1、淺論建構(gòu)主義理論的電動力學(xué)教學(xué)探討         10-06-05 15:32:00     作者：胡森    編輯：studa090420論文摘要：本文闡述了建枸主義學(xué)習(xí)、教學(xué)理論的基本特征，并嘗試在電動力學(xué)教學(xué)中運(yùn)用建構(gòu)主義的觀點(diǎn)。通過兩個實(shí)例說明如何在教學(xué)中注重以學(xué)生已有的知識經(jīng)驗為基礎(chǔ)而進(jìn)行積極的“意義建構(gòu)過程”。 論文關(guān)鍵詞：建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論；建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論；電動力學(xué) 1引言 電動力學(xué)課程是物理本科專業(yè)的一門重要專業(yè)課，也

2、是理論物理的第一門基礎(chǔ)課。它是在學(xué)生學(xué)習(xí)了高等數(shù)學(xué)、數(shù)學(xué)物理方法和電磁學(xué)等基礎(chǔ)課程之后開設(shè)的。分析整個電動力學(xué)教材的內(nèi)容體系，我們不難看出，矢量分析和數(shù)學(xué)物理方法好比電動力學(xué)的雙腿，電磁學(xué)的實(shí)驗、定義、公式、方法和應(yīng)用則是它的軀干，而物理概念、物理思想、物理圖像和物理思維方式是它的靈魂。 由此可見，學(xué)生的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)特別是對矢量、張量分析的掌握是學(xué)好整個課程的關(guān)鍵，沒有這個基礎(chǔ)，學(xué)生就無法領(lǐng)會電動力學(xué)的定義、公式和方法。電動力學(xué)本身是一門較難也比較枯燥的理論課程，如果此時教師不注意對學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)方法和學(xué)習(xí)自主性的引導(dǎo)，就很容易滋生厭學(xué)清晰，從而影響教學(xué)質(zhì)量。本文利用建構(gòu)主義理論針對電動力學(xué)中如何處

3、理一些知識的教學(xué)做了一些探討，希望達(dá)到拋磚引玉的目的。 2建構(gòu)主義理論 建構(gòu)主義是當(dāng)代教育心理學(xué)的一場革命，代表人物是著名心理學(xué)家皮亞杰(Piaget)。建構(gòu)主義理論的核心內(nèi)容可以用一句話來概括：以學(xué)生為中心，強(qiáng)調(diào)學(xué)生對知識的主動探索、主動發(fā)現(xiàn)對知識意義的主動建構(gòu)。建構(gòu)主義理論內(nèi)容豐富、流派紛呈，本文只對建構(gòu)主義理論中對學(xué)習(xí)及教學(xué)的認(rèn)識加以淺析。 21建構(gòu)主義理論對學(xué)習(xí)的認(rèn)識 建構(gòu)主義理論認(rèn)為學(xué)習(xí)是學(xué)生在原有經(jīng)驗基礎(chǔ)上主動進(jìn)行意義建構(gòu)的過程，這種過程要在實(shí)踐中或者在學(xué)生與環(huán)境的相互作用中通過新舊知識間的反復(fù)相互作用而建構(gòu)而成。在此過程中學(xué)生依靠同化和順應(yīng)來組建自己的知識結(jié)構(gòu)。同化是指把外來的信

4、息納入已有的知識結(jié)構(gòu)中，以豐富和加強(qiáng)原有的思維取向和行為模式；順應(yīng)是通過學(xué)生原有的知識結(jié)構(gòu)與新的信息產(chǎn)生沖突，調(diào)整原有認(rèn)識結(jié)構(gòu)，從而建立新的認(rèn)知結(jié)構(gòu)。通過不斷地同化順應(yīng)同化順應(yīng)循環(huán)往復(fù)，相互交替，將新知識轉(zhuǎn)化、組織和重新組織，并納入到自己的知識體系中。這就是學(xué)習(xí)的過程。 22建構(gòu)主義理論對教學(xué)的認(rèn)識 建構(gòu)主義認(rèn)為教學(xué)是學(xué)生在教師設(shè)置的情景中通過交流和協(xié)作對知識進(jìn)行主動加工的過程。它不是知識的傳遞，而是對知識的處理和轉(zhuǎn)換。學(xué)生對知識的處理和轉(zhuǎn)換，只能由學(xué)生自己來建構(gòu)完成，所以在教學(xué)中不能把教師對知識的理解傳遞給學(xué)生，而要從學(xué)生原有的知識經(jīng)驗出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生從原有的知識經(jīng)驗中“生長”出新的知識經(jīng)驗。

