第8卷 第2期2006年3月天津职业院校联合学报Journal of T i a nji n Vocati o nal I n stitutes NO.2V o.l 8M ar .2006电磁学知识结构体系与教学研究向永红,贺 静,王泽玲(天津工程职业技术学院,天津市 300280)摘 要: 电磁学知识结构体系分为/静态0知识结构和/动态0知识结构。

在电磁学教学中,只有把教育理论与电磁学内容有机结合起来进行教学改革,才能有效地提高学生的科学素质,达到事半功倍的效果。

关键词: 电磁学;知识结构;教学改革中图分类号:O 441 文献标识码:A 文章编号:1673-582X (2006)02-0139-04收稿日期:2005-09-26作者简介:向永红(1967-),女,湖南人,天津工程职业技术学院高级讲师,学士,主要研究物理教学;贺静(1964-),女,河北省人,天津工程职业技术学院讲师,主要研究经济数学;王泽玲(1962-),女,天津人,天津工程职业技术学院讲师,主要研究计算机信息技术。

电磁运动是物质的一种基本运动形式,电磁学的研究范围是电磁现象的规律及其应用。

其具体内容包括静电现象、电流现象、磁现象,电磁辐射和电磁场等。

为了便于研究,把电现象和磁现象分开处理,实际上,这两种现象总是紧密联系而不可分割的。

透彻分析电磁学的基本概念、原理和规律以及它们的相互联系,才能使孤立的、分散的教学变成系统化、结构化的教学。

只有在教育科学理论指导下,从物理学的本身进行研究,并从它自身的特点出发挖掘物理教学的育人功能,才可能寻找出最佳的教学结构体系。

按照这样的思路,我们在电磁学的教学中作了一些探索性的工作,即把教育科学中的/结构理论0及系统科学的一些成果与电磁学自身的特点相结合,建立了一个电磁学教学结构体系,从实践反馈的信息来看效果是好的。

一、电磁学知识结构体系所谓学科知识结构理论指的是美国心理学家布鲁纳倡导的,而又被美国教育哲学家施瓦布等人完善的关于课程的理论。

布鲁纳指出:/不论我们选教什么学科,务必掌握该学科的结构。

0我们从他的代表作《教育过程》中领会他所指的学科结构是由学科的基本概念,基本原理、基本定律组成的体系。

但重大欠缺是他的学科结构只注重了理论知识的组成,施瓦布等人针对这种理论的不足,补充、完善了学科结构理论,他主张从概念的产生、形成过程以及知识体系的形成过程,还有主体认识过程的操作/工具0一研究方法去把握结构。

可见,知识结构应包括两个方面,为区分起见,我们将这两个方面所反映的知识结构分别称为/静态0知识结构一反映一定历史阶段的理论知识成果和/动态0知识结构一展现了理论认识成果的产生及发展过程。

学科知识结构是两者的有机统一,这样的知识结构便是在教学中务必使学生掌握的基本结构。

结构的概念来源于系统科学,因此知识结构体系具有这样几个特征:整体性、稳定性、层次性和动态性。

我们从三个方面对电磁学知识结构体系进行研究。

(一)电磁学/静态0知识结构体系电磁学是物理课中最/成熟0同时又是最重要的组成部分,它不仅内容丰富、应用广泛,而且在概念和处理问题方法上都是继力学之后一个新的里程碑。

整个电磁学是以下列问题发展演进的。

第一,电磁作用的本质和机制是什么?电磁场是否是物质?第二,电场与磁场究竟是彼此无关的,还是有内在联系的相互制约的统一体?电磁场变化运动的规律如何?有什么重要的物质性质?第三,怎样描述电磁场与物质(指有质量的实物)的相互作用?各种物质的微观电磁结构如何?怎样描述物质的电磁性质?第四,麦克斯韦的电磁场理论是怎样建立的?有何预言?他的实验如何作出最终的决定性判断?为什么它被誉为19世纪物理学最伟大的成就?从它的建立能够得到什么重要的启迪?第五,如何用/场0的观点来定义、分析和总结电路中的概念和规律,使我们对电路有更深刻的理解?上述问题横贯电磁学整个课程之中,给予全面的回答也并非电磁学这一部分的任务,但应以此统帅全课,吸引学生关注怎样逐步解决以#139#上问题。

