基于工程案例的《電磁場(chǎng)與電磁波》教學(xué)實(shí)踐

任儀 郝宏剛 尹波

《電磁場(chǎng)與電磁波》是現(xiàn)代信息學(xué)科的重要基礎(chǔ)，是現(xiàn)代信息科學(xué)發(fā)展的重要支撐。它不僅是微波、天線、電磁兼容的理論與設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，而且是各種現(xiàn)代通信方式的主要信息載體，如光纖通信、移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信，以及電視、雷達(dá)等各種專門(mén)學(xué)科，都是以電磁波攜帶信息的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的。因此，對(duì)于該課程的學(xué)習(xí)，很大程度上有利于學(xué)生后續(xù)認(rèn)識(shí)并解決實(shí)際工程中的復(fù)雜問(wèn)題，加深理解電磁場(chǎng)與電磁波的本質(zhì)。但該課程概念抽象、理論性強(qiáng)，對(duì)學(xué)生的空間想象力和數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求很高，是公認(rèn)的難教和難學(xué)的課程。在教學(xué)過(guò)程中，筆者嘗試引入工程實(shí)例教學(xué)實(shí)踐，從教學(xué)內(nèi)容上增加電磁場(chǎng)與電磁波的應(yīng)用實(shí)例，同時(shí)結(jié)合其他教學(xué)手段，使抽象的概念形象化，難懂的公式物理化，零散的知識(shí)系統(tǒng)化，理論基礎(chǔ)與實(shí)際應(yīng)用密切聯(lián)系化，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生探索性學(xué)習(xí)，啟迪學(xué)生創(chuàng)新性思維，促進(jìn)學(xué)生知識(shí)拓展應(yīng)用能力的提高。

一、工程實(shí)例教學(xué)實(shí)踐

《電磁場(chǎng)與電磁波》是電子信息類專業(yè)的主干基礎(chǔ)課程，涉及大量的場(chǎng)論和矢量分析方面的數(shù)學(xué)知識(shí)，覆蓋內(nèi)容較廣，且有一定的深度。相對(duì)于應(yīng)用型課程，該課程的理論分析內(nèi)容較多，課程理解需要學(xué)生花費(fèi)較大的精力和時(shí)間，且需要能夠靜下心來(lái)思考電磁場(chǎng)問(wèn)題，因此，對(duì)于工科學(xué)生來(lái)說(shuō)普遍較難理解。然而，該課程講授的知識(shí)、理論和方法，在實(shí)際工程中具有一定的普適性，更容易與工程實(shí)例結(jié)合。以靜態(tài)場(chǎng)為例，靜態(tài)場(chǎng)是不隨時(shí)間變化的場(chǎng)，是時(shí)變場(chǎng)的特例，在靜態(tài)場(chǎng)部分的教學(xué)中主要做電容和互感的測(cè)量實(shí)驗(yàn)，多導(dǎo)體的部分電容和互感是靜態(tài)場(chǎng)中非常重要的兩個(gè)概念。要求學(xué)生在掌握部分電容和互感的特性及測(cè)量原理的基礎(chǔ)上，應(yīng)用測(cè)試具體參數(shù)，對(duì)比測(cè)試結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果是否相吻合。再如麥克斯韋方程組，看似只是一組毫無(wú)新意、索然無(wú)味的方程，多數(shù)同學(xué)接觸到它都有一定的畏難情緒。但如果將“電磁隱形衣”“左手電磁材料”“磁懸浮”“無(wú)線電力傳輸”等實(shí)際應(yīng)用有機(jī)結(jié)合到課程教學(xué)中，課堂氛圍異?；钴S，學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情大大提高，對(duì)實(shí)際工程實(shí)例的思考更加深入徹底，甚至有學(xué)生在此基礎(chǔ)上開(kāi)始研究電磁理論新的應(yīng)用。

二、課堂教學(xué)與課外科技活動(dòng)結(jié)合

除課堂教學(xué)外，根據(jù)實(shí)際課堂教學(xué)內(nèi)容，定期給學(xué)生布置與實(shí)際應(yīng)用相關(guān)的作業(yè)，可以是科技小論文、工程實(shí)例中簡(jiǎn)單問(wèn)題的解決方案、學(xué)生分組內(nèi)部科技小競(jìng)賽等，復(fù)雜的形式可以是參加校外知名企業(yè)的有獎(jiǎng)科技競(jìng)賽、區(qū)域性科技創(chuàng)新能力大賽等。此外，通過(guò)講解電磁場(chǎng)在實(shí)際工程中運(yùn)用的一些案例，以及讓學(xué)生由淺入深地了解到電磁應(yīng)用的廣闊性，避免了學(xué)生學(xué)習(xí)的盲目性，避免在學(xué)生中形成學(xué)習(xí)電磁場(chǎng)無(wú)用論的觀點(diǎn)。

近年來(lái)，隨著教學(xué)水平及學(xué)生素質(zhì)的普遍提高，各種各樣的課外科技競(jìng)賽活動(dòng)顯著增多。這在很大程度上幫助學(xué)生更透徹的理解書(shū)本理論知識(shí)，同時(shí)鼓勵(lì)學(xué)生根據(jù)所學(xué)知識(shí)，發(fā)揮自己的主觀能動(dòng)性，強(qiáng)化自我思考的能力，推動(dòng)自身創(chuàng)新思維的形成。這些競(jìng)賽活動(dòng)為廣大學(xué)生參與解決工程實(shí)際問(wèn)題提供了廣闊的舞臺(tái)。他們主動(dòng)將所學(xué)理論與工程實(shí)踐結(jié)合，形成有價(jià)值的工程解決方案，或發(fā)表較高水平的論文，或參加要求較高的科技項(xiàng)目?！峨姶艌?chǎng)與電磁波》這門(mén)純理論學(xué)科被廣泛應(yīng)用于工程實(shí)例，學(xué)生學(xué)習(xí)起來(lái)沒(méi)有了之前的畏難情緒，相反，他們更有學(xué)習(xí)的熱情，豐富課余生活的同時(shí)還能夠獨(dú)立提出問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題。該過(guò)程將有助于學(xué)生實(shí)現(xiàn)自身價(jià)值，了解并懂得學(xué)習(xí)的目的和意義。

電磁場(chǎng)與電磁波理論中存在許多基礎(chǔ)性、探索性問(wèn)題，是創(chuàng)新型教學(xué)改革的絕好典范。在此課程教學(xué)中加入工程實(shí)例幫助學(xué)生理解和掌握課程內(nèi)容具有較大的實(shí)際意義。通過(guò)引入工程實(shí)例的教學(xué)實(shí)踐，學(xué)生的整體水平顯著提高，主動(dòng)報(bào)名參與課外競(jìng)賽活動(dòng)的人數(shù)增多，這從側(cè)面說(shuō)明此教學(xué)方法在提高教學(xué)質(zhì)量和調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性上有明顯成效。但課堂教學(xué)的不同方案一直是一個(gè)不斷探索、不斷進(jìn)步、不斷完善的過(guò)程，要實(shí)現(xiàn)電磁場(chǎng)與電磁波課程的全面深入改革，還需要進(jìn)一步探索與努力。