浅谈物理专业师范生学习电动力学的重要性与必要性

孙文宾

西南大学物理科学与技术学院，重庆 400715

摘要：在现实生活中电磁现象无处不在，要理解并利用电磁现象为人类造福、消除或减轻灾害就必须掌握电磁场和电磁波的理论知识。电动力学是一般大学物理系学生学习电磁场理论的必修课，相对其它三大力学而言它也是与中学物理联系最紧密的学科，物理系师范生掌握其中的理论，对于中学物理教学是很有必要的。但是部分师范院校不重视电动力学或者因为太难而未开设专门课程。笔者结合自身学习感受通过本文浅谈物理专业师范生学习电动力学的重要性与必要性，旨在引起广大物理专业师范生及院校的重视。

关键词：物理专业、师范生、电动力学、中学物理教师

一、电磁场理论如此重要

我们都知道自从1820年奥斯特发现了电流的磁效应以后，电和磁就结下了不解之缘。之后法拉第创造性地提出和实现了磁生电。电流的磁效应和变化磁场的电效应这两个实验现象加上麦克斯韦关于变化电磁场的基本理论——麦克斯韦方程组，奠定了电磁学的整个理论体系，发展了对现代文明起重大影响的电工和电子通信技术。

大学里电磁学是每个理工科专业学生必学内容，因为它的应用领域及影响无处不在。电磁炉、自动空气开关、恒温箱、喇叭、电铃、电磁锁、无线电广播与电视、电磁起重机、电磁选矿、电磁继电器、公用移动电话等的发明给我们的生活、生产带来了方便；电磁理论是信息技术的基础理论之一，它使得微波成像、遥感、IC设计、磁记录等领域成为了可能；静电磁场理论在脑功能探测中的应用、磁化水等使电磁学与生命科学紧密联系；电磁炮、电磁波炸弹是未来新型军事武器的发展方向；电磁仿真、电磁场约束等给微观领域研究提供了技术手段。可以说我们的生活、生产离不开电磁理论，科学研究、军事发展离不开电磁理论。我们要利用电磁现象为人类造福、消除或减轻灾害就必须掌握电磁场和电磁波的理论知识。这就是为什么大学理工科专业学生必须要学电磁学的原因。而对于物理系师范生而言学好电磁场理论，对近现代电磁场理论的应用、发展有一个清晰的认识，才能适应中学物理教学。

二、电动力学揭示电磁现象本质

要学好电磁场理论，只学习电磁学是远远不够的，还必须学习电动力学。电动力学这门课程主要内容有：（1）电场、磁场的基本规律。主要讲授麦克斯韦方

程组以及边值条件，电磁场能量和守恒定律等内容。（2）静电场和稳恒电流磁场。主要讲授一般静电场问题和稳恒电流磁场问题的求解方法。（3）电磁波的传播。内容包括：电磁场波动方程，平面电磁波的性质和传播规律，常用谐振腔和波导管等。（4）电磁波的辐射。主要讨论最常用的电磁波产生方法—偶极辐射，以及求解电磁波辐射问题的矢势和标势方法，电磁波辐射功率和辐射压力等问题。（5）狭义相对论。主要内容包括：狭义相对论诞生的历史背景，狭义相对论的基本假设，洛仑兹变换，狭义相对论时空观，电磁场规律的协变性，质能关系和相对论性动力学方程。

通过电动力学这门课程的学习，使我们更加深化了以前对电磁学课程的理解，了解了电磁学发展史上的某些重大发现（超导体的迈斯纳效应）和发明（谐振腔）过程中的物理现象和实验方法，了解电磁学的发展与其他学科的关系，系统地掌握了电磁运动的基本现象（全反射）、基本概念和基本规律。尤其是电磁波理论的系统学习，让我们对现代通信技术有了一个本质和宏观的认识。狭义相对论是20世纪初建立起来的重要基础理论，它是现代物理学乃至现代科学技术的奠基性理论之一，它突破了传统的时空观念，把人们带入到一个全新的相对时空世界。学懂狭义相对论将有助于开拓思维，建立正确的时空观，这对我们以后从事教学研究和相关技术性工作非常有益。在学习电动力学的过程中我们要把电磁学、数学物理方法、矢量分析重新回忆起来，然后将这些知识结合起来，利用数学物理方法解决用高等数学难以解决的电磁学问题，得出相应的物理结论，从而达到从物理本质上建立数学模型来理解物理问题，最后形成对各类电磁现象用相应的数学模型来解决问题的一套思维方法。电动力学既包含经典又联系前沿，既训练思维又要求方法，可以说它是四大力学中最具代表性的课程。 三、师范生也必须学好电动力学

