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摘要本文以普通大学物理学中磁场的第一堂课为例,阐明在普通物理学中尝试研究性教学的几点做法和体会。实践表明,基础课程中平时看似简单的知识点,如果选择内容合适、组织科学,也可以开出一堂别具一格的研究性教学的范例课。
关键词研究性教学 普通物理学 磁场
中图分类号:G420文献标识码:A
随着社会的发展,人类已经步入知识经济化、信息化的时代。新时代对高素质人才的要求,冲击着传统的封闭、单向传输的课程教学模式,知识结构和教育特点发生了很大的变化。高校教育正逐步由“以教室为环境、以老师为中心”的教学模式转变为“设情景为环境,以学生为中心”的教学模式。传统的基础课程如何适用新的教学环境,培养高素质创新人才,是当前教学改革研究的重要课题之一。
农业院校具有鲜明的专业特色,对各门基础课程的要求不仅仅是掌握知识本身,更注重于隐含在知识中的科学思维能力的传播。物理学作为现代技术的先导不但具有完备的知识体系,而且其几百年的发展历程为社会科学和自然科学提供很多宝贵的科学研究方法,是人类共同的财富。物理学中丰富的科学研究方法、农林院校的学生专业特点和研究型教学需要三者的有机结合,给物理教师在农业院校创建研究性教学模式的过程中提供良好的契机。下面就电磁理论课堂教学,提出个人关于如何体现研究性教学、激发学生学习兴趣的一些探索和心得。
1 小命题、大视野,培养学生的大局观
稳恒磁场是大学物理学的基础理论之一。在传统磁场第一课堂中,教师会罗列自然界的各种磁现象作为引入,其中包括地磁场。这样的教学也不是无可取之处,放在以前以教师为主体的教学模式中可能还是一堂精彩的课。但是,它并不能适合研究型教学模式,因为零碎的知识很难给学生一幅完整的图像,另外,蜻蜓点水似的泛泛举例无法激发学生深入研究的兴趣。因此,我们采用“抓住一点深挖”的方法,给学生建立一个完整磁场知识框架,从而做到以点促面。
在物理学中有许多现象看似平常却有着深远的意义,例如地磁场作为基础磁现象在整个生态平衡中占有举足轻重的地位。在课堂中可以通过启发法引导学生深入讨论磁场的导航作用和保护作用,针对学生不太熟悉的保护作用还可以播放相关电影深化他们的认识层面。地球磁场抵御着太阳风等宇宙中高速运动的带电粒子对地球生命的侵害,为地球生命蓬勃发展支起一把保护伞。科幻电影《地心毁灭》中有非常深刻的画面描述了当地磁场消失后,地球所遭遇的如鸽子失去方向乱撞、城市一片混乱、某些配有特殊心脏起搏器的人群暴毙等一系列灾难性事件。在课堂上播放科幻片片段可以深深地抓住学生的眼球,激发他们进行深层次的思考,提出一系列问题,例如:地球磁场真的会消失么?地磁场有多大?地磁场如何测量?针对这些问题,可以带着学生到当前的科学前沿知识中去寻找答案。现代科学家通过精密仪器对地磁场进行了长期监测,主要是探测地磁场南北极的具体坐标及地磁场的强弱变化。实验数据揭秘了一个有趣的磁现象:地磁场正在逐步反向。在对地磁场的逐步深挖中,越来越有趣的实验现象可以激发学生对未知问题探索的热情,也会激励他们提出更多的“为什么”。
从基本磁现象—地磁场到当今的前沿知识—地磁场反向,这一系列的探索最终的落脚点是:科学家是通过怎样的测量手段得到如此惊人的结论的。这个问题的回答涉及到磁场的测量,回答过程中可以非常合理和自然地引入磁感应强度及磁感应线等物理概念。通过这种方式,物理概念也生动起来。物理概念的本质是为了解决实际问题。在传统教学过程中,物理概念往往是直接提出,显得生硬而突兀。学生接触到物理概念首先便会陷入死记硬背的习惯中去,并不能真正对概念进行理解消化。如果采用前面所提出的引导式教学方法,则可以突显研究性,更利于学生思考与理解。
通过对一环一环问题的解答,不但让学生掌握了知识主体,也提高了他们提出疑问、独立思考的能力。从小现象入手,引出大视野,不仅帮助学生理解物理量的本质,更能引导学生学会问问题、尝试解决问题,从更深的层面激发学生学习的主动性与创新性。
2 解密科学研究的原创思维活动,培养学生创新思维能力
