“電磁場與電磁波”課程教學研究

摘要：“電磁場與電磁波”是一門教學難度較大的課程。特別是在獨立院校中，普遍存在學生難學、教師難教的局面。故此，教師在教學過程中要根據(jù)課程特點、存在的問題運用多種多樣的教學方法，與教學思想、教學內(nèi)容和教學管理等方面配合和協(xié)調(diào)，以達到最佳的教學效果。分析總結了目前獨立院校中“電磁場與電磁波”課程教學中普遍存在的一些問題，并探討了改進措施。

關鍵詞：電磁場與電磁波；類比法；循序漸進；講義；習題

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）21-0010-02

隨著信息時代的到來，作為通信傳輸技術基礎的電磁場理論得到越來越廣泛和深入的研究與應用?！半姶艌雠c電磁波”是電氣、電子信息、通信等工科電子類專業(yè)的一門重要的技術基礎課，它是在大學物理電磁學的基礎上，進一步研究宏觀電磁現(xiàn)象的基本規(guī)律和分析方法。這不但是為了后續(xù)課程的需要，也是深入理解和分析工程實際中的電磁問題所必需掌握的基本知識，而且電磁場理論也是微波通信、衛(wèi)星通信、電磁兼容和生物電磁學等高新技術的理論基礎及交叉領域新學科的生長點。[1，2]所以電類專業(yè)的學生，無論是從當前的學習出發(fā)，還是為了拓寬將來的專業(yè)面，都應該重視這門課程，學好這門課程，打好專業(yè)基礎。此外，學好這門課，對培養(yǎng)學生樹立嚴謹?shù)目茖W思想、科學分析問題的方法、復雜抽象的思維能力、勇于開拓的創(chuàng)新精神等將起著十分重要的作用。[3，4]另外由于獨立學院學生普遍基礎不是很好，并且對抽象的理論課程的學習興趣不大，更加重了獨立學院重“電磁場與電磁波”課程的教學工作。

一、“電磁場與電磁波”課程特點

1.基礎知識要求多

“電磁場與電磁波”課程是以大學物理、高等數(shù)學、電路分析、數(shù)學物理方程、復變函數(shù)等為基礎，所涉及的內(nèi)容很廣 。大學物理中，電磁學部分內(nèi)容是“電磁場與電磁波”的物理基礎，而矢量分析、特殊函數(shù)等內(nèi)容是學好“電磁場與電磁波”課程必需的數(shù)學工具，由于涉及復雜偏微分和特殊函數(shù)的計算，難度不小。因此要學好這門課程，必須熟練掌握這些基礎課程的相關概念、理論和運算等。同樣對擔任本課程教學的教師提出了較高的要求，即一方面需要有較好的物理、數(shù)學及電路知識；另一方面需要有比較全面的專業(yè)知識。同時，又需要對通信工程實際情況有較廣泛的了解。因此本課程的教學相對而言比較不易。

2.數(shù)學推導計算多

課程涉及大量的物理知識以及各種數(shù)學方法，在學習過程中如何處理數(shù)學與物理的銜接，數(shù)學方法和物理概念的聯(lián)系以及理論分析與工程應用的關系至關重要，這也是學生較難處理的問題。

3.抽象的概念多

“電磁場與電磁波”每章內(nèi)容都會引入一些新的、較難理解的概念、定律。例如散度和旋度是兩個比較抽象的數(shù)學概念，學生們甚至在課程結束之后仍感到這兩個概念很抽象，不理解在電磁場與波學習中為什么始終與之打交道；靜電場中的自分布電容、互分布電容、廣義力、虛位移等；恒定磁場中的矢量磁位、標量磁位；邊值問題求解中的鏡像法、分離變量法等。這些新的概念及定律不僅抽象、難理解，而且所涉及的公式通常比較復雜，計算起來難度較大。基于以上特點，對于“電磁場與電磁波”這門課程，學生普遍認為“難學”，教師普遍感到“難教”。

二、“電磁場與電磁波”教學存在的問題

1.學習問題

由“電磁場與電磁波”課程的特點可知課程本身過于抽象，學生普遍反映難學難懂，表現(xiàn)為抽象的純理論和概念多，復雜的偏微分公式多，計算求解難度大，而對老師來說教好這門課也具有相當?shù)碾y度。另外，在學習“電磁場與電磁波”課程過程中，學生常常難以將已經(jīng)學好的數(shù)學知識和電磁場內(nèi)容很好地結合。在學習“電磁場與電磁波”之前，學生一般都具備矢量場論的基本知識，但是在學習“電磁場與電磁波”的過程中卻難以將所學知識與電磁場理論融會貫通、學以致用。還有許多學生數(shù)學基礎薄弱，學習起來備感吃力。