5、即教學(xué)的關(guān)鍵其實(shí)是向?qū)W生展示這些結(jié)論是如何得到的，而不是去熟記這些結(jié)論。 3建構(gòu)主義理論對指導(dǎo)電動力學(xué)教學(xué)的啟示 31學(xué)生基礎(chǔ)現(xiàn)狀分析 學(xué)生經(jīng)過對經(jīng)典物理學(xué)力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)和電磁學(xué)的學(xué)習(xí)，已經(jīng)有了一定的物理基礎(chǔ)知識和分析、解決物理問題的能力，并且已經(jīng)形成自己的學(xué)習(xí)方法和習(xí)慣。但目前的基本現(xiàn)狀是：數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識特別是矢量計算基礎(chǔ)較差、先行課程電磁學(xué)的知識有很多已經(jīng)生疏或遺忘、學(xué)生習(xí)慣接受教師“咀嚼”好的知識和方法，不愿意也不會自己去思考和總結(jié)，在學(xué)習(xí)的主動性和積極性方面還存在很多不足。 上述問題在班上是普遍存在的，它為電動力學(xué)的正常教學(xué)提出了了刻不容緩的難題，如果不運(yùn)用適當(dāng)?shù)氖侄胃闱宄W(xué)生的知識狀

6、況，并能及時調(diào)整知識的講授方式以便能適當(dāng)與先行課程做好銜接，就勢必給學(xué)生學(xué)習(xí)電動力學(xué)造成很大的困難，對教師的教學(xué)也是一個很大的障礙。 32建構(gòu)主義對教學(xué)的指導(dǎo)兩個案例的分析 (1)“位移電流”的教學(xué) 位移電流假說是麥克斯韋為了將穩(wěn)恒情況下電磁場所滿足的麥克斯韋方程 (積分形式為推廣到普遍情況(包括穩(wěn)恒和非穩(wěn)恒)而引入的一個定義。這是一個很重要的新概念，也是一個比較抽象的概念。學(xué)生的思維里可能比較熟悉的是傳導(dǎo)電流的性質(zhì)。 穩(wěn)恒情況下，磁場的安培環(huán)路定理的積分那么在非穩(wěn)恒情況下，磁場的環(huán)流這個地方，書上的闡述是由麥克斯韋方程與電荷守恒定律之間的矛盾來引入這個概念的口。這是用理論來講授理論

7、，當(dāng)然推理嚴(yán)密，講解簡單。但在教學(xué)中，我覺得可以從大家熟悉的含有平行板電容器的充、放電電路(圖1)來講述，學(xué)生會更領(lǐng)會“位移電流”的本質(zhì)。 現(xiàn)考慮以L為邊界作曲面S1和S2，其中曲面S1通過導(dǎo)線的橫截面，有自由電子穿過S1;而曲面S2通過電容器的兩極板之間，沒有自由電子穿過S2. 這說明，盡管兩個曲面的邊界L是相同的，但穿過曲面的傳導(dǎo)電流并不一樣，也就是說這個方程不能推廣到非穩(wěn)恒電流的情況。 為了解決這個矛盾，麥克斯韋提出了“位移電流”的假設(shè)，將方程稍做修改為就代表“位移電流”的貢獻(xiàn)。下面再來計算的表示式。利用  ×)所以直接比較得出：由此式我們就很容易

8、看出：位移電流的本質(zhì)是變化的電場，它和傳導(dǎo)電流一樣都能激發(fā)磁場。引入位移電流以后，上述電路的全電流可表示為：這個全電流在整個電路中是連續(xù)的。對上式取散度(并用到 這樣一來，平板電容器充、放電電路中出現(xiàn)的矛盾就得到解決：在電容器兩極之間隨時間變化的電場形成了位移電流它把電容器極板中間斷的電流廠連接起來，使全電流Jr具有閉合的性質(zhì)。      10-06-05 15:32:00     作者：胡森    編輯：studa090420(2)“諧振腔”的教學(xué) 第四章四、五節(jié)

