大学物理电磁学总结范文

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中图分类号：G648.2 文献标识码：A 文章编号：1002-7661（2016）15-0004-02

一、引言

“大学物理”是我国高等院校理工科类非物理专业的必修基础课，其主要目的是为后续的专业课学习打下基础。“电磁场与电磁波” 是高等院校电子类和通信类专业的重要专业基础课程，主要学习电磁场与电磁波的基本属性、运动规律及相应工程应用等内容，但前期基础就是“大学物理.电磁学”（后简称“电磁学”）的核心内容，但在知识内容的深度、广度及实用性方面都有加深和拓展，同时也存在内容重叠的部分。为了避免“电磁场与电磁波”在教学过程中与“电磁学”中知识内容的重复，让学生更好地学好“电磁场与电磁波”课程的核心内容，应分析 “电磁学”与“电磁场与电磁波”的区别，并规划好二者的教学衔接问题，提高教学效率，保证教学质量。

二、教学衔接问题

“电磁场与电磁波”与“电磁学”这两门课程从内容上来看都会涉及到电磁运动基本理论和电磁波相关理论，从研究的对象来看，本质区别不大。但是由于它们在教学目标上的区别，导致教学内容上也存在很大的差异，因此我们应在教学方法、教学重点和教学思路上区别对待，并做好教学衔接，提高教学效率，改善教学效果。

1.教学目标的衔接。“电磁学”课程一般在大学一年级开设，其作为一门通识性基础课程，主要对电场、磁场、电磁波的基本概念、基本规律和基本方法进行学习和理解，为学生以后专业课程的学习打下坚实的基础。“电磁场与电磁波”是工科类高校电子工程、信息工程、通信工程等专业学生的必修课程，是信息技术的理论基础，是电子信息大类专业学生的基础知识部分。在课程定位上，其作为专业基础课，将为后续“微波技术”“射频通信电路”“电信传输理论”等专业课的学习奠定基础。因此，相对于“电磁学”这门公共基础课而言，其教学目标不同。通过该课程的学习，让学生建立电磁场的概念，认识电磁场的物质性，掌握电磁场运动的基本规律，理解麦克斯韦方程的表达形式及其物理意义，并让学生掌握一些典型电磁场问题的数学建模与求解，使学生能够用“场”的观点去思考、分析和计算一些简单的电磁场基本问题。这将对学生的数学功底、逻辑推理、理性思维能力有一定的拓展。可以说，两门课程在教学目标上是一个由低到高的层次递进关系。

2.教学内容的衔接。从教学内容上看，“电磁学”课程介绍了静电场的基本性质、稳恒磁场的基本规律、电磁感应的基本规律，并简单地引出麦克斯韦方程组，至于时变电磁场、平面电磁波、传输线、波导、天线等问题均未涉及。故它只是从“静态”的观点对电磁场的基本问题进行讲解，使学生从整体上对电磁场有一个初步认识。而“电磁场与电磁波”作为电子信息大类专业不可或缺的专业基础课，内容丰富的同时，难度也有所增加。它包括“电磁场”与“电磁波”两大部分的核心内容。“电磁场”部分是在“电磁学”课程的基础上，运用矢量分析描述静电场、恒定电流场和静磁场的基本物理概念，在总结基本实验定律的基础上给出时变电磁场的基本规律，引出边界条件，学习静电场问题的求解方法，如镜像法、分离变量法等。“电磁波”部分主要介绍电磁波在真空和介质中的传播规律以及天线的基本理论。具体内容包括平面电磁波、传输线理论、导行电磁波以及电磁波辐射等部分。即这部分内容主要从“动态”角度描述和分析电磁波。可见，在教学内容上，“电磁场与电磁波”课程相对于“电磁学”课程不是简单的重复，而是知识体系的递进关系。

3.教学方法的衔接。“电磁学”课程的知识相对简单，很多概念和规律都是在实验基础上，通过学生的感性认识后抽象出物理模型而建立起来的。而“电磁场与电磁波”课程却侧重于利用矢量分析和场论等数学工具，对物理模型所满足的物理规律进行严格的理论推导，得出合理的结论，形成完整的理论知识体系。因此，在教学中我们应该有意识地引导学生从“形象思维”向“抽象思维”转变与过渡，引导他们通过理性的思考、严密的分析、逻辑的推理来学习和理解电磁波传播的内在规律。在理论学习的同时，辅助以一些仿真（HFSS、CST、MATLAB等）和演示验证性实验，加强对电磁波现象和规律的理解。这样才能在教学方法上对两门课程进行良好的衔接，改善教学效果。

