淺論建構(gòu)主義理論的電動(dòng)力學(xué)教學(xué)探討

1、淺論建構(gòu)主義理論的電動(dòng)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(dòng)力學(xué)教學(xué)中運(yùn)用建構(gòu)主義的觀點(diǎn)。通過(guò)兩個(gè)實(shí)例說(shuō)明如何在教學(xué)中注重以學(xué)生已有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)而進(jìn)行積極的“意義建構(gòu)過(guò)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(dòng)力學(xué) 1引言 電動(dòng)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(kāi)設(shè)的。分析整個(gè)電動(dòng)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(dòng)力學(xué)的雙腿，電磁學(xué)的實(shí)驗(yàn)、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(jiàn)，學(xué)生的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)特別是對(duì)矢量、張量分析的掌握是學(xué)好整個(gè)課程的關(guān)鍵，沒(méi)有這個(gè)基礎(chǔ)，學(xué)生就無(wú)法領(lǐng)會(huì)電動(dòng)力學(xué)的定義、公式和方法。電動(dòng)力學(xué)本身是一門較難也比較枯燥的理論課程，如果此時(shí)教師不注意對(duì)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(duì)電動(dòng)力學(xué)中如何處

3、理一些知識(shí)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(chǎng)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(lái)概括：以學(xué)生為中心，強(qiáng)調(diào)學(xué)生對(duì)知識(shí)的主動(dòng)探索、主動(dòng)發(fā)現(xiàn)對(duì)知識(shí)意義的主動(dòng)建構(gòu)。建構(gòu)主義理論內(nèi)容豐富、流派紛呈，本文只對(duì)建構(gòu)主義理論中對(duì)學(xué)習(xí)及教學(xué)的認(rèn)識(shí)加以淺析。 21建構(gòu)主義理論對(duì)學(xué)習(xí)的認(rèn)識(shí) 建構(gòu)主義理論認(rèn)為學(xué)習(xí)是學(xué)生在原有經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上主動(dòng)進(jìn)行意義建構(gòu)的過(guò)程，這種過(guò)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(guò)新舊知識(shí)間的反復(fù)相互作用而建構(gòu)而成。在此過(guò)程中學(xué)生依靠同化和順應(yīng)來(lái)組建自己的知識(shí)結(jié)構(gòu)。同化是指把外來(lái)的信

4、息納入已有的知識(shí)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(guò)學(xué)生原有的知識(shí)結(jié)構(gòu)與新的信息產(chǎn)生沖突，調(diào)整原有認(rèn)識(shí)結(jié)構(gòu)，從而建立新的認(rèn)知結(jié)構(gòu)。通過(guò)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(shí)轉(zhuǎn)化、組織和重新組織，并納入到自己的知識(shí)體系中。這就是學(xué)習(xí)的過(guò)程。 22建構(gòu)主義理論對(duì)教學(xué)的認(rèn)識(shí) 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(guò)交流和協(xié)作對(duì)知識(shí)進(jìn)行主動(dòng)加工的過(guò)程。它不是知識(shí)的傳遞，而是對(duì)知識(shí)的處理和轉(zhuǎn)換。學(xué)生對(duì)知識(shí)的處理和轉(zhuǎn)換，只能由學(xué)生自己來(lái)建構(gòu)完成，所以在教學(xué)中不能把教師對(duì)知識(shí)的理解傳遞給學(xué)生，而要從學(xué)生原有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生從原有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)中“生長(zhǎng)”出新的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)。

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(duì)指導(dǎo)電動(dòng)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(guò)對(duì)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(shí)和分析、解決物理問(wèn)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(shí)特別是矢量計(jì)算基礎(chǔ)較差、先行課程電磁學(xué)的知識(shí)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(shí)和方法，不愿意也不會(huì)自己去思考和總結(jié)，在學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性方面還存在很多不足。 上述問(wèn)題在班上是普遍存在的，它為電動(dòng)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(shí)狀

