“電磁場(chǎng)與電磁波”與“大學(xué)物理·電磁學(xué)”教學(xué)銜接問題的探討

潘長寧　何軍　周昕

摘要：“電磁場(chǎng)與電磁波”與“大學(xué)物理·電磁學(xué)”這兩門課程所研究的都是電磁場(chǎng)的基本問題，但是由于它們的課程定位不同，前者是專業(yè)基礎(chǔ)課，后者是公共基礎(chǔ)課，所以它們之間存在很大的差異。本文從教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法上分析了它們之間的異同，探討了教學(xué)中的銜接問題，對(duì)提高教學(xué)質(zhì)量大有裨益。

關(guān)鍵詞：大學(xué)物理；電磁場(chǎng)與電磁波；教學(xué)銜接

中圖分類號(hào)：O31 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2015）03-0159-02

一、引言

大學(xué)物理是我國高等院校理工科類非物理專業(yè)的必修基礎(chǔ)課[1]，它的內(nèi)容包括力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)和原子物理等五大部份。通常在大學(xué)低年級(jí)開設(shè)，其主要目的是為以后的專業(yè)課的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。“電磁場(chǎng)與電磁波”一直以來是高校電子電氣類專業(yè)開設(shè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程[2]，它的前期基礎(chǔ)就是大學(xué)物理中的電磁學(xué)部分，但知識(shí)內(nèi)容在深度和廣度上都有很大的加深和拓展，同時(shí)也有很大一部分內(nèi)容重疊。而在一般的高校開設(shè)的“電磁場(chǎng)與電磁波”課程中，由于它屬于專業(yè)基礎(chǔ)課層次，而不屬于專業(yè)課程，所以在課時(shí)安排上相對(duì)較少。但本課程又具有理論性強(qiáng)、難度較大的特點(diǎn)，因此在教與學(xué)的過程中出現(xiàn)教學(xué)課時(shí)緊，而學(xué)生學(xué)習(xí)枯燥、乏味的教學(xué)現(xiàn)狀。為了在教學(xué)過程中既避免與大學(xué)物理電磁學(xué)知識(shí)簡單的重復(fù)，又能讓學(xué)生學(xué)好電磁場(chǎng)與電磁波課程的核心內(nèi)容，為專業(yè)課的學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)，那么如何做好大學(xué)物理電磁學(xué)、電磁場(chǎng)與電磁波課程的教學(xué)銜接[3]，是一個(gè)值得探討和研究的問題。

二、“電磁場(chǎng)與電磁波”與“大學(xué)物理·電磁學(xué)”教學(xué)銜接問題

電磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)是自然界中最基本的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)形式之一，電磁場(chǎng)理論滲透到生活的許多領(lǐng)域，例如：信息技術(shù)、通訊技術(shù)、傳感器技術(shù)等，促進(jìn)了現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展。所以對(duì)于理工科類的大學(xué)生來說，了解和掌握有關(guān)電磁場(chǎng)的基本知識(shí)是非常重要的?！按髮W(xué)物理·電磁學(xué)”與“電磁場(chǎng)與電磁波”這兩門課程從整體上來看都涉及到了電磁運(yùn)動(dòng)基本理論，從研究的對(duì)象來看沒有本質(zhì)的區(qū)別。但是由于它們的教學(xué)目標(biāo)不同，導(dǎo)致它們的教學(xué)內(nèi)容不同，因而在教學(xué)方法、教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)上也有很大的差別。如果能夠把這兩門課程在教學(xué)上進(jìn)行很好的銜接，那就能起到提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣作用，樹立學(xué)生在電磁學(xué)知識(shí)的基礎(chǔ)上學(xué)好”電磁場(chǎng)與電磁波”這門課程的信心。