三、结语

本文从教学目标、教学内容、教学方法上分析“电磁场与电磁波”与“电磁学”两门课程的区别，找出它们之间的切入点，在教学过程中对两门课程进行良好的衔接、承前启后，使学生在知识上自然过渡，树立学习的信心，提高“电磁场与电磁波”课程的教学效率， 保证课程的教学质量，具有一定的参考价值。

参考文献：

[1]许琰，杨爽. 对大学物理教学改革的探索[J]. 教育教学论坛，2014，（1）：49-51.

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电磁学是高等师范院校物理教育专业的一门重要的专业基础课，它不仅是经典物理的重要部分，而且与近代自然科学、技术科学的许多领域有着密切的关系，成为理、工、农、医及师范院校不可缺少的必修课程之一。该课程是许多后续课程，诸如电工学、电动力学、电路分析、光学以及量子力学等的先修课程，同时也是与中学物理教学联系非常紧密的一门课程。通过对电磁学课程的学习，一方面可以使学生全面掌握物质电磁运动的基本概念和基本规律，培养学生分析、处理和研究与电磁学相关问题的能力和素养；另一方面可为后续课程提供许多重要的基本概念、基本规律及研究方法，对学生物理素养的形成以及综合素质的提高至关重要。

一、电磁学课程教学中出现的问题

（一）大学物理与中学物理以及后续物理学课程教学

内容未能很好地接轨电磁学课程教学有时会出现教学内容过度重复，而有时又会出现教学内容过大的跳跃、知识脱节。重复过多使学生觉得枯燥，跳跃太大使学生学习会感觉到困难，这使得学生在学习的时候很难适应。

（二）教学过程不重视理论与实际的联系

传统的电磁学教学过程只强调电磁学静态的知识理论体系结构，课堂呈现的大都是理论公式和习题，远离生活实际，造成电磁学知识的抽象和枯燥乏味，学生体会不到电磁学的重要性和现实意义。

（三）教学观念较陈旧，教学方法较传统

高等学校传统的灌输式教学模式不利于学生创造性思维能力和解决实际问题能力的培养；教学方法和教学手段落后则忽视了学生的学习主体地位，没有灵活运用多种先进的教学方法来引导学生积极思维，激发学生的强烈的求知欲望和创造欲望。

（四）成绩评定形式单一

成绩评定没有全面考核学生所学知识和综合能力。绝大多数高师院校电磁学考核都是通过期中和期末的闭卷考试完成，试卷题型也大都为考查课程主要知识点的选择题、填空题、计算题、证明题等，这种考核形式有引导学生死记硬背的倾向，缺乏对学生综合应用能力与创新能力的考核。

二、电磁学课程改革的内容

（一）教学内容改革

1.密切联系教学实际，删减与高中物理重复的知识点，把讲授的重点放在深化和提高上，为后续课程打基础，注意与后续课程的衔接和分工。比如删减欧姆定律、电路原理、交变电路等内容。

2.以“三大实验定律”为基础，以“相互作用”为线索，将“场”作为教学的核心内容。

3.教学内容上加入一些与实际生活密切相关的教学内容，比如电磁炉、复印机、范德格拉夫起电机等的工作原理；将学科前沿信息融入实际教学中，比如磁单极的相关知识和进展、地磁场的起源等。这些教学内容的改变和引入，使教学变得生动有趣，不仅激发了学生的学习兴趣，使学生较好地掌握处理电磁学问题的方法和思路，而且还能增强学生分析问题和解决问题的能力，为全面提高教学质量奠定基础。

（二）教学方法和教学手段改革

1.既要“授之以鱼”，更要“授之以渔”在课程教学中，改变传统的单纯的“注入式”的教学方法，恰当地采用多种探究启发式教学方法进行教学，比如：案例教学法、讲座式教学法、问题讨论教学法、师生互动教学法、类比教学法、辩论式教学法等，这样使得课堂教学生动活泼，课堂气氛活跃。同时通过课堂讨论、辩论、讲座等形式，提高学生参与教学的主动性，提高学生的自学能力和创新能力，培养学生的师范技能和物理素质。

