電磁場與電磁波課程的教學改革與實踐

謝 華

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電磁場與電磁波課程的教學改革與實踐

謝 華

(三明學院 機電工程學院，福建 三明 351000)

電磁場與電磁波是電子信息類專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎課程．通過對課程教學現(xiàn)狀和難點分析，以培養(yǎng)學生的學習興趣、實際應用能力為目標，對課程的教學內容和教學方式進行了改革和探索．應從縱向、橫向進行教學內容優(yōu)化，重點突出引入課程導入、類比歸納、案例教學、演示教學等多元化教學手段，實施靈活考核評價模式，提高教學質量．

電磁場與電磁波；課程；教學改革

電磁場與電磁波課程是高等工科院校電類專業(yè)一門傳統(tǒng)的基礎課程．課程包括電磁場與電磁波兩大部分內容，主要講解電磁場與電磁波的基本概念、基本規(guī)律、基本理論和典型的分析方法及其在電磁工程中的應用．在電子專業(yè)的課程體系中，它是一門重要的專業(yè)技術基礎課程，是后續(xù)的通信原理、微波技術、天線、移動通信以及其他高頻電子設備課程教學的基礎，在基礎課和專業(yè)課之間起到承上啟下的橋梁作用．考慮到這門課程所需的數(shù)學和物理知識結構以及后續(xù)課程的需要，將課程安排在本科第四學期，計劃學時為54學時．

在課程教學的過程中，發(fā)現(xiàn)問題總結如下：1) 學生怕學、厭學．課程概念抽象、理論性強、公式繁多，所以要求學生數(shù)學、物理基礎要好．但是有的學生由于數(shù)學、物理基礎不扎實，學習難度很大，導致厭學；內容多，課時緊再加上繁多的公式及較大的計算強度也使好學的學生怕學．2) 電磁場和電磁波現(xiàn)象具有復雜的空間分布，都具有不可見的特性，無法生動、形象地展示給學生，這些內容的學習要求學生具有一定的空間想象能力，沒有空間的思維無法理解場的分布、性質及波的傳播特性等理論，影響整個課程的學習效果[1]．3) 課程內容和知識點偏重于理論分析和推導，知識點、例題、習題和實際應用脫節(jié)，學生學后不知有什么用，用在哪，造成學習興趣缺乏．因此電磁場與電磁波這門課成了難學難教的課程，考試的不及格率也較高．如何上好電磁場與電磁波課程，提高學生的學習興趣，讓學生能學、肯學、學以致用，從而提高教學質量，筆者從多個方面對課程教學進行改革探索，取得了較好的教學效果．

1 優(yōu)化教學內容

本課程采用高等教育出版社出版、謝處方編第四版《電磁場與電磁波》教材，從三大實驗定律——庫倫定律、安培定律、法拉第電磁感應定律和兩個基本假說——有旋電場假說和位移電流假說為基礎，導出麥克斯韋方程組，再討論靜態(tài)場、時變場及電磁波的傳播與輻射特性．

在整個教學周期，將教學內容橫向分為電磁場和電磁波兩大部分，其中電磁場分為靜態(tài)場與時變場，授課時突出時變場部分，以有旋電場假說和位移電流假說為基礎，通過高斯散度定理與斯托克斯定理的聯(lián)系，導出經典電磁理論的核心“麥克斯韋方程組”，由此討論時變場的性質，把靜態(tài)場看成是時變場的一種特殊情況．通過對靜態(tài)場中的靜電場、恒定電場、恒定磁場的分析，其內容和大學物理中的電學、磁學的部分內容有重疊；而這三種場在講授過程、講解思路上非常相似．所以先從學生熟悉的庫倫定律入手著重講解靜電場，然后采取類比教學的方法講解其他場，使學生學習起來有參照，用已經掌握的知識導入新課內容，學生較容易接受，便于知識的吸收．這樣處理的好處有兩點：1) 避免與大學物理中電磁學內容的重合，學生不會感覺重復厭煩，同時大大壓縮了課時．電磁場這部分的教學時間約占總課時的1/3，相對“電磁場”而言，“電磁波”的內容得到了強化．2) 適當降低了學生的學習難度．這樣就有更多的時間用于講授與電子、通信領域相關的知識和實際工程應用方面的內容，提高學生的學習興趣，也更加符合電子信息工程專業(yè)的人才培養(yǎng)需求．

在縱向上，將教學內容分為3大部分：1) 基本概念、定律、公式；2) 典型的分析計算方法；3) 工程實際應用案例．第一部分的內容要讓學生清楚地知道本門課程要理解和掌握的概念、三維現(xiàn)象和規(guī)律、公式，熟悉相關的定義和術語．在教學中盡可能采取板書推導公式，結合動畫、視頻、仿真軟件等多媒體資源，力圖讓復雜抽象的現(xiàn)象具體化，概念清晰化，公式簡單易記化；對第二部分的內容，每一個知識點選擇一個對應的典型例題，進行深入分析講解與討論，同時選取合適的習題讓學生練習，深化對第一部分內容的理解．考慮到電磁場問題的復雜性，習題的選取可獨立完成，也可團隊合作，目的是使學生可以獨立地探索，更好地掌握課程內容，理解科學研究中的理性精神．第三部分工程實際應用案例講解，講授與本專業(yè)相關的電磁場與電磁波知識及應用的典型例子，讓學生了解這門課程能夠應用于解決實際生活中有關工程問題，增強學生的學習興趣．通過這3部分的學習，學生對這門課程的知識體系結構、重難點、工程應用有很好的了解，學習目標明確，學習自然輕松不少！