物理学家们经过努力构建了完美的物理知识体系,这些科学知识在科学方法的帮助在人类文明发展过程中下得到放大和突显。物理科学研究方法是物理学家们经过长时间的知识积累和智慧闪光总结而来,常用的有观察法、实验法、类比法等。当今许多领域的科学研究过程中都能找到这些方法的身影。在传授物理科学知识的同时,还可以借助物理学家原创思维活动的模拟,给学生设置科学研究的情景。例如毕奥—萨伐尔定律的建立过程充分体现出物理学发散性思维与严谨性分析相结合的大师风范。
毕奥——萨伐尔定律在稳恒磁场中的地位等同于电场中的库仑定律。它的建立过程体现出了实验与理论之间的完美结合。传统大学物理教学过程中,对这部分知识的处理过于简单,往往是教师直接将毕奥——萨伐尔定律拿出来,不作任何推导。有些课堂针对学生的专业(如信息、数学等)会介绍毕奥——萨伐尔定律的建立过程。这样的教学过程,或多或少有灌输的成分。学生对知识的理解只能建立在记忆的基础上。如果从数学角度完整推导该定律,虽然逻辑性强,但由于低年级学生基础知识薄弱,他们无法从繁琐公式中跳出来、从宏观上理解毕奥——萨伐尔定律的物理本质。为了改变这种尴尬的现状、饱满课堂内容,本人在具体教学过程中采用类比法启发学生用研究的态度理解传统物理知识,类比库仑定律和万有引力定律、根据实验现象一步步建立毕萨定律的数学描述。
毕奥——萨伐尔定律是在科学家们想要控制磁场的欲望驱使下建立起来的。当今许多应用领域都对磁场类型进行了严格的要求,例如:粒子加速器中需要使用到匀强磁场、核磁共振中需要使用到梯度磁场、电子显微镜中需要使用到聚焦磁场。为了实现这些各式各样的磁场,就要求对磁场进行控制。在课堂中介绍这些与实际应用紧密相连的需求,可以让学生了解到当今磁场的应用现状,开拓他们的视野,同时也让他们加深解决问题的迫切感。控制磁场要通过控制产生磁场的源实现。一切磁现象源于电流,因此控制磁场就是通过控制电流的大小和流向从而获得所需要的磁场分布。这一目标实现的前提是必须知道电流强度与磁感应强度之间的定量关系即毕奥——萨伐尔定律。为了帮助学生建立两者之间的定量关系,可以先总结一下毕奥和萨伐尔的实验结果:(1)电流强度I增大,磁感应强度B增强;(2)研究的空间位点距离电流导线越远(即r越大),磁感应强度B越小。根据实验结果,可以从建模的角度出发建立I及r之间的初步关系式(为了简化问题,可以先不考虑磁感应强度的方向):B=k,其中a,b,和k都是常数。类比法在建模的过程中起到了决定性的作用,主要体现在参数的确定上。类比库仑定律,可以非常直观地得到a=1,b=2。为了确定k的值,则需要仔细分析已知的常数0和0。0为真空中的磁导率,0为真空中的介电常数。可以看出这两个参数所表征的物理效果是相反的:一个为导,另一个为介。这也就决定了建模过程中如果0是放在分母中则必定放在分子0中,分析得到k = 。最后引入方向:。
在分析结果的可信度的时候,帮助学生重新回顾一下模型建立的过程,引导他们发现前面所采用的类比法中存在的问题:类比的对象不一致。在静电场中,库仑定律描述的是电荷元与电场强度之间的关系,电荷元是任何带电体的基本单位。类比到稳恒磁场中我们得到的是电流与磁感应强度的关系,电流不是一个基本单位,它依赖于导线的形状。所以有此可以引导学生寻找电流中的元——电流元,并对已得到的数学关系式进行修正:。其中两个矢量相乘得到第三个矢量的运算方式在数学中只有叉乘才能实现,所以最终我们可以建立的毕萨定律的具体表达式为:。这个式子与当年数学物理学家拉普拉斯通过严谨数学推导得到的式子是一致的。
通过对科研情景的解密,可以帮助低年级学生在数学基础薄弱、科研能力匮乏的现状下,初步建立科学的研究思路与方法,培养他们的创新能力和创新思维。在大学物理的教学过程中,通过灵活应用情景重建、建模理论、类比法等各种现代化科学研究方法,可以极为有效的激发学生的学习兴趣和推进学生的综合素质的培养。
3 结合科学最新进展,引导学生探索未知
科学是在不断发展进步的。当今大学物理课堂上所传授都是传统的物理学知识,有些理论发展到今天已经受到了新实验结果的挑战。如果将科学前沿信息结合到实际课堂中,可以启发学生探索未知。