2.利用多媒体技术和网络，提高教师的教学水平和教学效率将多媒体技术适度引入课堂教学，将一些电磁学过程和实验在课堂中展示出来，在课堂上展现文、图、声、像并茂的教学内容，使课程教学趣味化、直观化，激发了学生的学习兴趣，提高了教学效果；同时利用校园网开展网上教学，将电子教案、习题库、答案以及电磁学相关的前沿动态信息等教辅资料提供给学生浏览和下载，与学生进行网上答疑和学习交流。现代化教学手段的引入，可以在吸收传统教学优点的同时，又能充分发挥多媒体技术信息量大、动态感强的特长，为达到良好的教学效果创造条件。

（三）与国际接轨，积极推进双语教学

在教学中实行双语教学，通过介绍常用专业术语和物理规律外文注释或英文原文，提高学生科技外语交流能力，激发学生主动学习的兴趣；另一方面也为进一步开展电磁学双语教学奠定基础。在教学过程中指导学生查阅文献，阅读与课程内容相关的参考资料，以培养学生掌握学科最新发展动态和拓展知识、参与科研的能力。

（四）考核方法改革

课程考核是教学工作中检查教学效果、巩固学生所学知识、改进教学工作、保证教学质量和督促教学目标实现的重要手段。电磁学课程实施学习过程全程考核，主要由作业、口试、开卷考试、限制性开卷考试、专题报告以及学生出试卷等考核方式组成。作业考核是指考核学生完成作业的质量；口试是指在课堂上针对前面所学知识的运用随时进行的提问；开卷考试主要考查学生对用微元法、高斯定理以及电势和电场的关系等方法求真空中静电场强的掌握情况以及用数学求解电磁学问题的能力；限制性开卷考试是指主要考查学生对所学课程分析、总结和归纳的能力；专题报告是要求学生利用所学的知识解释实际生活中的一些电磁现象，主要考查学生利用所学知识解决实际问题的能力；学生自出试卷是指每个学生自出一套本课程的考试试卷，并解释每个题目考查的原因，主要考查学生对本课程重难点的把握情况，提高学生参与课程教学的主动性，培养学生的师范生技能。

三、总结

1.调整了电磁学课程教学内容，建立了一套完整的适合高等师范类院校物理学专业本科生培养目标的电磁学课程理论教学内容体系。选择既能满足设定教学目标，又能适应中学物理教改需要的教学内容，减少和后续专业课程的重复，同时将电磁学前沿信息以及与实际生活密切相关的教学内容融入教学中。教学内容经过这样调整后，不仅能激发学生的学习兴趣，还能使学生分析、解决问题的能力以及创新能力得到锻炼和提高，学生较好地掌握了处理电磁学问题的方法和思路，为全面提高教学质量奠定了基础。

2.电磁学课程考核实施学习过程全程考核，全面科学地评价学生的学习效果。全程考核主要由作业、口试、开卷考试、限制性开卷考试、学生出试卷以及专题报告等考核方式组成。电磁学课程考核方式从单纯注重考查学生的知识向考核学生的能力转变，比如限制性开卷考试考查了学生归纳总结的能力，专题报告考查了学生运用所学知识解决问题的能力，自出试卷则考查了学生对本课程整体知识的把握情况，考查学生从授课角度来理解该课程知识体系的能力，另外，专题报告和自出试卷也考查了师范类学生对教学技能的掌握情况。同时，电磁学课程考核方式也从“注重理论”向“注重理论联系实际”转变，专题报告不仅考查了学生运用知识解决实际问题的能力，还考查了学生对学科前沿知识、新技术、新成果、新发展的了解程度。采用这样全过程的考核方式，不仅增强了学生参与教学的主动性，还提高了学生的自学能力和创新能力，培养了学生的师范技能和物理素质。总之，科技飞速发展，人才要求不断提高，课程教学也应与时俱进，因此教学改革是课堂教学永恒的话题。师范类物理学专业是培养物理教师的摇篮，我们所培养的毕业生的智能结构、能力体系如何直接关系到我国基础教育改革的成败。因此，从适应中学物理新课改的角度出发，电磁学课程的改革应着重在教学过程中构建有利于提高学生综合素质和创新意识的课程教学体系，在教学中形成灵活的，着重培养学生分析问题、解决问题能力和创造性思维能力的教学方法，建立一套全面体现学生综合能力的考核方案，以考促教，不断提高教学效率和教学质量。只有这样才能跟上时代的步伐，培养出综合素质较高、创新意识较强的物理教师。