电动力学难学、难教是大学里学生、老师们的一个普遍呼声，但是不能因为难就不去学。对于物理系非师范生来说，以后专业发展和进一步科学研究要求必须学好电动力学。但对于物理系师范生又应该持什么态度呢？物理系师范生大多将从事中学物理教学工作，部分师范生一开始就觉得大学物理的学习是多余的，四大力学的学习更是多余的。很多师范生学普通物理就没学好，更别说四大力学。一方面因为思想意识不正确，学习态度不端正，学习目的不明确；另一方面是缺

乏经验，没重视数学知识的学习。部分师范院校在学生学完普通物理后，也把师范生的培养重点放在教育心理学、教师技能上。我们常说要给学生一杯水，教师要有一桶水。试想一个对于物理专业只见树木，不见森林的教师，他能把自己的课讲得生动有趣而有富有内涵吗？作为教师，我们要教给学生的不仅是知识，还应该是眼界、境界??只有我们自己把专业知识学透、学深才能保证拥有那种境界、眼界。就拿电动力学中的几个知识点来说吧。第一个是超导体的迈斯纳效应。1933年迈斯纳发现超导体内部磁感应强度为零，即超导体是完全抗磁性物质。而这在经典电动力学中通过伦敦第一、第二方程可以解释。当然更进一步的解释需要用到量子电动力学中的BCS理论。第二个是导体的趋肤效应。即越是高频率的电磁波，越是良导体，电磁波就越不容易进入导体的内部。这表明导体中高频电流集中于导体表面，内部电流则随深度的增加而迅速减小，导体的高频电阻必然大于低频电阻或直流电阻。第三个是我们熟悉的全反射理论。学习了电动力学以后我们知道其实所谓的全反射只不过是一种近似。折射波是一个衰减的表面波，若入射波长增加，则能在折射波的一侧看到折射波???这些理论知识都能在电动力学中通过数学推理获得，并且也经实验证实了。如果不系统学习电动力学，那么将无法深入理解甚至了解这些知识，我们在给中学生讲这些知识时就不一定能做到前瞻性（比如说全反射），甚至会讲错，不利于学生以后的学习发展。也许我们会说，中学生尤其是初中生不可能会接触这些知识，但是我们不能排除某些学有余力的学生想知道。我们常常有这样的感受：在聆听学识渊博的大师讲课时，常常有一种如痴如醉、醍醐灌顶的感觉。同样我们也应该在精通专业知识的基础上，运用教学艺术，让中学物理课堂生动有趣而又有内涵。

物理是最基础的自然科学，中学物理教师如果能对近代物理带来的文明成果有清楚的认识，那么他的课堂也一定会受中学生的欢迎。所以我觉得目前部分师范院校物理系弱化或者不开设四大力学，尤其是电动力学，是一种不明智的做法。虽然现代社会越来越浮燥，学术风气、学习态度越来越差，但是对于师范生不能降低要求。师范生应该比任何职业都要求专业过硬，因为教育的产品是人。师范院校该开设的课程必须开设，学生该掌握的必须达标才能毕业。我们也相信如果一个中学物理教师既对所教知识的内涵有精深的理解，又精于表达，那么他一定会成为一个出色的教师。常说：“师范教育，可以兴邦”。我想只有高优质、高标

准、高要求的师范教育才能兴邦。

参考文献：

【1】罗琬华.电动力学.西南师范大学出版社,2007.9