磁场中最具有争议的问题是磁单极子是否存在。磁单极子是理论物理学弦论中指一些仅带有北极或南极单一磁极的磁性物质。由于将条形磁铁截断为二,新得到的两根磁铁碎段会重新编排形成南北极。如果继续截断,每个磁铁碎段都会具有南北极。因此即使磁场和电磁如此相似,科学家们也坚信无法找到磁单极子。磁场的高斯定律在磁单极不存在、磁力线闭合的基础上,得到穿过高斯面的磁通量为零,进一步可以推论稳恒磁场是无源场。不过早在1931年英国物理学家狄拉克利用数学公式语预言了磁单极子的存在。直到2009年9月世界科学界顶级刊物《science》上的一篇文章才宣布在实验上发现了磁单极子。这一爆炸性新闻轰动了整个物理学术界。到了这里就引导学生几个问题。首先是为什么以前都没有发现磁单极子?也就是磁单极子的存在条件是什么。现在有些理论认为磁单极子不是以基本粒子的形式存在,而是以自旋冰等奇异的凝聚态物质系统中的出射粒子的形式存在。第二个问题是如果存在磁单极子,稳恒磁场的高斯定理是否还成立?不成立,如何修改?这些问题的回答则可以留给学生课后思考,作为培养他们思维延展性的一次训练。这些由于科技前沿遗留的问题都能给学生以启发,开拓他们的思路。
大学物理学作为农业院校的一门基础学科,在培养学生研究创新能力上可以体现出“开”、“展”、“拓”三个字的作用:“开”即打开学生的视野、“展”为发展学生的科研基础功、“拓”是拓展学生的思路,这堂课程恰好体现这一思想。最后希望物理教师在基础物理课上不断改革创新研究性教学模式,提高农林院校物理课的地位。
参考文献
[1]胡田庚.高校文科研究型教学的价值定位[J].湖北:高等函授学报(哲学社会科学版),2004(2).
[2]Magnetic Monopoles Detected In A Real Magnet For The First Time.Science Daily.2009-09-04.
[3]C. Castelnovo; R. Moessner1, S. L. Sondhi(2008年1月3日).Magnetic monopoles in spin ice.Nature,451:42~45.DOI:10.1038/nature06433.
关键词研究性教学 普通物理学 磁场
中图分类号:G420文献标识码:A
随着社会的发展,人类已经步入知识经济化、信息化的时代。新时代对高素质人才的要求,冲击着传统的封闭、单向传输的课程教学模式,知识结构和教育特点发生了很大的变化。高校教育正逐步由“以教室为环境、以老师为中心”的教学模式转变为“设情景为环境,以学生为中心”的教学模式。传统的基础课程如何适用新的教学环境,培养高素质创新人才,是当前教学改革研究的重要课题之一。
农业院校具有鲜明的专业特色,对各门基础课程的要求不仅仅是掌握知识本身,更注重于隐含在知识中的科学思维能力的传播。物理学作为现代技术的先导不但具有完备的知识体系,而且其几百年的发展历程为社会科学和自然科学提供很多宝贵的科学研究方法,是人类共同的财富。物理学中丰富的科学研究方法、农林院校的学生专业特点和研究型教学需要三者的有机结合,给物理教师在农业院校创建研究性教学模式的过程中提供良好的契机。下面就电磁理论课堂教学,提出个人关于如何体现研究性教学、激发学生学习兴趣的一些探索和心得。
1 小命题、大视野,培养学生的大局观
稳恒磁场是大学物理学的基础理论之一。在传统磁场第一课堂中,教师会罗列自然界的各种磁现象作为引入,其中包括地磁场。这样的教学也不是无可取之处,放在以前以教师为主体的教学模式中可能还是一堂精彩的课。但是,它并不能适合研究型教学模式,因为零碎的知识很难给学生一幅完整的图像,另外,蜻蜓点水似的泛泛举例无法激发学生深入研究的兴趣。因此,我们采用“抓住一点深挖”的方法,给学生建立一个完整磁场知识框架,从而做到以点促面。