［参考文献］

［1］陈琳，李勇，欧永康，王应，宋谋胜.电磁学教学实践与改革研究［J］.铜仁学院学报，2016（4）：47-49.

［2］李艳华.电磁学课程考试改革探究［J］.吉林省教育学院学报，2014（9）：59-60.

［3］杨凡.《电磁学》课程教学改革探讨［J］.绵阳师范学院学报，2011（5）：133-136.

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作者简介：李玲（1980-），女，湖北荆州人，长江大学工程技术学院，讲师。（湖北 荆州 430020）

基金项目：本文系长江大学工程技术学院教研基金项目（项目编号：JY201112）的研究成果。

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）08-0122-02

一、大学物理课程的意义

物理是自然科学的基础性学科，它的知识体系和思维方法贯穿人们学习自然科学知识的始终，培养人的科学精神，陶冶人的科学思维，教会人应用科学方法解决具体问题。大学物理是工程技术学院（以下简称“我院”）相关系部许多专业课的理论基础，但因有些学生认识不到这门课的重要性，经常在课程中期出现畏难厌学现象。现通过改革课堂教学内容，提高学生对物理的学习兴趣，以期提高教学质量。

物理学史上的许多名人轶事及其主要研究成果的研发过程都对今人有积极的指导作用，如光学波粒二象性对立统一的认知发展过程。若能结合教学内容将物理学史中有代表性的知识体系发展融入教学过程，既可激发学习兴趣，改变满堂灌的理论推导，又可有机地将物理知识要点与科学的世界观及哲学发展理论结合起来，有利于学生知识底蕴的累积和眼界的开阔。

表1 大学物理全模块教学内容及课时分配

我院经过数年的大学物理模块化教学改革[1]后，将学科内容分为六个模块（表1），参考课时分配，本文讨论如何在课堂教学中将物理学发明史、名人史等容易激发学生兴趣的内容导入，以及导入后其对课题教学可起到的积极作用，课程内容以我院现在使用的大学物理教材[2]为准。

二、大学物理全模块教学内容

1.力学

力学部分的讲授内容比较多，是物理学实践探索方法与思想体系建立的基础。质点运动学有两次课，第一次课绪论开端讨论物理学科的研究范围，介绍从古人对自然的朴素的感性认知，到近代利用微积分等数学工具归纳推导大量天文观测数据及实验室数据而获得的经典物理学基本定理与定律，再到近现代的量子物理和相对论，物理的发展史即人类文明的发展史。这两次课中要将大学物理用到的微积分、矢量等数学知识进行系统化介绍，而微积分的发明者之一牛顿正是近代物理的标志人物。

牛顿定律部分由于学生熟悉内容，在理论讲授部分很容易分散注意力，因此，介绍相关物理学史知识可以有效地激发学生兴趣。如被称为近代物理学之父的伽利略，其著名的比萨斜塔落体实验、斜面实验皆入选最美丽的十大物理实验，[3]其物理思想如惯性、力与运动的关系等，是牛顿定律得以建立的基石。而牛顿在1687年发表的《自然哲学的数学原理》里提出的万有引力定律以及他的牛顿运动定律是经典力学的基石。质点动力学的最后一节非惯性系略有些抽象。以科里奥利命名的旋转参考系中的惯性力有许多常见实例，很容易激发学生探究兴趣，如台风气旋、下水方向、河道两边的不对称冲刷，以及著名的列入十大最美物理实验之一的傅科摆。[3]

刚体力学三次课相对来讲较难较抽象，需要用到微积分、空间立体几何及矢量叉乘知识，质点的角动量守恒可以将开普勒第二定律的反向证明作为计算实例，而历史上牛顿正是由开普勒第二定律推导定义角动量的概念。在大段相对沉闷的概念讲解和定理推导之后，第谷与开普勒师生的历史故事以及他们对物理学发展的贡献很容易引起学生的兴趣。

