中美高校電磁場教學(xué)比較研究

摘要：“電磁場”課程是電子信息類本科專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，這門課的知識在軍用和民用等領(lǐng)域有很廣的應(yīng)用。但是這門課程又是教學(xué)與學(xué)習(xí)難度很大的課程，對二本高校來說更是如此。根據(jù)在美國休斯頓大學(xué)留學(xué)的心得體會和多年的二本高校電磁場課程教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，探討該課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法。

關(guān)鍵詞：電磁場；教學(xué)方法；教學(xué)內(nèi)容；美國大學(xué)

中圖分類號：G642.0#8195；#8195；#8195；#8195；#8195；文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A#8195；#8195；#8195；#8195；#8195；文章編號：1007-0079（2014）17-0073-02

電磁場理論具有理論性強(qiáng)、概念抽象、公式繁多、數(shù)學(xué)推導(dǎo)繁瑣的特點(diǎn)，要求學(xué)生具有較強(qiáng)的空間想象能力、抽象思維能力和邏輯推理能力。[1，2]這門課的特點(diǎn)對學(xué)生提出了很高的要求，所以這門課是教學(xué)和學(xué)習(xí)難度最大的課程。特別是對于像桂林電子科技大學(xué)這樣的二本院校來說，學(xué)生基礎(chǔ)相對于重點(diǎn)院校的學(xué)生普遍要差些，自主學(xué)習(xí)的能力也要差些。[3]因此，如何做好二本高校電磁場課程的教學(xué)工作是擺在面前的一個(gè)緊迫問題，值得花大力氣來探討研究。筆者在美國休斯頓大學(xué)（University of Houston）留學(xué)期間旁聽了Jackson教授講授的應(yīng)用電磁波和微波工程兩門課，感受到中美教育頗有不同，所以將這些經(jīng)驗(yàn)與在實(shí)際教學(xué)中的經(jīng)驗(yàn)和發(fā)現(xiàn)的問題相結(jié)合，根據(jù)我國高校的實(shí)際情況探討電磁場課程的教學(xué)。

一、教學(xué)內(nèi)容探討

對于電磁場這門抽象、復(fù)雜、教學(xué)難度大的課程，二本高校還得面對學(xué)生基礎(chǔ)和自主學(xué)習(xí)能力比重點(diǎn)高校學(xué)生相較稍差的校情，因地制宜地選擇合適的教學(xué)內(nèi)容是十分重要的；特別是桂林電子科技大學(xué)（以下簡稱“我?！保╇姶艌稣n程的學(xué)時(shí)已由原來的100多學(xué)時(shí)減少到現(xiàn)在的56學(xué)時(shí)。面對這樣的情況，需認(rèn)真研究這門課程的教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生以有限的學(xué)時(shí)掌握電磁場的基礎(chǔ)知識，為進(jìn)一步的學(xué)習(xí)或研究打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。為此，將教學(xué)內(nèi)容與美國大學(xué)的教學(xué)內(nèi)容做一比較應(yīng)該是有益的。

先看休斯頓大學(xué)電磁場這門課程的教學(xué)內(nèi)容。休斯頓大學(xué)將電磁場課程分為兩門課程，即應(yīng)用電磁學(xué)（ECE 2317）和應(yīng)用電磁波（ECE 3317）。應(yīng)用電磁學(xué)這門課程包含的主要內(nèi)容有電磁學(xué)基礎(chǔ)、矢量分析、麥克斯韋方程、基爾霍夫定律、靜電場與靜磁場、電阻、電容、電感、磁路與變壓器。而應(yīng)用電磁波課程包括時(shí)域與頻域中的麥克斯韋方程、波印亭定理、平面波傳播、波在理想與有耗煤質(zhì)中的反射與透射、傳輸線、波導(dǎo)和天線?？梢姡菟诡D大學(xué)將電磁場這門課將靜態(tài)場與動(dòng)態(tài)場分別放在兩門課講授，每門課講授時(shí)間相當(dāng)于國內(nèi)的48學(xué)時(shí)，即兩門課加起來有96學(xué)時(shí)。而我校本科電磁場課程目前只有56學(xué)時(shí)，比休斯頓大學(xué)整整少了40個(gè)學(xué)時(shí)。因此，我校電磁場課程的教學(xué)內(nèi)容主要包括矢量分析、靜態(tài)場、麥克斯韋方程、時(shí)變電磁場、無界空間中的TEM波、TEM波的反射與透射。可見，我校的電磁場課程教學(xué)內(nèi)容與休斯頓大學(xué)有所不同。但是需要指出，基爾霍夫定律學(xué)生在“電路分析”課程即已學(xué)習(xí)，傳輸線、波導(dǎo)和天線有后續(xù)的課程學(xué)習(xí)，磁路與變壓器、電阻、電容、電感、分離變量法和鏡像法根據(jù)我校不同專業(yè)的需求而有所取舍；此外，對一些復(fù)雜的內(nèi)容，如分離變量法和鏡像法等，做簡化處理。