1.教學(xué)目標(biāo)的銜接。大學(xué)物理課程在大學(xué)一年級(jí)就已經(jīng)開設(shè)，作為一門通識(shí)性的基礎(chǔ)課程，它在很大程度上肩負(fù)著基礎(chǔ)知識(shí)教育和科學(xué)素養(yǎng)教育為一體的雙重教育功能。而大學(xué)物理中的電磁學(xué)部分，又是該課程中教與學(xué)的難點(diǎn)。通過該課程的教學(xué)，讓學(xué)生對(duì)電場(chǎng)、磁場(chǎng)、電磁波的基本概念、基本規(guī)律和基本方法有比較全面和系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)和理解，為學(xué)生以后專業(yè)課程的學(xué)習(xí)和其他科學(xué)技術(shù)的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。“電磁場(chǎng)與電磁波”是工科類高校電子工程、信息工程、通信工程等專業(yè)學(xué)生的必修課程，是通信技術(shù)的理論基礎(chǔ)，是電子信息類專業(yè)本科學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)的重要組成部分。在課程定位上，它是專業(yè)基礎(chǔ)課，是以后專業(yè)課學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，例如“無線電技術(shù)”、“微波技術(shù)”等；因而相對(duì)于大學(xué)物理這門公共基礎(chǔ)課來說，它的教學(xué)目標(biāo)有所不同。通過該課程的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生建立場(chǎng)的概念，認(rèn)識(shí)到場(chǎng)的物質(zhì)性；掌握電磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律，知道麥克斯韋方程的物理意義以及數(shù)學(xué)表達(dá)式。同時(shí)讓學(xué)生熟悉一些重要的電磁場(chǎng)問題，把它抽象成具體的數(shù)學(xué)模型，如平面電磁波的波動(dòng)方程、靜電場(chǎng)電位的拉普拉斯方程等。使學(xué)生學(xué)會(huì)用“場(chǎng)”的觀點(diǎn)去觀察、分析和計(jì)算一些簡單、典型的電磁學(xué)的基本問題，所以更加強(qiáng)調(diào)對(duì)學(xué)生嚴(yán)密的邏輯推理、理性思維能力的培養(yǎng)。兩門課程在教學(xué)目標(biāo)上是一個(gè)由低到高的層次遞進(jìn)關(guān)系。

2.教學(xué)內(nèi)容的銜接。從教學(xué)內(nèi)容上看，大學(xué)物理的電磁學(xué)部分介紹了靜電場(chǎng)的基本性質(zhì)、穩(wěn)恒磁場(chǎng)的基本規(guī)律、電磁感應(yīng)的基本規(guī)律，并以簡單地描述麥克斯韋方程組而結(jié)束該部分內(nèi)容，至于時(shí)變電磁場(chǎng)以及電磁波的產(chǎn)生和傳輸?shù)葐栴}，它根本不涉及。故它只是從“靜態(tài)”的觀點(diǎn)對(duì)電磁場(chǎng)的基本問題進(jìn)行了簡單的描述。讓學(xué)生從整體上對(duì)電磁場(chǎng)有一個(gè)“感性”的認(rèn)識(shí)。在靜電場(chǎng)部分，它介紹了電場(chǎng)強(qiáng)度、靜電場(chǎng)的高斯定理和安培環(huán)路定理，同時(shí)也介紹了靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體和電介質(zhì)；在穩(wěn)恒磁場(chǎng)部分，它介紹了磁場(chǎng)中的高斯定理、安培環(huán)路定理、畢奧-薩伐爾定律等磁場(chǎng)的基本規(guī)律以及磁介質(zhì)的特性。接下來在電磁感應(yīng)中對(duì)動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)和感生電動(dòng)勢(shì)以及自感互感等內(nèi)容進(jìn)行了介紹，最后以對(duì)麥克斯韋方程的描述而結(jié)束。這些基本內(nèi)容選取是由這門課程的公共基礎(chǔ)課定位決定的。作為電子電氣類專業(yè)不可或缺的專業(yè)基礎(chǔ)課，“電磁場(chǎng)與電磁波”的內(nèi)容豐富得多，難度也大得多。它包括“電磁場(chǎng)”與“電磁波”兩大部分的基本內(nèi)容。電磁場(chǎng)部分是在大學(xué)物理電磁學(xué)課程的基礎(chǔ)上，運(yùn)用矢量分析的方法，描述靜電場(chǎng)恒定電流電場(chǎng)和恒定電流磁場(chǎng)的基本物理概念，在總結(jié)基本實(shí)驗(yàn)定律的基礎(chǔ)上給出電磁場(chǎng)的基本規(guī)律，給出了靜電場(chǎng)和穩(wěn)恒電流磁場(chǎng)的邊界條件，研究了靜態(tài)電磁場(chǎng)邊值問題的解題方法，例如鏡像法、分離變量法和有限差分法。電磁波部分主要是介紹有關(guān)電磁波在真空中和各種介質(zhì)中的傳播規(guī)律以及天線的基本理論。具體地，它包括平面電磁波，導(dǎo)行電磁波以及電磁波的輻射等基本理論。因而它從“動(dòng)態(tài)”的側(cè)面對(duì)電磁波進(jìn)行描述。由于該課程通常在大學(xué)三年級(jí)才開課，學(xué)生在掌握矢量分析的基礎(chǔ)上，掌握恒定和時(shí)變電磁場(chǎng)的麥克斯韋方程組、泊松方程、電磁波的波動(dòng)方程的求解；理解電磁場(chǎng)的矢勢(shì)、標(biāo)勢(shì)、規(guī)范變換、規(guī)范不變性、庫侖規(guī)范、洛侖茲規(guī)范、時(shí)諧平面電磁波、推遲勢(shì)、電磁輻射、截止頻率和諧振頻率等電磁波的概念。

