電磁場理論與微波技術課程教學改革探索

方薈 曹新容

［摘要］電磁場理論與微波技術是通信工程本科專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎課。該課程系統(tǒng)性強，概念抽象，公式繁雜，涉及很多物理知識與數(shù)學分析方法。基于這些特點，并結合本校近年來的教學情況，從課程體系、課程內容和教學方法三個方面入手，對電磁場理論與微波技術課程進行改革與探索。

［關鍵詞］電磁場理論與微波技術課程體系課程內容教學方法

［中圖分類號］G420［文獻標識碼］A［文章編號］2095-3437（2012）06-0105-02

電磁場理論與微波技術是通信工程本科專業(yè)一門重要的主干課。課程主要涉及電磁場與電磁波基本理論和微波工程兩個方面，電磁場與電磁波基本理論主要研究電磁場源與場的關系以及電磁波在空間傳播的基本規(guī)律，微波工程主要討論電磁波的產(chǎn)生、輻射、傳播及電磁微波理論在工程上的各方面應用。課程涉及大量的物理基礎知識以及各種數(shù)學方法，在學習過程中如何把握物理概念與數(shù)學方法之間的聯(lián)系，如何提高學生的學習興趣，如何提高學生的工程應用能力是至關重要的。為了真正改善課程教學效果，結合本校辦學特點和教學實際情況，從課程體系、課程內容、教學方法三個方面入手，改進本課程的教學，以適應本課程概念抽象、工程性強及教學要求高的要求。

一、課程體系

課程體系是一個專業(yè)所設置的課程相互間的分工與配合。電磁場理論與微波技術與大學物理、電路分析同屬于通信工程專業(yè)的基礎課程這一課程體系。而課程所需的數(shù)學方法則來源于高等數(shù)學、工程數(shù)學等數(shù)學基礎課程。這些前修課程均安排在電磁場理論與微波技術課程之前。但相關課程負責人之間缺乏密切且有效的溝通，整個通信工程專業(yè)的基礎課程還沒有形成一個統(tǒng)一的課群體系。前修課程掌握的程度直接影響到本課程的學習。反之，電磁場理論與微波技術課程的學習也會影響到一些后續(xù)的專業(yè)課程的深入，包括畢業(yè)設計。

我們根據(jù)本校近年的教學經(jīng)驗，圍繞提高教學質量這一中心，嘗試調整整個課程體系。新的課程體系將電磁場與微波技術、大學物理、電路分析以及相關數(shù)學基礎課程構成一個課群。其中專業(yè)課程的內容需要不斷更新，甚至需要增加一些新的課程，但基礎課程不能變。為了讓學生掌握本專業(yè)的基礎知識與技能，又能了解學科的發(fā)展方向和新技術，在課群建設時，設置主要的內容，去掉該課群中重復的部分，及時將科研成果以及教研成果引入課程教學，使學生能夠掌握這些課程的精髓部分，又能節(jié)約一些課時。如在大一的大學物理課程中，可適當?shù)貍戎仂o態(tài)電磁場理論的教學，從而減少電磁場與微波技術中靜態(tài)電磁場的學時數(shù)，將時變電磁場作為電磁場與微波技術講授的重點。再如在大三的本課程中，可對微波工程部分內容，按照無線移動通信技術應用的需要選擇性地教授

除了以上對各門相關課程內容進行整合，還需要對各課程進行統(tǒng)一設計，將課程設計與課程實施有效地結合起來，形成統(tǒng)一的教學內容體系。如在大一的大學物理課程中設計問題，啟發(fā)學生去思考電磁波實際是如何在空間中進行傳播的，然后在大三的本課程中來完整地解答這個問題。再如在大二的電路分析課程中嘗試引入和設計分布參數(shù)電路，引發(fā)學生思考,比較集總參數(shù)電路和分布參數(shù)電路的異同點。在大三的本課程中通過傳輸線理論，加深學生對于這兩種電路的理解。在大三的本課程的最后設計一個完整微波通信系統(tǒng)，在給學生介紹微波技術在系統(tǒng)中的應用的同時，引導學生對于通信系統(tǒng)形成初步概念，為后續(xù)的通信專業(yè)課程埋下伏筆。

二、課程內容

課程內容是課程各部分的組織及具體要講授的知識點。結合本校學生的學習特點，在選擇內容上應把握以下原則：一，在電磁場與微波技術的教學中突出數(shù)學概念、物理概念和工程概念之間的區(qū)別和聯(lián)系；二，將經(jīng)典理論和現(xiàn)代理論有機結合；三，逐步在電磁場與微波技術中增加工程性、綜合性和設計性的案例，注重電磁場與電磁波以及微波理論的工程應用。按照此原則，將電磁場與微波技術內容分為四部分：矢量分析、靜態(tài)場、時變場和微波基礎。

