电动力学教学中 培养学生科学思维和创新意识的思考

电动力学教学中

培养学生科学思维和创新意识的思考与实践兰州大学理论物理研究所汪映海2006.7.一.全面认识基础理论课的任务电动力学是物理系四门基础理论课（四大力学）之一。基础理论课不仅要使学生学习掌握基本概念和基本理论，而且要培养学生灵活运用所学知识，乃至创新知识的意识和初步能力。课程教学活动不只是一个传授知识的过程，还应该是培养学生科学研究能力前期阶段的组成部分。电动力学的教学要从教学思想、教学内容和教学方法各个方面注重培养学生的科学思维和创新意识，以适应学生在本科阶段了解科研或参加科研的要求，提高学生的科学素质。二.剖析课程中两个新物理理论的建立

培养学生的科学思维和创新意识电动力学包括麦克斯韦电磁理论和爱因斯坦狭义相对论，这是物理学发展史上具有里程碑意义的两个新物理理论。新物理理论一般具有三个特点：新理论包含了原有理论的合理内核；新理论能够阐明原有理论所不能够解释的物理现象；新理论能够预言新的物理效应，并且能为以后的科学实验所证实。按照上述三个特征作具体讲解，阐述：新理论与原有理论的继承与发展关系；新理论的科学创新性主要反映在哪里；怎样理解一个新的物理理论；创立一个新的物理理论的基本方向。讲述新物理理论总是在发现矛盾、解决矛盾的过程中产生的，引导学生认识善于发现问题和解决问题对于科学创新的意义。讲述新物理理论的创立者具有非凡的开拓创新精神，激发学生的创新意识。讲述新物理理论的建立过程符合辩证唯物主义的认识规律，增强学生培养科学思维能力的自觉性。

三.讲述学科的发展其在现代科学中的应用 培养学生的科学思维和创新意识“在科学上没有一个已经完全解决了的问题，也没有一个永远不变的问题。”

--爱因斯坦电动力学的教学，既要着重系统地、完整地讲解基本知识、基本概念、基本规律和基本方法，又要介绍该理论的成就所达到的程度以及学科的现代发展。 使学生不仅能掌握基础理论知识，还能了解本学科的前沿课题和研究方向。经典电动力学的局限性和适用范围：揭示经典电动力学中的一些矛盾例如在下列问题中遇到的困难：

原子的稳定性原子的辐射频率光电效应 共振频率和谱线宽度康普顿散射 带电粒子的辐射阻尼电子自能和电磁质量这些问题在经典理论中的研究仍有一定意义。解释电动力学作为电磁作用的动力学，涉及带电粒子和电磁场两方面。指出带电粒子的波动性或者电磁场（光子流）的粒子性不显著而可以忽略时，经典电动力学是很好的近似。介绍本学科的发展及其在现代科学中的应用：经典电动力学是宏观电磁理论，进一步研究微观领域的电磁相互作用，发展了量子电动力学。狭义相对论只适用于惯性参考系，拓展到非惯性参考系，发展了广义相对论。探讨电磁相互作用和弱相互作用之间的内在联系，发展了用规范场理论描述的弱电相互作用的统一理论。介绍超导电动力学。介绍等离子体电动力学。介绍非线性光学中的混沌、分形、孤子，指出：已经形成“非线性物理”。探索复杂性（多维度、多组元、非线性、非平衡和开放的）系统，正在形成“复杂性物理”。 该学科研究复杂系统的结构、性能和演化中一些具有普遍性的运动规律和运动模式。 这是一门有重要的基础科学意义的学科。介绍电磁学与力学效应的相互影响 首先是磁流体力学的研究，随后有电磁弹性力学的兴起。 近年来随着超导新材料、微电机械实用化等的研究和应用，形成了电动力学与固体力学相交叉的“电磁固体结构力学”。电磁固体结构是指对电磁场敏感的铁磁材料、压电材料、超导材料等制成的结构；这些结构处在电磁场中时，受到电磁力的作用而产生性能改变。该学科研究电磁场与电磁固体结构变形相互耦合作用下固体结构的力学行为和特征。关键是描述和处理电磁场与力学场的非线性耦合。四注重思想方法和处理方法

培养学生的科学思维和创新意识

注重分析归纳法与演绎法相结合分析归纳法：从特殊到一般。演绎法：从一般到特殊。两者结合：是在一个认识层次上实践—理论—实践的全过程，是理论与实际相结合的体现。注重带有普遍性的方法例如：电磁场边值问题的求解方法。 物理学中对指数衰减规律常常引入一个 特征量来描述。注重物理与数学的紧密结合理论物理课程的突出特点。对问题的阐述：物理图像—数学描述—物理意义，例如讲述洛仑兹变换。指出数值模拟和分析方法的重要性。注重用现代观点和方法阐明问题提高课程的起点，力求注入一些现代的新观点、新方法。在数学工具和处理方法方面，引入局域坐标和整体坐标，纵场和横场，全反对称张量，投影算子等。在物理概念和规律方面，介绍电荷禁闭与夸克禁闭，对偶变换、对偶场和对偶性破缺，电荷共轭变换C、空间反演P、时间反演T及CPT联合反演等。注重近似处理方法抓住问题实质和主要矛盾，忽略次要因素。可解决一些还不能严格求解的问题； 可使一些能够求解的问题得到简化； 往往能很好的适应技术和工程实际的需要。 例如：辐射电磁场，电磁多极展开，似稳电磁场等。注重从不同角度和途径阐明同一问题对问