电流直接导入静磁场,省略电路的介绍,考虑到静磁场与静电 场之间的对称性,可以模仿静电场的结构安排此章节. 注意可以利用电场中 的标势运用引入矢势,由于矢势的计算非常复杂,可以点到为止,磁标势可 作选读材料;3)电磁感应可作为独立的一章节,由于它是联系电场与磁场的 重要环节,故需作详细讲授;4) 交流电这一部分在电工学中会详细讲授,为避免重复及因课时 紧张,可以提及但不便深入. 麦克斯
10、韦方程组是整个电磁理论的基础,也是教学内 容的重点部分,可以考虑把交流电和麦克斯韦方程作为一章节;5) 以麦克斯韦方程 组和洛伦兹力为基础的电磁波辐射与传播机制可作为一重点章节;6) 狭义相对论在 电动力学中占有重要的地位,没有它就不能称之为完善的电动力学. 因此,狭义相 对论作为最后一重点章节介绍.我认为,电磁学、电动力学教材内容的具体选取方面必须遵从如下原则.1) 目标性原则所谓目标性原则就是依据高校培养人才的目标,选取教材内容. 工 科院校主要培养工程技术人员,而高等师范院校主要培养中等教育的师资. 针对这一点,这本适合师范类教学的电磁学与电动力学打通教材的内容须与 中学物理接轨. 在满
11、足电磁学与电动力学逻辑体系的基础上,对中学电磁教 学中突显的重点、难点应作深入讨论,同时在编写思考题、练习题时也应贴 近中学教学实践,安排一部分用电磁学、电动力学原理来解释自然界和日常 生活中的电磁现象的内容.2) 简明性原则简明性原则指教材内容的选取必须简洁明了.电磁学与电动力学是 基础理论课,教材内容应保证理论的系统性和物理概念的清晰性,在这基础上 的引申是次要的,应适可而止. 比如矢势是一个重要概念,故必须涉及一些典型的计算以加 深概念的理解,而对它的展开讨论则是次要的.3) 现代化原则现代化原则指教材内容要做到与现代物理学的发展相适应. 教材内 容必须不断吸收本学科的新发现、新发明,以反映该学科的前沿信息,使之紧跟 时代步伐. 当今知识的更新速度越来越快,基础部分所占比重也越来越大,这是 必然趋势. 因此对于成熟的知识,我们只能突出教材内容的重点部分,而将前沿 部分作为配套读物,这样的教材组合是中学教材改革的主要方向,也势必影响大 学教材的改革方向.谢谢大家