做這樣的安排首先因?yàn)檎n時(shí)相比休斯頓大學(xué)來說少得多；其次，二本高校的學(xué)生基礎(chǔ)與學(xué)習(xí)能力都稍差，有必要簡化講授部分復(fù)雜的內(nèi)容；第三，我校電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)有電磁場方面的后續(xù)課程，專業(yè)基礎(chǔ)必修課“微波技術(shù)”，專業(yè)限選課“微帶電路”“電波傳播與天線”“微波電路及CAD技術(shù)”和專業(yè)任選課“電磁兼容”等課程，這些課程的設(shè)置覆蓋了“電磁場”課程的不足部分。我校的其他專業(yè)根據(jù)需求也會選擇一定的電磁場后續(xù)課程?？梢?，鑒于我?！半姶艌觥睂W(xué)時(shí)遠(yuǎn)比休斯頓大學(xué)相關(guān)課程學(xué)時(shí)少且我校學(xué)生素質(zhì)比休斯頓大學(xué)學(xué)生稍差的現(xiàn)實(shí)，筆者簡化了這門課的教學(xué)內(nèi)容以適應(yīng)我校不同專業(yè)（如通信工程等）對電磁場知識的需求，且我校電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的后續(xù)課程彌補(bǔ)了“電磁場”課程的不足，覆蓋了休斯頓大學(xué)電磁場課程的內(nèi)容并有所拓展。我校電磁場課程教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置因地制宜，適合學(xué)生基礎(chǔ)及不同專業(yè)的需求，使學(xué)生打下良好的電磁場知識基礎(chǔ)，奠定了進(jìn)一步學(xué)習(xí)和研究的基礎(chǔ)。

二、教學(xué)方法探討

1.教材選取

探討了教學(xué)內(nèi)容，再來探討下教學(xué)方法。教學(xué)方法跟教材的選取形式是密切相關(guān)的。休斯頓大學(xué)應(yīng)用電磁學(xué)課程并沒有指定一本專門的上課用教材，而是推薦了三本教材書：《Applied Electromagnetism》（L. C. Shen and J. A. Kong， 3rd）、《Schaum's Outline on Theory and Problems of Electromagnetics》（J. A. Edminister， 2nd）和《Schaum's Outline on 2000 Solved Problems in Electromagnetics》（S. A. Nasar）；休斯頓大學(xué)的應(yīng)用電磁波課程推薦的參考教材為《Applied Electromagnetism》（L. C. Shen and J. A. Kong， 3rd）、《Engineering Electromagnetics》（Hayt and Buck，6th）和Fundamentals of Engineering Electromagnetics （D. K. Cheng）?？梢?，休斯頓大學(xué)電磁場的教學(xué)并沒有指定一本專門的教材，而是教師按照自己的講義進(jìn)行授課，學(xué)生參考幾本教材進(jìn)行學(xué)習(xí)。而像很多國內(nèi)高校一樣，我校的電磁場課程指定了一本專門的教材《電磁場與電磁波》（謝處方、饒克謹(jǐn)著），[4]雖然也另外指定了2本參考教材，但是多數(shù)學(xué)生習(xí)慣于只看指定教材。