在物理学中有许多现象看似平常却有着深远的意义,例如地磁场作为基础磁现象在整个生态平衡中占有举足轻重的地位。在课堂中可以通过启发法引导学生深入讨论磁场的导航作用和保护作用,针对学生不太熟悉的保护作用还可以播放相关电影深化他们的认识层面。地球磁场抵御着太阳风等宇宙中高速运动的带电粒子对地球生命的侵害,为地球生命蓬勃发展支起一把保护伞。科幻电影《地心毁灭》中有非常深刻的画面描述了当地磁场消失后,地球所遭遇的如鸽子失去方向乱撞、城市一片混乱、某些配有特殊心脏起搏器的人群暴毙等一系列灾难性事件。在课堂上播放科幻片片段可以深深地抓住学生的眼球,激发他们进行深层次的思考,提出一系列问题,例如:地球磁场真的会消失么?地磁场有多大?地磁场如何测量?针对这些问题,可以带着学生到当前的科学前沿知识中去寻找答案。现代科学家通过精密仪器对地磁场进行了长期监测,主要是探测地磁场南北极的具体坐标及地磁场的强弱变化。实验数据揭秘了一个有趣的磁现象:地磁场正在逐步反向。在对地磁场的逐步深挖中,越来越有趣的实验现象可以激发学生对未知问题探索的热情,也会激励他们提出更多的“为什么”。
从基本磁现象—地磁场到当今的前沿知识—地磁场反向,这一系列的探索最终的落脚点是:科学家是通过怎样的测量手段得到如此惊人的结论的。这个问题的回答涉及到磁场的测量,回答过程中可以非常合理和自然地引入磁感应强度及磁感应线等物理概念。通过这种方式,物理概念也生动起来。物理概念的本质是为了解决实际问题。在传统教学过程中,物理概念往往是直接提出,显得生硬而突兀。学生接触到物理概念首先便会陷入死记硬背的习惯中去,并不能真正对概念进行理解消化。如果采用前面所提出的引导式教学方法,则可以突显研究性,更利于学生思考与理解。
通过对一环一环问题的解答,不但让学生掌握了知识主体,也提高了他们提出疑问、独立思考的能力。从小现象入手,引出大视野,不仅帮助学生理解物理量的本质,更能引导学生学会问问题、尝试解决问题,从更深的层面激发学生学习的主动性与创新性。
2 解密科学研究的原创思维活动,培养学生创新思维能力
物理学家们经过努力构建了完美的物理知识体系,这些科学知识在科学方法的帮助在人类文明发展过程中下得到放大和突显。物理科学研究方法是物理学家们经过长时间的知识积累和智慧闪光总结而来,常用的有观察法、实验法、类比法等。当今许多领域的科学研究过程中都能找到这些方法的身影。在传授物理科学知识的同时,还可以借助物理学家原创思维活动的模拟,给学生设置科学研究的情景。例如毕奥—萨伐尔定律的建立过程充分体现出物理学发散性思维与严谨性分析相结合的大师风范。
毕奥——萨伐尔定律在稳恒磁场中的地位等同于电场中的库仑定律。它的建立过程体现出了实验与理论之间的完美结合。传统大学物理教学过程中,对这部分知识的处理过于简单,往往是教师直接将毕奥——萨伐尔定律拿出来,不作任何推导。有些课堂针对学生的专业(如信息、数学等)会介绍毕奥——萨伐尔定律的建立过程。这样的教学过程,或多或少有灌输的成分。学生对知识的理解只能建立在记忆的基础上。如果从数学角度完整推导该定律,虽然逻辑性强,但由于低年级学生基础知识薄弱,他们无法从繁琐公式中跳出来、从宏观上理解毕奥——萨伐尔定律的物理本质。为了改变这种尴尬的现状、饱满课堂内容,本人在具体教学过程中采用类比法启发学生用研究的态度理解传统物理知识,类比库仑定律和万有引力定律、根据实验现象一步步建立毕萨定律的数学描述。
毕奥——萨伐尔定律是在科学家们想要控制磁场的欲望驱使下建立起来的。当今许多应用领域都对磁场类型进行了严格的要求,例如:粒子加速器中需要使用到匀强磁场、核磁共振中需要使用到梯度磁场、电子显微镜中需要使用到聚焦磁场。为了实现这些各式各样的磁场,就要求对磁场进行控制。在课堂中介绍这些与实际应用紧密相连的需求,可以让学生了解到当今磁场的应用现状,开拓他们的视野,同时也让他们加深解决问题的迫切感。控制磁场要通过控制产生磁场的源实现。一切磁现象源于电流,因此控制磁场就是通过控制电流的大小和流向从而获得所需要的磁场分布。这一目标实现的前提是必须知道电流强度与磁感应强度之间的定量关系即毕奥——萨伐尔定律。为了帮助学生建立两者之间的定量关系,可以先总结一下毕奥和萨伐尔的实验结果:(1)电流强度I增大,磁感应强度B增强;(2)研究的空间位点距离电流导线越远(即r越大),磁感应强度B越小。根据实验结果,可以从建模的角度出发建立I及r之间的初步关系式(为了简化问题,可以先不考虑磁感应强度的方向):B=k,其中a,b,和k都是常数。类比法在建模的过程中起到了决定性的作用,主要体现在参数的确定上。类比库仑定律,可以非常直观地得到a=1,b=2。为了确定k的值,则需要仔细分析已知的常数0和0。0为真空中的磁导率,0为真空中的介电常数。可以看出这两个参数所表征的物理效果是相反的:一个为导,另一个为介。这也就决定了建模过程中如果0是放在分母中则必定放在分子0中,分析得到k = 。最后引入方向:。