2.振动与波

由于简谐振动的振动方程、平面简谐波的波动方程等都比较抽象，其对应物理量的计算和转换多，所以此处学生最易产生厌学情绪。

机械振动两次课，第一节课可用中国2013年6月太空课堂的单摆实验导入；第二次课的利萨，及其后的阻尼振动及共振在生活中的应用及历史中的实例就更多了，例如著名的18世纪拿破仑士兵齐步过桥致桥塌事件。在西方，波动现象的本质首先是由达芬奇发现的。机械波致质点受迫振动也可举共振的例子，如中国古代战场上利用共振器判断敌军多寡和方位、唐朝寺庙钟磬声波共鸣等事例。第二次课中可以用1842年多普勒在散步时的“多普勒效应”导入，目前该效应应用很广。

3.热学

热学部分我院仅勘工和化工类专业需要学习。气体动理论部分的两次课中涉及到微积分的计算不太多，学生们对克拉伯龙方程也有一定基础，总体难度不大。第二次课讲自由度及麦氏速率分布率时，由于涉及到统计学，相对比较枯燥且理论公式冗长。可以在前期已观察到学生状态及接受水平的基础上，淡化理论，介绍一下科学家麦克斯韦生平。麦克斯韦被誉为牛顿与爱因斯坦之间最伟大的物理学家，其一生对物理学的卓越贡献不仅表现在对后世产生巨大影响的电磁学上。他在热力学方面提出的麦克斯韦速率分布式也是应用最广泛的科学公式之一，在许多物理分支中起着重要的作用。同时代的科学家玻尔兹曼将麦克斯韦速率分布式应用到保守力场中，提出了玻尔兹曼速率分布律，在热力学研究中也具有重要地位。玻尔兹曼把物理体系的熵和概率联系起来，阐明了热力学第二定律的统计性质并引出了能量均分原理。

热力学基础三次课，可联系科学发展史上对永动机的探索导入。如第一类永动机不可能被创造出来是违背了能量守恒定律，但其探索过程为热力学第一定律的建立提供了实验基础；第二类永动机则违背了热力学第二定律。此外，热机的发明是工业革命的标志之一，第二次课的循环过程可借此话题导入。

4.光学

光学是一个古老而充满活力的学科。[4]从十七世纪中叶牛顿和惠更斯分别提出光的微粒学说和波动学说之后，对于光的本质的讨论一直是科学界热点话题，直到二十世纪爱因斯坦提出光的波粒二象性才告一段落。牛顿对光学的研究可视为近代光学的开端，其棱镜分解白光实验入选十大最美物理实验，[3]而牛顿环实验至今仍是大学普通物理实验室经典必选实验之一。因牛顿的权威，光的微粒学说在科学界占主导地位达一个多世纪。光的干涉第一次课以十九世纪初托马斯杨的双缝干涉实验导入，这一实验揭开了近代波动光学的序幕，亦是十大最美丽的物理实验之一。[3]第二次课薄膜干涉可以用牛顿环导入。第三次课中介绍在物理学史上有重要地位的迈克尔逊（1907年获诺贝尔奖）干涉仪。

在衍射部分，将菲涅尔等实验证明的著名泊松亮斑在第一次课中作简单介绍，可以很好激发学生的讨论热情，因泊松亮斑的相关历史很多学生都有所了解。第二次课的X射线衍射的发现过程亦十分有趣，伦琴（1901年获诺贝尔奖）夫人戴婚戒的手骨底片是第一张X光照片。

光的偏振总体上是介绍性质的讲授，重点是1808年发现的马吕斯定律和1815年布儒斯特定律，不作重点但比较有趣的双折射现象则是早在1669年就被人们发现的，其在生活中可作为辨别晶体与非晶体的一种方式。

5.电磁学

经典电磁学理论是大学物理中的必修模块，虽然理论推导多、微积分计算多，但现在电磁学在生活中的应用无处不在，且名人辈出，将课上得生动有趣并不困难。如静电学部分的库仑定律是1785年的库仑扭秤实验确立的，电荷的不连续性是由1909年密立根油滴实验证明，该实验是十大最美物理实验之一。[3]第三次课讲授的静电场高斯定理因“数学之王”高斯得名。高斯生平传闻轶事很多，尤其是其研究生时期，误将悬留两千余年未解的尺规作正十七边形问题作为导师布置的课后作业一夜解决的故事，与学生们发散讨论其心理学与教育学意义，对于学生打破心理设限努力钻研学习很有意义。