2.教學(xué)考核

教材的選取形式一方面是因?yàn)閲鈱W(xué)生是主動(dòng)學(xué)習(xí)，主動(dòng)思考并探索知識；而國內(nèi)的學(xué)生從小到大習(xí)慣于被動(dòng)學(xué)習(xí)和接收知識，習(xí)慣于指定學(xué)習(xí)內(nèi)容，缺乏主動(dòng)探索和求知的精神。另一方面休斯頓大學(xué)電磁場類課程老師除了會布置一定的作業(yè)外，也會布置一些project來要求學(xué)生利用課外時(shí)間完成；這些作業(yè)或project多是要求學(xué)生利用所學(xué)知識來解決實(shí)際問題，難度較大，需要學(xué)生大量查閱文獻(xiàn)資料和參考書來完成，從而培養(yǎng)了學(xué)生獨(dú)立進(jìn)行科學(xué)研究的能力。美國的其他大學(xué)也大多如此。[5]而我校（也包括很多國內(nèi)高校）的作業(yè)布置一般都是教材里的習(xí)題，且沒有project這個(gè)環(huán)節(jié)，學(xué)生完成作業(yè)只需要翻看課本即可，難以鍛煉學(xué)生的獨(dú)立科研能力。

此外，休斯頓大學(xué)應(yīng)用電磁學(xué)考核成績中平時(shí)作業(yè)占10%，project占10%，第一次考試占25%，第二次考試占25%，期終考試占30%；應(yīng)用電磁波平時(shí)作業(yè)占15%，project占10%，中期考試占25%，期終考試占50%。而我校電磁場考核成績中平時(shí)占20%，實(shí)驗(yàn)占10%，期終占70%。考核的平時(shí)成績主要看學(xué)生到勤率和交作業(yè)情況，主要考核成績還是看期末考試；如此，很多學(xué)生抱著臨時(shí)抱佛腳，考前沖刺一下的想法，難以調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。當(dāng)然，這種情況是國內(nèi)較為普遍的情況。但是，可以適當(dāng)借鑒美國高校的一些做法，如平時(shí)安排一些小的project讓學(xué)生查閱文獻(xiàn)，增加平時(shí)測試，布置一些與實(shí)際問題密切相關(guān)的作業(yè)，從而調(diào)動(dòng)學(xué)生平時(shí)學(xué)習(xí)的積極性，培養(yǎng)獨(dú)立研究的能力。

3.教學(xué)方法

面對電磁場課程學(xué)習(xí)的高難度，學(xué)習(xí)能力稍差的二本學(xué)生容易產(chǎn)生畏難情緒，并逐漸失去學(xué)習(xí)的興趣。因此，具體到課堂教學(xué)方法上要特別注意因材施教，注意講課的邏輯清晰、物理概念清楚、理論聯(lián)系實(shí)際，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。筆者根據(jù)在美國休斯頓大學(xué)留學(xué)期間旁聽Jackson教授課堂教學(xué)的理解和多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為授課應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

（1）筆者一開始講課就應(yīng)該跟學(xué)生交代清楚本次課的講課內(nèi)容，需要解決的問題，重點(diǎn)問題和難點(diǎn)問題，并在課的最后交代下一次課的講授內(nèi)容，便于學(xué)生預(yù)習(xí)。講課時(shí)要邏輯要清晰，條理清楚，應(yīng)該將復(fù)雜的問題簡單化，利于學(xué)生理解；并經(jīng)常使用提問的方式，引導(dǎo)學(xué)生思考。

（2）電磁場這門課是數(shù)學(xué)與物理的完美結(jié)合，但是這也就意味著物理概念抽象、理論性強(qiáng)并且公式繁多。[6]要避免將課堂教學(xué)變成數(shù)學(xué)推導(dǎo)課，枯燥的數(shù)學(xué)推導(dǎo)只會降低學(xué)生課堂學(xué)習(xí)的興趣。電磁場這門課的數(shù)學(xué)推導(dǎo)都應(yīng)該是為把物理問題講清楚而進(jìn)行的，不能一味為推導(dǎo)而推導(dǎo)；一定要把數(shù)學(xué)背后的電磁原理和電磁現(xiàn)象講清楚，便于學(xué)生理解和應(yīng)用。