2 多元化的教學

2.1 課程導入教學

教學導人，目的是激發(fā)學生的學習興趣，啟發(fā)和引導學生的思維，讓學生用最短的時間進入到課堂教學的最佳狀態(tài)中去．在以往的教學中我們比較重視課程本身的內容，而忽視獲得知識的過程及科學的研究方法；強調知識本身的邏輯，忽視獲得這些知識的歷史線索，這些都不利于培養(yǎng)學生的學習興趣和研究能力[2]．電磁場、電磁波與日常生活聯(lián)系十分緊密，小到家庭電器、每日不離的手機，大到現(xiàn)代信息傳輸、衛(wèi)星、交通、軍事等等，教學中我們從身邊的實例入手，講授相關技術的發(fā)展歷史與趨勢以及在經濟、生活和軍事等領域中的應用，讓學生對這門課程具有濃厚興趣，感覺學有所用；對于相關的知識點可以以課前習題、科技小報告和小論文的形式讓學生提前參與，例如，在講均勻平面波在無界空間中的傳播時，課前可以布置關于“電磁波的傳播”的科技小論文，也可設幾個課前小習題：1) 什么是平面波？2) 什么是良導體，良導體與理想導體有何區(qū)別？3) 什么是波的極化？等等，提高學習的興趣和自主學習能力，同時課上的互動性也能得到提高．俗語說：良好的開端是成功的一半，如果課題引入得恰當、生動，課堂的教學效果將事半功倍．

2.2 類比與歸納教學

類比教學是一種比較教學，在“電磁場與電磁波”課程中引入類比的教學策略，不但可以提高教學效率，壓縮課時，從教學效果看，學生也相對容易接受新知識[3]．靜電場、恒定電場和恒定磁場在教學內容上有很多的相似點，都可以沿著“場的基本概念→場的方程→場函數(shù)及邊界條件→能量”這種基本思路展開講授，重點講授靜電場的內容，然后應用類比教學的方法相互比較多種具有對稱性和可比性的概念和理論[3-4]，如“靜電比擬”“極化與磁化”“邊界條件”“場方程和場的性質”的比較等方面來講授恒定電場和恒定磁場．講授均勻平面波在導電媒質中的傳播時，從“波的傳播方向、傳播速度、振幅、波阻抗、平均磁場能量密度”進行類比，從而得到平面波在3種介質中傳播的特點．利用類比的方法能更加形象、直觀地傳授知識點，步步深入，啟發(fā)學生創(chuàng)造性思維．

歸納總結也十分重要，每學完一章后，按知識的邏輯關系進行歸納總結，這也是學生再認識的過程．課程中需要學生掌握的定理、公式比較多，歸納總結要重點突出，能反映相關概念規(guī)律間的聯(lián)系與區(qū)別，展現(xiàn)知識網(wǎng)絡，簡明扼要[3]．教師應指導學生開拓思維，將類比與歸納總結相結合．例如矢量分析這一章上完后，可將矢量場和標量場、有旋場與無散場對比分析，歸納出本章的三度(梯度、旋度、散度)公式和兩定理(散度定理和斯托克斯定理)，使枯燥復雜的定理、公式便于理解、記憶和應用．

2.3 引入案例教學

運用案例教學，可以提高學生分析和解決問題的能力．在實際教學中發(fā)現(xiàn)，將大量的課時用在概念的講授、公式的推導、計算方法的灌輸上，既浪費課時，教學效果也差．但在教學環(huán)節(jié)中大量引入實例，通過講解實際工程應用例題，反而使抽象的概念和方法具體化，活躍了課堂氛圍，大大激發(fā)了學生的求知欲和創(chuàng)新動力．在講電磁波的傳播時，先讓學生觀看聲波和水波的相關視頻，然后提出問題：一個點源所發(fā)射的電磁波的等相位面是什么樣？學生有感而發(fā)，暢所欲言，此時再引入平面電磁波的概念，學生對波陣面、平面波等概念很好理解，記憶深刻．在講電磁波的極化時先引入兩個案例：1) 在用手機打電話時，信號不清晰，你會怎么做？2) 收聽調頻廣播時，收音機的天線調到怎樣的位置能使收聽的節(jié)目最清晰？通過這兩案例，學生知道波的傳播是有方向性的，如何接收信號和波的極化方式有關，這樣他們對電磁波的極化有了深入的了解，也掌握了實際工程應用．在案例式教學過程中，不必拘泥于非要教師準備案例和講解，也可以讓學生全程參與，從感興趣的知識點入手到資料的收集、整理和講解，調動學生學習興趣和自主學習的積極性，取得較為理想的教學效果．