电磁学的内容基本上可以归纳成两部分:/场0(电场和磁场)和/路0(直流电路和交流电路)。

其中场的部分占较大比重,只有明确它们各自的特征及相互联系,才能有计划、有目的地提高学生的思维品质,培养学生的思维能力。

我们用图1表示电磁学总体/静态0知识结构。

图1由此图可看出:场的方法是研究电磁学的一般方法。

场是物质,是物质相互作用的特殊方式.大学物理的电磁学部分完全可用场的概念统帅起来,静电场、稳恒磁场、恒定电磁场、变化电磁场等,组成一个关于场的系统,该系统包括大学物理电学部分的各章内容。

/路0是/场0的一种特殊情况。

大学教材以/路0为线的大骨架可理顺为:静电路、直流电路、磁路、交流电路、振荡电路等。

/场0和/路0之间存在着内在的联系。

麦克斯韦方程是电磁场的普遍规律,是以/场0为基础的。

/场0是电磁运动的实质,因此可以说/场0是实质,/路0是方法。

(二)电磁学/动态0知识结构体系物理学家工作的一个重要方面是建立物理理论,因此,物理理论也理所当然地成为物理教学中最为重要的内容。

物理理论是在观察和实验研究基础上理性思维的产物,当然也隐含着某些更基本的考虑或某些基本假定。

诚然,从现象、事实到理论并没有逻辑通道,它是科学家在一定认识程序上对物理学研究方法的综合应用过程。

所以电磁学的/动态0知识结构应该全面反映电磁学研究方法之间以及电磁学理论与研究方法之间的联系。

电磁学理论遵循着观察和实验并在此基础上进行一般逻辑方法(比较、分类、类比、相似、归纳、演绎、分析和综合等)、数学方法、非逻辑方法(直觉、灵感、想象)、物理学中的美学方法,再经过科学抽象和科学假说等方法而建立和发展起来的。

在福兰克林、米歇尔、卡文迪许等人实验基础上,库仑借助扭秤实验分析总结得出以他的名字命名的实验定律,这一定律的建立所运用的方法可概括为:实验探索法;数学演绎法(此前的电磁现象研究停留在定性归纳的非数学描述阶段);直觉思维法(库仑用完全相同的小球平分电荷在当时只是一种不能证明的/猜测0,至于点电荷间静电力沿电荷联线方向也不是实验结果,它们都是从对称性分析得出的);类比推理法(平方反比关系与万有引力定律酷似,库仑借助/点电荷0模型和/电量0概念的假设,类比/质点0和/质量0从而确立了库仑定律)。

奥斯特发现电流的磁效应,第一次揭示了电与磁的联系,而且表明电流对磁极的作用力具有横向力的性质,而当时所知的全部作用力都是推拉性质的有心力。

至此,人们很自然地提出:支配横向力的基本定律是什么?毕奥、萨伐尔两人研究和分析了很多实验资料并在法国数学家拉普拉斯的帮助下导出了电流元激发磁场的规律。

这个规律并不是直接在实验事实的基础上概括出来的,它的真伪是通过间接方法得到证实的,即由它和磁场迭加原理计算出来的所有结果都很好地与实验相符合。

从发现电流的磁效应起,人们便关注它的逆效应:磁的电效应,即磁能否产生电流?法拉弟坚信各种/自然力0是统一的观点,以及电磁现象近距离作用的观点,他曾明确指出:/我早已持有一种见解,它几乎达到深信不疑的程度,即物质之力所表现出来的各种形式具有共同的起源,换言之,它们彼此是如此之相互依赖,以致于它们能够相互转化并具有力的当量。

