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1、郑汉青 北京大学物理学院,电动力学课程建设的汇报,2009年8月24-27，泉州 全国电动力学教学研讨会,北京大学的“电动力学”课程是北京大学本科生主干基础课和国家教育部理科基地名牌课程。 这门课首先是由北京大学理论物理研究所第一任所长胡宁先生任教（电动力学，人民教育出版社 ，1957）。以后直到文革前这门课由曹昌祺先生担任主讲（电动力学人民教育出版社，1962）。这两本书对新中国的电动力学教学的发展起到了重要的先导作用。 原物理系后来主要由俞允强、秦旦华、张承福等主讲，技术物理系主要由虞福春先生和郑春开、俎栋林等主讲。俞允强著有电动力学简明教程（北京大学出版社，1999），虞福春、郑春开著有
2、电动力学（北京大学出版社，2003），俎栋林著有电动力学(清华大学出版社,2006)。,本课程校内发展的主要历史沿革,教学队伍情况,五名任课教师全部具有博士学位，其中一人从中科院高能物理所获得，三名从北京大学获得，彭良友副教授于英国贝尔法斯特女王大学应用数学与理论物理系获得。年龄结构合理、分布从33岁到52岁。三名教师从事粒子物理理论与核物理理论研究，一名教师从事加速器物理的实验与理论研究，一名教师从事理论光学的研究，均工作在科研工作的国际前沿。任课教师所处的这些学科均与“电动力学”这门课有很紧密的联系，因此在教学中能够充分发挥优势，对基础教学与科研工作的前沿所需之间的关系有着深刻的认识，有利
3、于教学和教学研究。,我们课程组里还有俞允强、郑春开、俎栋林、卢大海等退休教师，他们虽然现在不担任第一线的教学任务，但经常参加课程组的研讨和交流活动，对年轻教师起到了传、帮、带的作用，发挥着重要作用。 师资队伍人员结构合理、共承担每级近300人（包括物理学院、元培班、信息学院电子系等等）的教学任务。其中每年有两次A类课（4学分），一次B类课（3学分）。采用轮换教学制度。助教一般聘请有责任心、品学兼优的高年级研究生。一般A类课请三名助教，B类课请二名。,教这门课的意义和目的： 为了进行有效的改革，首先应该在为什么教这门课，以及在我们对学生的期望和培养目标这一原则问题上有一个明确、清晰的认识。教授这
4、门理论基础课是为了培养和造就在基础物理学科研前沿进行探索工作的、具有国际竞争力的科学家和技术专家。为此我们应该具有在世界级水平上竞争的勇气和决心 。,教学改革与研究,为达到这个目标，需要我们教师团队和同学团结一致，做出艰苦和不懈的努力。这也是我们这些年在一直进行的。我们的目标要求我们对授课的内容，在不脱离现实的情况下，高标准、严要求。尽量做到在不明显增加学生负担的情况下，传授给学生更多的对现代科学研究前沿有重要作用的物理知识和分析方法。 在讲授过程中我们并不主张填鸭式的灌输死的知识，而是强调掌握对现代物理学有用的分析方法、概念和新的图像。对于较难而又对将来从事研究工作有用的一些重要内容，我们在
5、处理时也作了一些妥协，即不要求学生熟练掌握，而是仅要求掌握基本概念和图像。我们认为，作为一门理论物理基础课，其中最为重要的目标之一就是提升学生对现代物理学的基本概念、图像和方法的认识水平，使学生超越在普物教学中获得的对物理学的认识水平和形成的观念。,电动力学课作为一门非常重要的理论课，有一个显著特点，即它除了对很多应用学科如无线电、加速器技术、光学等有直接的应用价值以外，它还是进一步学习量子场论等现代物理理论的最重要的基础课程之一。在学习电动力学的过程中会接触到许多全新的物理概念和图像。理解和掌握这些新的内容为将来进一步的学习打好基础，是这门课的重要目的。 北京大学电动力学分A、B两类课程，A
6、类课程着重加强和提高，目标是培养从事物理基础研究的人才，对学生的要求超出教育部教学大纲的要求。B类课程保持与教学大纲的基本要求，满足其它各学科对物理类人才相关知识的需要。,结合在科研工作第一线所得到的经验，对教学内容做出了许多改进，增加了许多对新物理概念、思想方法和分析技巧的讲解。,指定的主要参考书是郭硕鸿的“电动力学”与俞允强的“电动力学简明教程”，这是国内大学本科生课程的主流教材。我们还推荐Jackson的“经典电动力学”作为参考书之一。后者是美国大学物理系的研究生课程的标准教材，其深度和广度明显大大强于国内对本科生使用的教材。,由于中国国情的不同，对于绝大多数学校、包括北京大学，在研究生