2.4 演示教學

電磁場與電磁波內容比較抽象枯燥，通過使用軟件、圖片、動畫、視頻等演示教學手段能夠將抽象的理論直觀地表現(xiàn)出來，增強學生的感性認識，加強對概念的理解程度和對知識點的記憶效果，有利于重點的突出和難點的突破[4-5]．例如電磁場的分布、電偶極子電位分布、靜電場的邊值問題、駐波等知識涉及到大量的數(shù)學推導和復雜的計算，僅靠板書教學學生無法理解和掌握，利用MATLAB軟件在線演示，分布圖形動態(tài)形象，使學生獲得直觀的深刻印象，大大提高學生的學習效率．講到電磁波的圓極化時，學生對極化，左旋、右旋圓極化的概念很難了解，這時利用Flash動畫把電場強度矢量的端點隨時間變化的軌跡、旋轉方向形象地演示出來，幫助學生認識和理解．這樣一些很難用語言來描述的概念和理論就變得容易了．合理地利用網(wǎng)絡視頻，布置相關的內容，讓學生課外觀看和學習，并撰寫相關的小報告，既節(jié)省課時，學生學習的主觀能動性也得到加強．所以采用演示教學手段使得抽象枯燥的內容變得形象而生動，復雜的物理過程變得簡單直觀，使難教難學的課程變得容易起來．

3 靈活考核評價

教改前電磁場與電磁波課程的成績主要以平時成績和期末閉卷考試成績?yōu)樵u定依據(jù)，其中平時成績占30 %，包括出勤、筆記、作業(yè)完成情況等．期末閉卷考試成績?yōu)?0 %．這樣的評價機制不能完全反映學生的學習水平，抑制了學生的創(chuàng)造欲，導致學生高分低能．教改中筆者以多種方式來評價學生的成績：1) 學習成績．考核對所學知識的理解和掌握情況．2) 專題研究(案例教學)．考核學生的知識運用能力、鉆研精神．3) 課前習題．考核學生學習的主觀能動性．4) 科技小論文．考核學習積極性和創(chuàng)新性．考核成績時，以這幾個方面綜合評價，表現(xiàn)突出者給予一定的獎勵．注重學生平時努力學習的過程，鼓勵學生展現(xiàn)自我、發(fā)掘自我能力、培養(yǎng)學習興趣和發(fā)揮主觀能動性，全面客觀地進行成績評定．

本文針對電磁場與電磁波課程的特點，以培養(yǎng)學生的學習興趣及主動性，增強教學效果為目標，從教學內容的改革、豐富教學方法、靈活考核機制等方面，提出了改革教學模式，提高教學質量的一些思路和想法．通過實踐，取得了較好的教學效果，學生對這門課程不再抵觸畏難，有了學習的興趣和動力，能較好地深入學習和完成作業(yè)，考試不及格人數(shù)控制在10 %以下．學生也從準備案例、撰寫科技小論文中得到了鍛煉，通過查找文獻學習新的理論、技術，增強了分析問題、解決實際問題的能力，為電磁場與電磁波的相關技術及后續(xù)課程的學習奠定了基礎．

[1] 李文翔,熊慶國.“電磁場與電磁波”課程教學方法改革研究[J].中國冶金教育,2007,22(6):26-28.

[2] 田秀榮,桂志國.電磁場與電磁波課程教學改革探索[J].安徽工業(yè)大學學報:社會科學版,2010,27(1):137-139.

[3] 黃麟舒,柳超.疑難課程“電磁場與電磁波”中類比教學方法的探索[J].中國電力教育,2013(23):68-69,77.

[4] 楊紅軍,運高謙.“電磁場與電磁波”課程教學改革的探索[J].中國冶金教育,2010(16):72-73.

[5] 陳宇,崔煒,趙爽.“電磁場與電磁波”課程教學方法探討[J].教育與職業(yè),2011(12):167-168.

Teaching Reform and Practice in the Course of Electromagnetic Field and Wave

XIE Hua

(College of Mechanical Engineering, Sanming University, Sanming, Fujian 351000, China)

The electromagnetic field and electromagnetic wave is a major foundation course in electronic information specialty. Through the analysis of present situation and difficulty in course teaching, the curriculum and teaching methods are reformed with the goal of developing students' interest in learning and practical abilities. It introduces a new idea of teaching model reform for improving teaching quality, that is, from the longitudinal and transversal optimization of teaching contents, the course induction, analogy and conclusion, case teaching, presentations and many other multiple teaching methods to a flexible assessment method.

electromagnetic field and electromagnetic wave; course; teaching reform

(責任編校：李建明 英文校對：李玉玲)

10.3969/j.issn.1673-2065.2015.01.031

G642

A

1673-2065(2015)01-0112-03

2014-07-20

三明學院教育教學改革工程項目(L1114/Q)

謝 華(1975-)，女，福建上杭人，三明學院機電工程學院講師，工學碩士．