本課程首先介紹矢量分析與場論的內容，基于此知識來研究靜態(tài)場。靜態(tài)場包括三類：靜電場、恒定電場和恒定磁場。要求掌握靜態(tài)場的基本規(guī)律，相應場量所滿足的基本方程。學會利用基本方程靈活地解決靜態(tài)場的一些基本問題，如求靜電平衡下導體的電位問題。

其次是要研究靜態(tài)場邊值問題的求解方法。正因為靜態(tài)場邊值問題解法簡單，通過掌握它們并加以修正，就可以推廣到時變電磁場上，作為求解電磁場和電磁波問題的基礎。同時將靜態(tài)場的性質推廣到時變電磁場上。具體來說，即將靜態(tài)場的麥克斯韋方程組結合反映變化磁場產(chǎn)生電場的法拉第電磁感應定律以及反映變化的電場產(chǎn)生磁場的麥克斯韋位移電流假說，同時包含時變電磁場的高斯定理和磁通連續(xù)性定理，構成一個完整的普適性的麥克斯韋方程組。掌握了麥克斯韋方程組以及邊界問題的求解方法，就可以分析和解決具體的電磁場工程問題，如發(fā)電機導體平板周圍的電磁場分布。

接著在建立波動方程等重要的數(shù)學模型的基礎上，要求學生掌握電磁波在無界空間和有界空間、無耗介質和有耗介質中的傳播特點。由此引入電磁波的工程應用——微波技術的應用。主要介紹微波技術基礎，包括傳輸線理論，典型的波導模型以及微波網(wǎng)絡基礎的內容。這部分內容著重結合工程應用實例，如微波系統(tǒng)的工程實踐。

三、教學方法

從國內外的教材來看，教學內容大致可分為兩類：一是演繹法，它由庫侖定律、畢奧-薩伐爾定律以及法拉第電磁感應定律出發(fā)，逐個介紹靜態(tài)場、恒定磁場和時變電磁場。這種方法起點低，學生易接受，但與大學物理中的電磁學部分重復較多，學生會感到厭煩。同時逐一推導靜態(tài)場的特點必然會費時多，導致時變場的內容受到壓縮。二是歸納法，它從麥克斯韋方程組出發(fā)，先介紹時變電磁場，然后把靜態(tài)場歸結為時變場的一種特殊情況，最后再介紹靜態(tài)場。這種方法雖然壓縮了靜態(tài)場的課時，充實了時變場的內容，但起點高，學生不易接受。

結合本校學生特點，在教學過程中采用以演繹法為主，歸納法為輔的方法。如在介紹電磁場基本理論內容的時候，首先采用演繹法，先簡單介紹靜態(tài)場的性質，再將其推廣到時變場的麥克斯韋方程組。在演繹的過程中，多做總結和歸納，在比較中加強物理概念和數(shù)學概念之間的區(qū)別和聯(lián)系，逐漸引入工程概念。如時變場與靜態(tài)場、電流均勻分布和非均勻分布等；接著采用歸納法，從時變場的麥克斯韋方程組出發(fā)，鞏固靜態(tài)場的學習，將其視為時變場的一種特殊情況，用麥克思維方程組及邊界條件方程來解決具體的電磁場問題。結合兩種方法的特點，取長補短，使得學生學起來簡單，同時又能鍛煉學生思維能力，激發(fā)其自主學習的意識。

由于電磁場理論與微波技術課程的基本概念、數(shù)學公式和濾波器設計思路比較抽象，并且有大量的數(shù)學證明和推導，仍需借助黑板板書教學，在黑板教學中，對數(shù)學公式要書寫規(guī)范，正確讀寫數(shù)學公式，讓學生形成正確的第一印象；對基本概念和性質的解釋應使用通俗、恰當和形象的方式來進行表達，讓學生容易形成正確的理解，避免誤解；對微波電路的設計，可采用框圖或流程圖的形式教授其基本設計思路，減少其中經(jīng)驗公式的推導。在板書使用的同時，多采用直觀動態(tài)的多媒體素材、malab軟件的可視化教學方式，將電磁場理論與微波技術的概念和性質生動形象的展現(xiàn)出來，進一步加深學生對它們的理解。

總之，力求使數(shù)學公式、抽象概念和設計思路形象化，避免枯燥的理論學習，激發(fā)學生的學習興趣。 通過對電磁場與微波技術課程的課程體系、課程內容和教學方法進行改革，教學質量和效果有了明顯的改善，學生學習的積極性被激發(fā)，理解問題和解決問題的能力逐步得到鍛煉和提高。

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［責任編輯：劉鳳華］