6、況，并能及時(shí)調(diào)整知識(shí)的講授方式以便能適當(dāng)與先行課程做好銜接，就勢(shì)必給學(xué)生學(xué)習(xí)電動(dòng)力學(xué)造成很大的困難，對(duì)教師的教學(xué)也是一個(gè)很大的障礙。 32建構(gòu)主義對(duì)教學(xué)的指導(dǎo)兩個(gè)案例的分析 (1)“位移電流”的教學(xué) 位移電流假說(shuō)是麥克斯韋為了將穩(wěn)恒情況下電磁場(chǎng)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(gè)定義。這是一個(gè)很重要的新概念，也是一個(gè)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(chǎng)的安培環(huán)路定理的積分那么在非穩(wěn)恒情況下，磁場(chǎng)的環(huán)流這個(gè)地方，書(shū)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(lái)引入這個(gè)概念的口。這是用理論來(lái)講授理論

7、，當(dāng)然推理嚴(yán)密，講解簡(jiǎn)單。但在教學(xué)中，我覺(jué)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(lái)講述，學(xué)生會(huì)更領(lǐng)會(huì)“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(guò)導(dǎo)線的橫截面，有自由電子穿過(guò)S1;而曲面S2通過(guò)電容器的兩極板之間，沒(méi)有自由電子穿過(guò)S2. 這說(shuō)明，盡管兩個(gè)曲面的邊界L是相同的，但穿過(guò)曲面的傳導(dǎo)電流并不一樣，也就是說(shuō)這個(gè)方程不能推廣到非穩(wěn)恒電流的情況。 為了解決這個(gè)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(lái)計(jì)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(chǎng)，它和傳導(dǎo)電流一樣都能激發(fā)磁場(chǎng)。引入位移電流以后，上述電路的全電流可表示為：這個(gè)全電流在整個(gè)電路中是連續(xù)的。對(duì)上式取散度(并用到 這樣一來(lái)，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(shí)間變化的電場(chǎng)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(lái)，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(wèn)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(shí)的角度來(lái)看，本章屬于運(yùn)用理論解決實(shí)際問(wèn)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(wèn)題，同時(shí)讓學(xué)生學(xué)會(huì)分析理想導(dǎo)體的邊界條件。有了這兩個(gè)基礎(chǔ)以后，后面介紹的具體例子諧振腔和波導(dǎo)問(wèn)題的求解就應(yīng)該不是重點(diǎn)，學(xué)生只需要針對(duì)具體情況分析好邊界條件就沒(méi)有困難。 我們知道諧振腔是儲(chǔ)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(jué)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(shí)來(lái)過(guò)

10、渡到對(duì)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(kāi)關(guān)k以后，儲(chǔ)存在電容器內(nèi)的電場(chǎng)能與電感中的磁場(chǎng)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(jiàn)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(jiàn)圖3(b)；甚至用很多根直導(dǎo)線并聯(lián)，見(jiàn)圖3(c)；更進(jìn)一步推痔極限情況下，用無(wú)數(shù)根直導(dǎo)線并聯(lián)的結(jié)果就使LC回路過(guò)渡為一個(gè)封閉的金屬矩形諧振腔，見(jiàn)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(duì)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(wèn)題，進(jìn)而求出其中的電磁場(chǎng)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(wèn)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(shí)的角度來(lái)看，本章屬于運(yùn)用理論解決實(shí)際問(wèn)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(wèn)題，同時(shí)讓學(xué)生學(xué)會(huì)分析理想導(dǎo)體

12、的邊界條件。有了這兩個(gè)基礎(chǔ)以后，后面介紹的具體例子諧振腔和波導(dǎo)問(wèn)題的求解就應(yīng)該不是重點(diǎn)，學(xué)生只需要針對(duì)具體情況分析好邊界條件就沒(méi)有困難。 我們知道諧振腔是儲(chǔ)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(jué)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(shí)來(lái)過(guò)渡到對(duì)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(kāi)關(guān)k以后，儲(chǔ)存在電容器內(nèi)的電場(chǎng)能與電感中的磁場(chǎng)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，