浅论建构主义理论的电动力学教学探讨

本文阐述了建枸主义学习、教学理论的基本特征，并尝试在电动力学教学中运用建构主义的观点。通过两个实例说明如何在教学中注重以学生已有的知识经验为基础而进行积极的“意义建构过程”。

　　论文关键词：建构主义学习理论；建构主义学习理论；电动力学

　　1．引言

　　《电动力学》课程是物理本科专业的一门重要专业课，也是理论物理的第一门基础课。它是在学生学习了高等数学、数学物理方法和电磁学等基础课程之后开设的。分析整个电动力学教材的内容体系，我们不难看出，矢量分析和数学物理方法好比电动力学的双腿，电磁学的实验、定义、公式、方法和应用则是它的躯干，而物理概念、物理思想、物理图像和物理思维方式是它的灵魂。
　　由此可见，学生的数学基础特别是对矢量、张量分析的掌握是学好整个课程的关键，没有这个基础，学生就无法领会电动力学的定义、公式和方法。电动力学本身是一门较难也比较枯燥的理论课程，如果此时教师不注意对学生进行学习方法和学习自主性的引导，就很容易滋生厌学清晰，从而影响教学质量。本文利用建构主义理论针对电动力学中如何处理一些知识的教学做了一些探讨，希望达到抛砖引玉的目的。

　　2．建构主义理论

　　建构主义是当代教育心理学的一场革命，代表人物是著名心理学家皮亚杰(．Piaget)。建构主义理论的核心内容可以用一句话来概括：以学生为中心，强调学生对知识的主动探索、主动发现对知识意义的主动建构]。建构主义理论内容丰富、流派纷呈，本文只对建构主义理论中对学习及教学的认识加以浅析。

　　2．1建构主义理论对学习的认识
　　建构主义理论认为学习是学生在原有经验基础上主动进行意义建构的过程，这种过程要在实践中或者在学生与环境的相互作用中通过新旧知识间的反复相互作用而建构而成。在此过程中学生依靠同化和顺应来组建自己的知识结构。同化是指把外来的信息纳入已有的知识结构中，以丰富和加强原有的思维取向和行为模式；顺应是通过学生原有的知识结构与新的信息产生冲突，调整原有认识结构，从而建立新的认知结构。通过不断地同化——顺应——同化——顺应……循环往复，相互交替，将新知识转化、组织和重新组织，并纳入到自己的知识体系中。这就是学习的过程。

　　2．2建构主义理论对教学的认识
　　建构主义认为教学是学生在教师设置的情景中通过交流和协作对知识进行主动加工的过程。它不是知识的传递，而是对知识的处理和转换。学生对知识的处理和转换，只能由学生自己来建构完成，所以在教学中不能把教师对知识的理解传递给学生，而要从学生原有的知识经验出发，引导学生从原有的知识经验中“生长”出新的知识经验。即教学的关键其实是向学生展示这些结论是如何得到的，而不是去熟记这些结论。

　　3．建构主义理论对指导电动力学教学的启示

　　3．1学生基础现状分析
　　学生经过对经典物理学力学、热学、光学和电磁学的学习，已经有了一定的物理基础知识和分析、解决物理问题的能力，并且已经形成自己的学习．方法和习惯。但目前的基本现状是：数学基础知识特别是矢量计算基础较差、先行课程电磁学的知识有很多已经生疏或遗忘、学生习惯接受教师“咀嚼”好的知识和方法，不愿意也不会自己去思考和总结，在学习的主动性和积极性方面还存在很多不足。
　　上述问题在班上是普遍存在的，它为电动力学的正常教学提出了了刻不容缓的难题，如果不运用适当的手段搞清楚学生的知识状况，并能及时调整知识的讲授方式以便能适当与先行课程做好衔接，就势必给学生学习电动力学造成很大的困难，对教师的教学也是一个很大的障碍。
3．2建构主义对教学的指导——两个案例的分析
　　(1)“位移电流”的教学
　　‘位移电流假说是麦克斯韦为了将稳恒情况下电磁场所满足的麦克斯韦方程 (积分形式为推广到普遍情况(包括稳恒和非稳恒)而引入的一个定义。这是一个很重要的新概念，也是一个比较抽象的概念。学生的思维里可能比较熟悉的是传导电流的性质。

稳恒情况下，磁场的安培环路定理的积分 那么在非稳恒情况下，磁场的环流这个地方，书上的阐述是由麦克斯韦方程与电荷守恒定律之间的矛盾来引入这个概念的口。这是用理论来讲授理论，当然推理严密，讲解简单。但在教学中，我觉得可以从大家熟悉的含有平行板电容器的充、放电电路(图1)来讲述，学生会更领会“位移电流”的本质。

现考虑以L为边界作曲面S1和S2，其中曲面S1通过导线的横截面，有自由电子穿过S1;而曲面S2通过电容器的两极板之间，没有自由电子穿过S2. 这说明，尽管两个曲面的边界L是相同的，但穿过曲面的传导电流并不一样，也就是说这个方程不能推广到非稳恒电流的情况。
　　为了解决这个矛盾，麦克斯韦提出了“位移电流”的假设，将方程稍做修改为就代表“位移电流”的贡献。下面再来计算的表示式。利用 ×)所以直接比较得出：由此式我们就很容易看出：位移电流的本质是变化的电场，它和传导电流一样都能激发磁场。引入位移电流以后，上述电路的全电流可表示为：这个全电流在整个电路中是连续的。对上式取散度(并用到 这样一来，平板电容器充、放电电路中出现的矛盾就得到解决：在电容器两极之间随时间变化的电场形成了位移电流它把电容器极板中间断的电流．厂连接起来，使全电流．Jr具有闭合的性质。
 

　(2)“谐振腔”的教学
　　第四章四、五节讨论的是有界空间的电磁波的传播问题，以矩形波导和谐振腔为例，研究了高频电磁波的传播的驻留行为。从知识的角度来看，本章属于运用理论解决实际问题的类型，在前面，先给学生回顾和讲解分离变量法求解亥姆霍兹方程中的定解问题，同时让学生学会分析理想导体的边界条件。有了这两个基础以后，后面介绍的具体例子——谐振腔和波导问题的求解就应该不是重点，学生只需要针对具体情况分析好边界条件就没有困难。
　　我们知道谐振腔是储存某一特定频率的电磁能量的器件，常用于选择并发射某一频率的电磁波。我觉得作为一种光学的应用器件，讲授它的功能、用途以及为何具备这样的功用是很有必要的。在教学中可以从复习学生比较熟悉的LC振荡回路的知识来过渡到对谐振腔的讲解。我们知道，低频电磁波是利用

如图(2)所示的LC振荡回路激发的，首先用外电源给电容器充电至U，合上开关k以后，储存在电容器内的电场能与电感中的磁场能在不停地相互转换，形成电磁振荡。LC回路振荡频率为
由此式知，为了得到高频的电磁波，就要减小谐振回路的L和C。为了减小C，就要增加电容器极板间的距离d，见图3(a)；为了减小L，就要减小电感线线圈的匝数，直到使用一根直导线代替，见图3(b)；甚至用很多根直导线并联，见图3(c)；更进一步推痔极限情况下，用无数根直导线并联的结果就使LC回路过渡为一个封闭的金属矩形谐振腔，见图3(d)。

由这样的方法引入谐振腔的概念，学生很容易理解和掌握，并且对谐振腔的用途有一定的了解。下面再根据谐振腔的模型给出定解问题，进而求出其中的电磁场结构。

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