稳恒磁场八次课，第一次课可介绍中国古人在磁学方面的发现，司南和指南针的意义；1820年近代磁学标志性的奥斯特实验等，也是学生们熟悉且有兴趣的内容。第二次课的毕奥-萨伐尔定律，可介绍其定律的得出与安培、拉普拉斯等在数学上的帮助密不可分，再次强调大学物理学习中高数知识的重要性。安培是一位在数学、物理、化学领域都有很高造诣的科学家，约第四、五次课中学习的磁场安培环路定理、安培定律都由他发现，被称为“电学中的牛顿”。

电磁感应部分则由著名科学家法拉第的故事导入。被誉为电磁学领域的平民巨人，著名的自学成才的科学家法拉第，生于英国一个贫苦铁匠家庭，仅上过小学。1831年，他作出了关于力场的关键性突破，永远改变了人类文明。[4]法拉第是一位无以伦比的实验物理学家，在电磁学、化学、电解、气体液化等实验方面都做出了巨大贡献。而且法拉第十分幸运地在晚年遇到了既能理解他的物理思想，又长于数学的麦克斯韦，第三、四次课中的感生电场和位移电流假设都是由麦克斯韦提出。麦克斯韦于1873年出版了科学名著《电磁理论》，系统、全面、完美地阐述了电磁场理论，这一理论成为经典物理学的重要支柱之一。1888年，赫兹经反复实验，终于发现了人们怀疑和期待已久的电磁波，由法拉第开创、麦克斯韦总结的电磁理论，得以完美的证明。

6.相对论与近代物理

这部分内容我院只有全模块的勘工和建环专业按十六课时教学并考试，其他专业都只作为了解内容，用物理学史的故事串讲主要内容即可：

（1）被誉为20世纪最伟大物理学家的爱因斯坦，其狭义相对论的两个重要结论：时间延缓和长度收缩效应，及物理学史上著名的双生子佯谬已被实验证明，而为爱因斯坦赢得1921年诺贝尔奖的是光电效应的研究。

（2）光电效应方程中的普朗克常数对描述光的量子性非常重要，因研究黑体辐射而提出该常数的普朗克（1918年诺贝尔物理学奖）是量子力学的创始人。有趣的是，普朗克本人并不认同量子理论的许多观点，直到爱因斯坦利用能量子假设完美地解释了光电效应。

（3）被戏传一举拿下诺贝尔奖（1929）的德布罗意也是量子力学创始人之一，以物质波假设理论最初的确是在其博士论文中提出的，因德布罗意是法国公爵兼德国王子，使其曾被传闻是一位花花公子，事实上德布罗意终身献身于科学，深居简出，是个标准的工作狂。

（4）提出氢原子能级假设的天才玻尔是著名的哥本哈根学派创始人，量子力学的奠基人之一。

（5）概率波动力学的创始人薛定谔，提出著名假设“薛定谔的猫”。

三、结束语

本文按长江大学使用的《大学物理》教材[2]中各章节先后顺序列出各章可能提及的名人轶事，希望对执教于大学物理的同仁们在课堂教学中有所助益。

参考文献：

[1]李玲，梅丽雪.独立学院大学物理模块化教学探讨[J].华章，

2009，（9）.

[2]康垂令， 伍嗣榕，李玲.大学物理[M].武汉：武汉理工大学出版社，2013.

