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浅谈电动力学多元化教学改革与实践
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作者:admin   更新时间:2018-03-08 

电动力学与经典力学、热力学与统计物理、量子力学统称为四大力学,是物理类专业学生必修的一门专业基础理论课。电动力学的研究对象是电磁场的基本属性、运动规律及其与带电粒子之间的相互作用,课程以电磁学为基础,但研究内容比电磁学更为广泛和深入,在生产实际和科学技术领域内存在诸多相关的物理问题,例如无线电微波系统、导波光学、天体物理、等离子体物理等。长期以来,理工科的学生感到电动力学学习困难,究其根源有三:(1)电动力学课程仅限于书本内容,对于大学本科阶段的学生来说,除了是一门学期末的考试内容和考研的科目外,不明所以,不知所用,以为“学无所用”,自然而然没有学习兴趣;(2)电动力学繁琐复杂,思路完全不同于电磁学,其基本物理规律的数学描述及运算涉及三维微分及积分过程。这些物理想法与数学公式的转化,将已很抽象的物理概念更加复杂化,让学生深感入门困难;(3)目前的教学体系和教学过程,部分教师只讲书本,忽略了其他方面的教学。即使课本中加入与课程内容相关的学术前沿问题,例如光子晶体、等离子体、超导、天线辐射等,但由于课程学时限制,无法给学生详细讲解并进行深入分析。

要想改变目前的状况,除了采用传统的讲授方法外,还应该从教学内容、教学方法、考核方式等多方面进行创新性改革,使学生明白学习电动力学的意义、激发学习兴趣,在有限的时间内,对基础问题融会贯通,对科学问题能够理论联系实际,运用电动力学知识进行分析问题和解决问题,培养学生动手能力和创新能力。

2. 电动力学教学改革方案

2.1  教学内容改革

电动力学这门课程是计算电磁学的基础,参考文献[1]-[4],其主要内容分为五方面:1)电磁现象的普遍规律;(2)静电场与静磁场的性质;(3)电磁波的激发、辐射和传播问题;(4)狭义相对论初步内容;(5)带电粒子与电磁场的相互作用。电动力学课程中数学推导与物理规律一一对应,基本概念的物理意义和应用范畴是每一本教材的核心内容。在教学过程中,除了加强掌握物理概念、电磁规律和物理问题的数学推理外,还相应开展以下教学内容:

1)教学内容与物理实验相结合。

将教学内容与物理实验相结合,使学生更直接、更深刻的理解学习要点,使电动力学理论密切联系实际应用过程。例如, 对大珩班学生教学过程中,在讲述了静磁场超导体的电磁性质这一节后,开展了实验《高温超导材料基本特性测试》,通过将物理基本概念和物理实验相互融汇,更好地使学生理解超导材料的物理特性及对其性质的测量过程;在讲述平面电磁波在波导中传播这一节内容后,对应开展了物理实验《微波实验》,在实验中学习微波信号源、波导同轴转换器、E-H面阻抗双路调配器、微波测量线等内容,进而与微波的产生、微波在波导中的选频功能、微波的测量系统等方面知识相对应。结果表明,将理论教学内容渗入到实验课程中对原理、器件构成的讲述过程中,会让学生在实际问题中更深刻的理解电磁波的激发与辐射基本原理、电磁波在波导中的传播模式问题,同时直接将所学基础概念、公式与实验器件相联系,激发了学生的学习兴趣、培养了学生动手能力。