2.教材問題

目前絕大多數(shù)教材都只強調(diào)經(jīng)典的理論知識，缺乏有應用背景和緊密跟蹤最新前沿發(fā)展的內(nèi)容，這樣不但導致理論與實際應用脫節(jié)，也很難激發(fā)學生的學習熱忱。特別是對基礎知識差的學生來說，一看到大量的證明和數(shù)學推導問題就失去了信心。

3.缺少實驗設備

由于資金和實驗設備的匱乏，使得大部分高校在“電磁場與電磁波”教學中缺少實驗設備，導致無法開展實驗課程。這樣原本就十分抽象的課程，完全變成了一門純理論教學的課程，也導致了學生學習中理論與實踐的脫節(jié)問題。

4.課時問題

隨著這些年的教學改革，大學生要求的總學分略有下降，而開設課程又增多的趨勢導致“電磁場理論”的教學課時被極大壓縮，由以前的80學時被壓縮到40學時，導致教學自由度受到了較大的限制。

三、提高“電磁場與電磁波”教學質量的方法

1.制訂教學大綱，確定教學內(nèi)容

現(xiàn)有的“電磁場與電磁波”教學，大部分都是一些純理論講解的內(nèi)容，而學生在學習的過程中經(jīng)常問學這門課有什么用，學某一章節(jié)有什么用。看是一個簡單的問題，但作為老師一定認真思考，給學生一個滿意的答案。因為從這個問題上一方面反映了老師講課不能只是大談理論講解，另一方面也反映了現(xiàn)有教材在實際應用方面的缺陷。對這個問題回答的好壞直接關系到同學們學習的效果和興趣?；谝陨显蚝凸P者多年的“電磁場與電磁波”的教學經(jīng)驗，自編內(nèi)部教材講義，此講義最大的特點是以通俗的語言來講解抽象的概念，以實際的例題來幫助理解重點理論，并且在每個知識點都有對應的應用實例。

由于“電磁場與電磁波”理論是人類在認識自然規(guī)律和生產(chǎn)實踐活動中發(fā)展起來的，在日常生活、科學研究和軍事等領域中的應用非常廣泛，例如在微波爐、磁懸浮列車、隱形轟炸機、移動電話中的應用等。這些在此講義的每一章的后面都是一個拓展知識的介紹，比如在第二章靜態(tài)電磁場的最后一節(jié)中，就針對磁懸浮列車和衛(wèi)星電推進器做了詳細講解，提高了同學們的學習興趣。

2.循序漸進的教學方法

電磁場與電磁波是利用場的觀點來研究空間某一物理量的確定值問題，而矢量分析正是研究此問題的重要教學工具。應用矢量分析的方法，可以使電磁場的基本定律、公式以簡潔的形式表述出來，且與坐標的選擇無關。所以先要學習一下矢量分析的內(nèi)容，包括矢量運算、三種坐標系、矢量的散度和旋度等內(nèi)容。以后每個章節(jié)的教學，采用從易到難、從靜態(tài)場到時變場、從電場到磁場再到電磁場、從三維空間到四維空間的循序漸進的教學順序。

首先，從較為容易掌握的靜電磁場開始進行學習，此章節(jié)的教學應詳細地分析各種情況，其中包含對基本方程、邊值問題等理論的推導以及物理含義的分析，以及靜電能量與力的分析等，而靜磁場的講解一定要和靜電場的知識進行類比學習。這樣就為時變電磁場、電磁場波的傳播、波導等教學內(nèi)容打下一個比較好的基礎。后續(xù)各章節(jié)的教學，也應注意與靜電磁場的理論進行比較。從靜止電荷產(chǎn)生的靜電場到研究運動的穩(wěn)定電荷產(chǎn)生的恒定電場，然后研究電流引入的恒定磁場，隨后進行電磁感應以及時變電磁場分析，并且在時變電磁場的分析中，推測電磁波的產(chǎn)生。之后講解均勻平面電磁波在無界空間的傳播、反射和透射，以及導行電磁波、電磁波輻射等知識，最后進行傳輸線理論的講解。按照逐步深入方式，進行知識的擴充，使課程知識具有連貫性，學生也比較容易掌握。