0正是在这种思想的指引下,法拉弟在毕生的实验研究中,不断地寻找各种不同领域现象之间的联系。

10年之后,他通过力线把电现象和磁现象联系了起来。

麦克斯韦电磁场理论建立过程为我们提供了丰富的方法论教益和启迪:第一、寻找不同现象之间的联系,建立统##140一的动力学解释是理论工作的一贯追求,也是理论发展的诱导动力。

建立统一理论的途径不是唯一的,结果也可以大相径庭,评价的标准不仅在于能否统一解释所有的想象和规律,更在于它能否作-出正确的预言,能否为进一步的研究和应用开拓道路,以及本身是否自洽、乘法、和谐等。

第二、类比研究在科学发现中具有重大意义。

不同事物外在的相似可能隐含内在的相同,这是自然提供的一种暗示,麦氏在他的三篇论文中多次使用了类比研究的方法,使得他逐步揭示了科学真理。

第三、用数学工具精确地表述科学思维是科学发展的要求,也是科学成熟的标志之一。

麦氏凭借他深厚的数学基础和娴熟的教学技巧,将他的思想、模型和图像最终表述在电磁场的基本方程里。

第四、和谐是理论完善的必要因素。

自然界是和谐的,反映自然界的科学理论也应该是和谐的。

一种理论可能已经具有某些更大实用价值,但是在理论框架上如果还潜存着某些不和谐的因素,那么它必定没有穷尽未知世界的全部特征,也就必定有进一步探索、改进甚至扬弃的必要。

N eu m ann-W eber理论与M axw ell的和谐电磁场理论就是一个明证。

第五、丰富的想象力和深刻的洞察力,以及在广博知识基础之上的大胆猜测和假设。

通过以上分析,电磁学/动态0知识结构体系可用框图2表示出来。

图2(三)电磁学知识结构体系的功能这样构筑的知识结构体系具有以下功能:1.有助于认识物理知识之间的联系,理解物理知识的深刻内涵,从而产生丰富的联想。

2.结构是有层次的,电磁学中有许多定理、定律和法则,但它们的地位并不平等。

例如麦氏议程是整个电磁学领域中的基本规律层次最高,了解了这些就知道哪些是普遍适用的知识,哪些是在特定条件下才适用的知识。

3.它有助于明确所学的物理知识对了解具体问题所达到的效果。

4.有助于牢固记忆知识及对知识的应用。

二、电磁学的教学我们认为电磁学教学的任务就是将静态和动态的知识结构作为一个有机整体,把它内化为学生的个体知识结构,从而实现物理知识结构的整体转化。

教育实践中,若只注重/静态0结构教育,培养的学生不仅没有发展,缺乏创造,而且也不可能真正掌握电磁学的理论知识;若片面追求/动态0结构教育,结果理论方法便失去了赖以作用的对象,失去生机,逐渐枯萎,为此我们提出以下教学建议。

(一)按电磁学科特点施教电磁场的教学是电磁学课程的重点部分。

学生在中学的学习阶段虽也初步接触过一些电场和磁场的知识,但是,当时场仅作为描述电荷间及电流间相互作用的辅助手段,并未触及到实质。

因此全面而系统的学习场的知识和研究方法,对于学生而言,都是全新的课题,一开始就应正面强调研究对象的重大变化,引导学生积极主动地去迎接挑战。

场是区别于实物的另一类具有广泛的连续分布的客体,认识场要从它的空间分布入手,从总体上去把握它,所以认识场的第一步是确定它的空间分布,诸如对称性分析、近似计算,渐进行为的考察,乃至电力线的形象描绘等等都是为了确定场的空间分布。

其次,应该强调的是,对于矢量场,仅仅知道它在各种情况下的空间分布还不够,必须进一步认识其总体分布所具有的某种特征和性质,以便从总体上加以比较和进行区别。

以流速场为例,考察流体流动是否形成/旋涡0、是否有/源0,只有这样才能从总体上把握各种流速场的特征,并加以区别、比较。