由以上討論我們知道，“電磁場(chǎng)與電磁波”這門課程相對(duì)于“大學(xué)物理·電磁學(xué)”在教學(xué)內(nèi)容上不是簡單的重復(fù)，而是呈現(xiàn)很大的遞進(jìn)關(guān)系[4]。眾所周知，靜電場(chǎng)和靜磁場(chǎng)等靜場(chǎng)在空間是相互獨(dú)立的，它們不能產(chǎn)生電磁波。只有時(shí)變的電磁場(chǎng)才能產(chǎn)生電磁波。那么在電磁場(chǎng)與電磁波的教學(xué)中，利用大學(xué)物理電磁學(xué)所學(xué)過的電磁場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)定律：電場(chǎng)和磁場(chǎng)的高斯定理、安培環(huán)路定理以及法拉第電磁感應(yīng)定律等推導(dǎo)出電磁場(chǎng)方程的積分形式：

高斯定理 ·ds= ρdV

磁通連續(xù)性原理 ·ds=0

安培環(huán)路定律 ·d = ·

法拉第電磁感應(yīng)定律 ·d =- ·d

在此基礎(chǔ)上引入全電路位移電流密度 （ = ），擴(kuò)大電流的概念，使電流不僅包括自由電荷定向移動(dòng)形成的電流，而且包括電場(chǎng)隨時(shí)間變化形成的位移電流。從而導(dǎo)出麥克斯韋方程組：

·d = （ + + ）·d

·d =- ·d

·ds= ρdV

·ds=0

這樣在教學(xué)中既避免的簡單的重復(fù)，又起到了知識(shí)承上啟下，銜接緊密的作用。使學(xué)生從知識(shí)上達(dá)到了自然過渡，從而提高學(xué)習(xí)的積極性和自信心。

3.教學(xué)方法的銜接。大學(xué)物理電磁學(xué)部分的知識(shí)相對(duì)比較簡單，很多概念和規(guī)律都是在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)后抽象出物理模型而建立起來的。然而電磁場(chǎng)與電磁波這門課程卻側(cè)重于利用矢量分析與場(chǎng)論等數(shù)學(xué)工具，對(duì)具體的物理模型所滿足的物理規(guī)律進(jìn)行嚴(yán)密的理論推導(dǎo)，得出合理的結(jié)論，構(gòu)建完整的物理理論體系。因此，在教學(xué)中教師應(yīng)該有意識(shí)地引導(dǎo)學(xué)生從“形象思維”向“抽象思維”轉(zhuǎn)變與過渡[5]。學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)必須通過理性的思考、嚴(yán)密的邏輯推理才能真正領(lǐng)悟到電磁波傳播的內(nèi)在規(guī)律。例如畢奧和薩伐爾對(duì)大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和總結(jié)得出了描述穩(wěn)恒電流周圍磁場(chǎng)的畢奧-薩伐爾定律，在此基礎(chǔ)上，人們推導(dǎo)出磁場(chǎng)的安培環(huán)路定理。但實(shí)驗(yàn)對(duì)物理規(guī)律的再現(xiàn)有它的局限性，我們必須在實(shí)驗(yàn)定律的基礎(chǔ)上，通過歸納、總結(jié)和嚴(yán)密的邏輯推理把實(shí)驗(yàn)結(jié)論推廣到更一般的情況，使之既反映原來的實(shí)驗(yàn)事實(shí)，又符合新的情況；或者建立新的理論使它具有更高的慨括性。因而在實(shí)驗(yàn)建立了恒定電流的安培環(huán)路定理后，通過抽象思維和邏輯推理，引入位移電流及全電流的概念，從而磁場(chǎng)的安培環(huán)路定理就可以推廣到時(shí)變電磁場(chǎng)的情況，得到麥克斯韋第一方程，變化的電場(chǎng)能產(chǎn)生磁場(chǎng)，建立了電磁波傳播的第一大理論支柱。另外，法拉第通過實(shí)驗(yàn)建立了電磁感應(yīng)定律，證明了變化的磁場(chǎng)能產(chǎn)生電場(chǎng)，建立了電磁波傳播的第二大理論支柱。這樣我們?cè)诮虒W(xué)方法上對(duì)兩門課程進(jìn)行了銜接。

三、結(jié)束語

本文從教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法上分析這兩門課程的異同，找出它們之間的切入點(diǎn)，在教學(xué)過程中對(duì)兩門課程進(jìn)行很好的銜接、承前啟后，使學(xué)生在知識(shí)上自然過渡，樹立學(xué)習(xí)的信心，提高電磁場(chǎng)與電磁波課程的教學(xué)質(zhì)量。

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