（3）一定要講明白公式的適用條件。一些公式在不同的適用條件下其形式是不同的，或者該公式只在一定條件下適用。如果不把這些問題講清楚，這些公式在學(xué)生的頭腦中就很混亂，無所適從。如麥克斯韋第一方程的微分形式為（1）式所示。但是在學(xué)習(xí)中也會應(yīng)用麥克思維第一方程的另外兩種形式（2）和（3）。要分清這幾個(gè)公式的適用情況，首先就要搞清楚和的概念。是傳導(dǎo)電流密度，是位移電流密度。在靜態(tài)場中，場不隨時(shí)間變化，因此對時(shí)間的偏導(dǎo)為零，因此不存在位移電流，此時(shí)適用公式（2）；在時(shí)變電磁場的無源區(qū)=0，但存在位移電流，因此適用公式（3）；而在時(shí)變電磁場的有源區(qū)，同時(shí)存在傳導(dǎo)電流和位移電流，因而適用公式（1）。這樣講解，學(xué)生對公式的使用條件就很清楚了，也便于學(xué)生理解這幾個(gè)公式。

（1）

（2）

（3）

（4）將相近或易混淆內(nèi)容做比較，更易于理解和記憶。如上面所講的麥克斯韋第一方程的幾種適應(yīng)條件放到一起做比較。坡印廷定理瞬態(tài)形式（4）式和平均形式（5）式，放到一起做比較，更利于學(xué)生理解（4）式是瞬時(shí)值，而（5）式是一個(gè)周期T內(nèi)的平均能流密度矢量。這樣的比較有利于理解兩個(gè)相近的概念，分清兩個(gè)公式的物理意義與應(yīng)用環(huán)境，并易于公式的記憶。

（4）

S平均

（5）

（5）將課本枯燥的理論知識與實(shí)際應(yīng)用聯(lián)系起來，以激起學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。電磁場課程不但學(xué)習(xí)難度高，而且很多學(xué)生反映不知道學(xué)習(xí)這門課有何用處，這些問題嚴(yán)重打擊了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。因此，在授課時(shí)要注意介紹電磁場知識在實(shí)際生活中的應(yīng)用，讓學(xué)生明白學(xué)習(xí)并不單單是枯燥的理論知識，這些知識都是指導(dǎo)實(shí)際工程的基礎(chǔ)，解決學(xué)生為什么要學(xué)的問題。除可適當(dāng)介紹電磁場在通信（手機(jī)、基站、衛(wèi)星等）、探測（探地雷達(dá)，石油探測等）、定位（各種雷達(dá)）和微波醫(yī)療等的應(yīng)用外，還可介紹具體知識的應(yīng)用。如電磁場應(yīng)用的例子之一的微波爐就應(yīng)用了電磁波在導(dǎo)電媒質(zhì)中傳播的知識：一般食物的電導(dǎo)率σ為有限值（非零），所以電磁波在食物中傳播是有耗的（電場轉(zhuǎn)化為電流，電流轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)化為熱量W=Pt=I2Rt）；而微波爐中不能放金屬器皿是因?yàn)榻饘俚碾妼?dǎo)率σ很大，會產(chǎn)生很大的電流，損壞金屬器皿，甚至產(chǎn)生危險(xiǎn)。通過對授課內(nèi)容的拓展，可以活躍課堂教學(xué)，讓學(xué)生明白電磁場知識是怎樣在實(shí)際中應(yīng)用的，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，大大提高課堂教學(xué)的效果。

三、結(jié)語

電磁場理論在電子和通信類專業(yè)中占有十分重要的地位，值得花大力氣去探討怎么學(xué)好這門課。歐美等國家在電磁場教學(xué)上有很多值得借鑒的經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)將這些經(jīng)驗(yàn)與二本高校的實(shí)際相結(jié)合，探討最適合的教學(xué)道路。最后，教師應(yīng)該不斷提高自己的業(yè)務(wù)水平和綜合素質(zhì)，不斷提高教學(xué)水平。

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（責(zé)任編輯：王意琴）