9、討論的是有界空間的電磁波的傳播問題，以矩形波導(dǎo)和諧振腔為例，研究了高頻電磁波的傳播的駐留行為。從知識的角度來看，本章屬于運(yùn)用理論解決實(shí)際問題的類型，在前面，先給學(xué)生回顧和講解分離變量法求解亥姆霍茲方程中的定解問題，同時讓學(xué)生學(xué)會分析理想導(dǎo)體的邊界條件。有了這兩個基礎(chǔ)以后，后面介紹的具體例子諧振腔和波導(dǎo)問題的求解就應(yīng)該不是重點(diǎn)，學(xué)生只需要針對具體情況分析好邊界條件就沒有困難。 我們知道諧振腔是儲存某一特定頻率的電磁能量的器件，常用于選擇并發(fā)射某一頻率的電磁波。我覺得作為一種光學(xué)的應(yīng)用器件，講授它的功能、用途以及為何具備這樣的功用是很有必要的。在教學(xué)中可以從復(fù)習(xí)學(xué)生比較熟悉的LC振蕩回路的知識來過

10、渡到對諧振腔的講解。我們知道，低頻電磁波是利用 如圖(2)所示的LC振蕩回路激發(fā)的，首先用外電源給電容器充電至U，合上開關(guān)k以后，儲存在電容器內(nèi)的電場能與電感中的磁場能在不停地相互轉(zhuǎn)換，形成電磁振蕩。LC回路振蕩頻率為 由此式知，為了得到高頻的電磁波，就要減小諧振回路的L和C。為了減小C，就要增加電容器極板間的距離d，見圖3(a)；為了減小L，就要減小電感線線圈的匝數(shù)，直到使用一根直導(dǎo)線代替，見圖3(b)；甚至用很多根直導(dǎo)線并聯(lián)，見圖3(c)；更進(jìn)一步推痔極限情況下，用無數(shù)根直導(dǎo)線并聯(lián)的結(jié)果就使LC回路過渡為一個封閉的金屬矩形諧振腔，見圖3(d)。 由這樣的方法引入諧振腔的概念，學(xué)生很容易理解

11、和掌握，并且對諧振腔的用途有一定的了解。下面再根據(jù)諧振腔的模型給出定解問題，進(jìn)而求出其中的電磁場結(jié)構(gòu)。     10-06-05 15:32:00     作者：胡森    編輯：studa090420(2)“諧振腔”的教學(xué) 第四章四、五節(jié)討論的是有界空間的電磁波的傳播問題，以矩形波導(dǎo)和諧振腔為例，研究了高頻電磁波的傳播的駐留行為。從知識的角度來看，本章屬于運(yùn)用理論解決實(shí)際問題的類型，在前面，先給學(xué)生回顧和講解分離變量法求解亥姆霍茲方程中的定解問題，同時讓學(xué)生學(xué)會分析理想導(dǎo)體

12、的邊界條件。有了這兩個基礎(chǔ)以后，后面介紹的具體例子諧振腔和波導(dǎo)問題的求解就應(yīng)該不是重點(diǎn)，學(xué)生只需要針對具體情況分析好邊界條件就沒有困難。 我們知道諧振腔是儲存某一特定頻率的電磁能量的器件，常用于選擇并發(fā)射某一頻率的電磁波。我覺得作為一種光學(xué)的應(yīng)用器件，講授它的功能、用途以及為何具備這樣的功用是很有必要的。在教學(xué)中可以從復(fù)習(xí)學(xué)生比較熟悉的LC振蕩回路的知識來過渡到對諧振腔的講解。我們知道，低頻電磁波是利用 如圖(2)所示的LC振蕩回路激發(fā)的，首先用外電源給電容器充電至U，合上開關(guān)k以后，儲存在電容器內(nèi)的電場能與電感中的磁場能在不停地相互轉(zhuǎn)換，形成電磁振蕩。LC回路振蕩頻率為 由此式知，為了得到高頻的電磁波，就要減小諧振回路的L和C。為了減小C，就要增加電容器極板間的距離d，