7、阶段并没有相应的高等电动力学课程。因此我们认为我国的电动力学的教育存在着明显的缺口，却一直没有得到教育界足够的重视。这一缺口也许并不总是致命的，但我们认为对于任意一所研究型大学来说，的确是一个很严重的问题。在文革前，北京大学教授电动力学是上下两个学期、共八学分，而现在这门课已经被缩短到4个学分、甚至3个学分。根据我们在第一线科研工作的切身体会，目前的“电动力学”课程讲授的内容并不适应科研工作的基本需要。复旦大学蔡圣善等著的电动力学（教育部面向21世纪教材），具有较深的难度和广度，在一定程度上弥补了这一问题，但仍然需要我们做更多的努力来推动这门课程的建设。,针对目前上述状况，我们在教学中做了许多
8、有针对性的教改尝试。引入（或恢复）了一些我们认为对将来学生进一步从事科研工作用处较大、而又没有相应后续课程介绍的内容。比如 谱分析、切伦科夫辐射、光在媒质中的色散与耗散、光学定理、因果性与解析性、色散关系、求和规则，对Maxwell方程相对论协变表述的强调、Dirac磁单极、Green函数的协变形式、电磁场理论的拉格朗日形式等。 我们还适当地对物理学的一些新的进展做了一些介绍，如近些年发展起来的左手材料的电磁性质等。,主要参考教材,由于课时和尽量不加重学生负担的限制，我们对上述新增内容采取的态度是并不要求全部熟练掌握，而是最低限度地仅要求掌握新物理的基本概念和图像。即使是这样的“最低”要求，我
9、们认为对有志于从事物理学研究的学生的未来发展也会起到非常重要的积极作用。对于将来改行从事其他领域的学生，也能起到提升科学素养的作用。 考试方式采用期末闭卷考试成绩（60%）与期中考试（30%）、平时作业成绩（10%）相结合的方法。,重点： Maxwell方程组的建立（真空和介质中），完备性与唯一性定理；场的能量动量张量；矢势的概念，规范变换；推迟势，多极展开，偶极辐射；相对论物理，电磁场的四矢量与张量形式；李纳-维谢尔势，任意运动带电粒子的辐射；介电系数的谐振子模型，耗散与色散；因果性、解析性与色散关系。 难点：场的能量动量张量；多极展开；相对论物理，电磁场的四矢量与张量形式；李纳-维谢尔势，
10、任意运动带电粒子的辐射；因果性、解析性与色散关系。,教学方法与手段,学生规模对于A类课程约200-240人(每学期一次，人数约100-120)，B类约50-80人。我们在教学中强调基本概念的理解和物理图像。在讲授有比较多推导的内容时，先把物理图像和基本思路予以整体介绍，然后进行推导，推导完成后再对主要物理思想进行总结。 电动力学是一门基础理论课，但在工程技方面也有重要的实际应用。根据教师从事研究的学科特点，在保证电动力学完整理论体系的基础上，适当联系一些实际应用，增加同学的学习兴趣。 多媒体教学设备对为学生提供多种多样的教学材料具有很大的便利，但由于电动力学的推导比较多，多媒体教学也有不利的一
11、面。因此，在教学中结合多媒体和黑板两种方法，重要的推导采用板书，但同时也在ppt课件中打出并上网，以便复习参考。,本课程的主要特色及创新点 1） 紧密结合科研工作的需求，给学生更多地传授将来对物理学前沿领域进行研究有重要作用的新的思想方法、物理概念和分析技巧。 2） 课程内容分为A、B两类，对于A类课程，我们适当增加了本门课程的内容和难度、提高了要求，尽量地缩小与美国等发达国家在教学内容、要求上的差距。因此，我们的A类课程是国内内容最全面、难度最大、水平最高、与美国研究生的要求差距最小的同类课程。 3）B类课程的教学内容和要求与教育部的教学大纲规定的相同。区分A、B两类的明显优点是满足具有志向的学生求知需要，从而实现因材施教、分流培养，有助于优秀拔尖人才的脱颖而出。,本课程目前存在的不足 我们归纳出三个主要问题： 1）电动力学是一门推导繁复、内容较为艰深的理论课程。如何更好地提高学生的兴趣和学习的积极性？ 2）对于新增加的内容，如何让学生在碰到新的物理思想、新的和陌生的概念和图像时，掌握得更好、更准确和印象深刻？ 3）课时、学生所能投入的时间的限制与教学要求如何调和？ 这些问题和困难需要我们花很多努力去研究和克服，任重而道远。,谢谢大家,