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【中图分类号】G633.7 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2016）09-0171-02

近年来随着就业压力的增大，填报物理师范专业志愿的学生越来越少，生源的素质有所下降。此外，为了提高师范生的就业技能，留出更多的时间用于教育和生产实习，许多原本属于高年级的课程下放到低年级学习。在这样的背景下，教师的授课难度越来越大。《电磁学》是一门物理学专业的核心必修课，涉及较多的后续课程，例如《电动力学》、《电介质物理和器件》和《电路分析基础》等。通过多年来的教学实践，笔者发现建立物理图像，抓住物理本质，提高学生学习物理的兴趣对于《电磁学》教学质量的提升具有十分重要的意义。

什么是物理图像？不同的学者对这一概念的理解各有偏差。在大学物理中，物理图像不仅指两个物理量之间的函数关系，还指数学公式的物理内涵或物理过程演绎的规律性。通俗来讲，是指在学习物理公式的过程中脑子里建立的“画面感”――就是把事物之间的联系从理性认识变成感性认识最后固化成物理直觉。对于刚刚学了高等数学，并利用微积分等数学知识来演绎物理规律的学生而言，建立物理图像是很困难的。为了使低年级本科学生建立起清晰的物理图像，我们认为应当加强以下几个方面的工作：

一、物理规律与数学知识的有机结合

作为一名学习物理的学生，不应当将物理当成应用数学。数学是为了表达物理量之间的关系而引入的，而不是为了做计算引入的。例如，电磁场的麦克斯韦方程组，积分形式、微分形式乃至张量形式，从数学角度来说是截然不同的东西。从物理角度来说，尽管所用的数学语言越来越抽象，实际上表达的都是电场磁场的内在联系，物理图像上没有什么差别。物理学是实验现象和实验规律的总结，在授课过程中，教师应当尽可能先展示实验现象，让学生自己去总结物理规律，以建立初步的物理图像，这样才不会迷失于越来越复杂的数学推导。举例来说，在学习磁场的过程中，通过实验展示，学生很快会发现每一条磁感线都是闭合的。他们很容易接受“磁场是无源场”这一概念。然后在推导高斯定理时，因为磁场的无源性，对于一个封闭的曲面，不存在“磁单极子”接收磁感线，进去一条磁感线，必然会出来一条磁感线，因此磁场的高斯通量为零。然后通过严格的数学推导，将高斯定理的积分形式转变为微分形式，即磁场的散度为零。以后，学生在听到“散度为零”时，他就懂得里面存在一个无源的矢量场。这样，本来是基于实验得到的物理图像就变成基于数学公式联想到的物理图像，达到数学与物理有机结合的目地。从认知规律的角度，这是一种认知层次的提升。

二、物理抽象规律和过程的“可视化”

在学习电磁学的过程中，电场和磁场因为分别引入了电场线和磁感线作为形象化的手段，学生比较容易想象物理量的大小和方向。但是有些物理量比如能量，既看不见也摸不着也没有“能量线”之类的辅助手段，在授课过程中又如何让学生较好地掌握其物理图像呢？电磁学关于能量的学习一直是难点之一，涉及的能量种类繁多，包括点电荷体系的自能和互能、导体组的能量、电容器的储能以及通电线圈的储能等。例如贾起民等编著的《电磁学》一书中有近十处章节提及能量的问题[1]，其它如赵凯华版[2]和梁灿彬版[3]的《电磁学》也多次提及能量的问题，而且这些章节遍布全书。如果学生不明确每种能量说明的物理图像，不了解这些物理图像之间的联系和差别，只是死记硬背公式，一定会弄得头昏脑胀，甚至张冠李戴。因此，我们曾尝试依照循序渐进的规律，不拘泥于课本安排的授课顺序，将电场能量和磁场能量分别作为两个单独的体系，从学生熟悉的知识点――力作功和能量守恒定律出发，得到各种电荷体系的静电能量的场源表示形式，再经过数学推论得到能量密度的表示形式并推广到极化电场的情形，从中揭示了电场能量的物理本质。对于磁场能量也作了类似处理，最后水到渠成得到了电磁场的能量密度及能流的坡印亭矢量。在授课过程中，因为针对的是同一个知识点的变迁和演化，学生通过类比，容易针对每一种能量建立清晰的物理图像，而且在教学过程中，培养了学生的物理分析能力和数学逻辑思维能力，已初步取得了良好的教学效果。

综上所述，研究物理图像对本科教学的促进作用，将抽象的物理概念和规律具体化，使学生更好地掌握和理解电磁学的概念和规律是值得思考和有意义的问题。

参考文献

[1]贾起民，郑永令，陈暨耀.电磁学（第二版）[M].北京：高等教育出版社，2001.

[2]赵凯华，陈熙谋.电磁学[M].北京：高等教育出版社，2003.