在分析结果的可信度的时候,帮助学生重新回顾一下模型建立的过程,引导他们发现前面所采用的类比法中存在的问题:类比的对象不一致。在静电场中,库仑定律描述的是电荷元与电场强度之间的关系,电荷元是任何带电体的基本单位。类比到稳恒磁场中我们得到的是电流与磁感应强度的关系,电流不是一个基本单位,它依赖于导线的形状。所以有此可以引导学生寻找电流中的元——电流元,并对已得到的数学关系式进行修正:。其中两个矢量相乘得到第三个矢量的运算方式在数学中只有叉乘才能实现,所以最终我们可以建立的毕萨定律的具体表达式为:。这个式子与当年数学物理学家拉普拉斯通过严谨数学推导得到的式子是一致的。
通过对科研情景的解密,可以帮助低年级学生在数学基础薄弱、科研能力匮乏的现状下,初步建立科学的研究思路与方法,培养他们的创新能力和创新思维。在大学物理的教学过程中,通过灵活应用情景重建、建模理论、类比法等各种现代化科学研究方法,可以极为有效的激发学生的学习兴趣和推进学生的综合素质的培养。
3 结合科学最新进展,引导学生探索未知
科学是在不断发展进步的。当今大学物理课堂上所传授都是传统的物理学知识,有些理论发展到今天已经受到了新实验结果的挑战。如果将科学前沿信息结合到实际课堂中,可以启发学生探索未知。
磁场中最具有争议的问题是磁单极子是否存在。磁单极子是理论物理学弦论中指一些仅带有北极或南极单一磁极的磁性物质。由于将条形磁铁截断为二,新得到的两根磁铁碎段会重新编排形成南北极。如果继续截断,每个磁铁碎段都会具有南北极。因此即使磁场和电磁如此相似,科学家们也坚信无法找到磁单极子。磁场的高斯定律在磁单极不存在、磁力线闭合的基础上,得到穿过高斯面的磁通量为零,进一步可以推论稳恒磁场是无源场。不过早在1931年英国物理学家狄拉克利用数学公式语预言了磁单极子的存在。直到2009年9月世界科学界顶级刊物《science》上的一篇文章才宣布在实验上发现了磁单极子。这一爆炸性新闻轰动了整个物理学术界。到了这里就引导学生几个问题。首先是为什么以前都没有发现磁单极子?也就是磁单极子的存在条件是什么。现在有些理论认为磁单极子不是以基本粒子的形式存在,而是以自旋冰等奇异的凝聚态物质系统中的出射粒子的形式存在。第二个问题是如果存在磁单极子,稳恒磁场的高斯定理是否还成立?不成立,如何修改?这些问题的回答则可以留给学生课后思考,作为培养他们思维延展性的一次训练。这些由于科技前沿遗留的问题都能给学生以启发,开拓他们的思路。
大学物理学作为农业院校的一门基础学科,在培养学生研究创新能力上可以体现出“开”、“展”、“拓”三个字的作用:“开”即打开学生的视野、“展”为发展学生的科研基础功、“拓”是拓展学生的思路,这堂课程恰好体现这一思想。最后希望物理教师在基础物理课上不断改革创新研究性教学模式,提高农林院校物理课的地位。
参考文献
[1]胡田庚.高校文科研究型教学的价值定位[J].湖北:高等函授学报(哲学社会科学版),2004(2).
[2]Magnetic Monopoles Detected In A Real Magnet For The First Time.Science Daily.2009-09-04.
[3]C. Castelnovo; R. Moessner1, S. L. Sondhi(2008年1月3日).Magnetic monopoles in spin ice.Nature,451:42~45.DOI:10.1038/nature06433.