3.巧妙使用類比方法

“電磁場與電磁波”課程體系中，小到一個公式，大到整個理論框架，都存在著對立統(tǒng)一的關系。通過這些知識點的類比，不僅使學生學到了“電磁場與電磁波”課程的精髓，也使他們體會到“電磁場與電磁波”課程體系中的對稱美。類比包含兩個方面的類比，一是課程、領域之間的橫向類比，例如與“大學物理”相關知識點的類比，“電磁場”和“流體力場”、“電磁波”和“機械橫波”的比較。由于電磁波與機械波都是橫波，都具有橫波的特性等方面的類比，水波的傳播與電磁波能的傳播的類比，電磁場與流體力場的類比等等，類比的教學策略進行更加形象直觀的傳授，啟發(fā)創(chuàng)造性思維。另一個則是縱向類比，譬如該課程本身的靜電場和靜磁場、靜電場和恒定電流場等的對比。這樣，既拓寬了學生的知識面，也使學生通過類比對電磁場波動函數(shù)表達式有了深刻而又直觀的理解。

4.仿真軟件在教學中的應用

對于電子信息、通信專業(yè)的學生，基本上都會使用MATLAB軟件，并且場與波的分析往往涉及復雜的繪圖和大量的計算，將MATLAB仿真技術應用到“電磁場與電磁波”實驗教學中，十分有助于將抽象的理論變成容易理解、接受的結論，這必將有助于“電磁場與電磁波”的課堂教學。[5]比如，利用MATLAB編寫的程序可以繪制三維矢量的靜態(tài)和動態(tài)分布圖，給出了均勻平面波、矩形波導的傳輸模和截止模、電流元的電場和磁場的分布圖，這將大大提高同學們的空間想象力和對這部分知識的理解能力。

5.適當?shù)牧曨}練習

對“電磁場與電磁波”課程的學習，不但要有正確的教和學的方法，還要有適當?shù)牧曨}練習。其實，習題都是針對某一知識點的實際應用而設計的，在同學們做習題的過程中一方面幫助他們理解知識點的應用，另一方面也鞏固了課堂老師所講內(nèi)容。

在課堂教學中，不可能留出時間讓學生來學習題，只能有針對性地來講解有代表性的例題，做習題只讓同學們在課下做，讓同學把遇到的問題匯總起來，在集體答疑的時間來給同學們做詳細的解答。在講義中不但針對每一知識點精心設計應用實例，而且還設計了一定量的習題要求同學們完成。

此外，習題不僅僅是計算，在每一章結束后給學生出了一些思考題，讓學生自己去查找資料來完成。比如假如存在磁單極子，麥克斯韋方程的形式是什么樣的？

四、總結

本文是筆者多年來在“電磁場與電磁波”教學中的一點體會，本課程涉及的基礎知識比較多，對教師的專業(yè)課程知識的要求較高，同時需要教師密切結合本校學生的基礎、實驗設備、課時、教學大綱的制訂等實際情況進行分析。教學過程的每一個環(huán)節(jié)都需要周密思考、認真?zhèn)湔n，注意平時在科研項目中隨時積累，在教學中隨時涉獵其他專業(yè)的知識。教師的視野開闊了，學生才能在電磁場領域的思維角度開闊一些，能夠掌握宏觀電磁場與電磁波的基本性質及基本規(guī)律，培養(yǎng)他們的抽象思維能力，分析解決實際問題的能力。

參考文獻：

[1]田雨波， 張貞凱.“電磁場理論”教學改革初探[J].電氣電子教學學報，2008，30（1）：11-12.

[2]王家禮，朱滿座，路宏敏.電磁場與電磁波[M].西安：西安電子科技大學出版社，2003.

[3]李波，豆根生，袁超.電磁場與電磁波課程的教學方法探索[J].河南機電高等專科學校學報，2007，15（6）：127-128.

[4]劉學觀，郭輝萍，李富華.電磁場與電磁波課程體系規(guī)劃研究[J].電氣電子教學學報，2006，28（6）：l-2.

[5] 呂秀麗，牟海維，李賢麗.MATLAB在電磁場與電磁波實驗教學中之應用[J].實驗室研究與探索，2010，29（2）.

（責任編輯：王意琴）