通信專業(yè)《電磁場(chǎng)與電磁波》教學(xué)研究

曹 雪

(河南大學(xué)物理與電子學(xué)院 河南 開(kāi)封 475004)

(收稿日期：2016-04-20)

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通信專業(yè)《電磁場(chǎng)與電磁波》教學(xué)研究

曹 雪*

(河南大學(xué)物理與電子學(xué)院 河南 開(kāi)封 475004)

(收稿日期：2016-04-20)

《電磁場(chǎng)與電磁波》是通信工程專業(yè)學(xué)生必修的一門主干課程，也是多門后續(xù)專業(yè)課的基礎(chǔ)，如何使學(xué)生具有扎實(shí)的電磁場(chǎng)與電磁波理論基礎(chǔ)具有重要的意義.該課程概念抽象，公式繁雜，涉及很多的物理知識(shí)與數(shù)學(xué)分析方法，是通信系學(xué)生公認(rèn)的難度最大的課程之一，學(xué)生學(xué)起來(lái)往往缺乏積極性和主動(dòng)性.根據(jù)實(shí)際教學(xué)經(jīng)驗(yàn)分析了該課程難學(xué)、難教的原因，對(duì)其課程設(shè)置、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法與手段等方面進(jìn)行了一系列的探討與研究.實(shí)踐證明，通過(guò)改革提高了該門課程的教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生同時(shí)具有較強(qiáng)的理論功底和創(chuàng)新能力.

電磁場(chǎng)與電磁波 課程設(shè)置 教學(xué)方法

1 引言

隨著近年來(lái)電子與信息產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，我國(guó)對(duì)電子信息類人才的需求正在不斷的增加，如何培養(yǎng)出具有扎實(shí)的理論功底和創(chuàng)新能力的通信電子類人才一直是各大學(xué)該類專業(yè)十分重視的問(wèn)題.一方面，為了使學(xué)生的眼界和思想與世界科技發(fā)展同步，很多高校的電子信息類專業(yè)都開(kāi)設(shè)了一些前沿學(xué)科；另一方面，各高校非常重視專業(yè)基礎(chǔ)學(xué)科的發(fā)展，使學(xué)生能夠具有正確的思維方式以及很強(qiáng)的分析能力.《電磁場(chǎng)與電磁波》是一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，同時(shí)也是通信、電子以及信息工程等專業(yè)必修的傳統(tǒng)課程，更是很多后續(xù)專業(yè)課的基礎(chǔ).如何使學(xué)生具有扎實(shí)的電磁場(chǎng)、電磁波理論基礎(chǔ)是研究該門課程教學(xué)內(nèi)容與方法的目的與意義.

2 《電磁場(chǎng)與電磁波》課程特點(diǎn)

2.1 課程內(nèi)容

《電磁場(chǎng)與電磁波》不僅是微波技術(shù)、天線、電波傳播等專業(yè)課程的基本理論，還作為學(xué)科交叉點(diǎn)衍生出許多學(xué)科，如通信類學(xué)科的光纖通信、移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信以及電視、雷達(dá)等各種專門學(xué)科，都是以電磁波攜帶信息的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸[1,2].該門課程主要研究的是電磁場(chǎng)與電磁波的基本屬性、規(guī)律及其應(yīng)用等.其中，電磁場(chǎng)部分主要研究的是電磁場(chǎng)的場(chǎng)與源的關(guān)系和電磁波在空間傳播的基本規(guī)律；電磁波部分主要研究的是電磁波的產(chǎn)生、輻射、傳播、電磁兼容及電磁理論的應(yīng)用[3].

課程的內(nèi)容大致為：矢量分析、靜電場(chǎng)、恒定電流的電場(chǎng)與磁場(chǎng)、靜態(tài)場(chǎng)的解、時(shí)變電磁場(chǎng)、平面電磁波、電磁波的反射和折射、導(dǎo)行電磁波、電磁輻射等內(nèi)容.不同專業(yè)對(duì)該門課程內(nèi)容的要求是不同的，例如電子信息工程注重的是電磁兼容與電磁干擾，而通信工程的重點(diǎn)是電磁波的傳播[4]，所以應(yīng)該針對(duì)不同專業(yè)對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整.

2.2 教學(xué)現(xiàn)狀

通過(guò)和學(xué)生交流了解到，《電磁場(chǎng)與電磁波》是學(xué)生認(rèn)為最難學(xué)的一門課程，也是不及格率較高的課程.大致原因如下：

(1)該門課程對(duì)學(xué)生的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求較高，數(shù)學(xué)公式繁多，理論推導(dǎo)過(guò)程復(fù)雜，要求學(xué)生對(duì)各種數(shù)學(xué)知識(shí)運(yùn)用靈活.

(2)要求學(xué)生具有扎實(shí)的物理基礎(chǔ)和深刻的物理思想.該課程的概念多而抽象，且電磁場(chǎng)和電磁波既看不見(jiàn)又摸不著，學(xué)生學(xué)起來(lái)感覺(jué)很困難.

(3)課時(shí)量不足.很多高校越來(lái)越重視應(yīng)用學(xué)科和專業(yè)課的設(shè)置，而對(duì)像《電磁場(chǎng)與電磁波》等基礎(chǔ)學(xué)科的重視不足，有的學(xué)校甚至直接減少該門課程的學(xué)時(shí)，但是該門課程的內(nèi)容較多，且習(xí)題課也需要占用一定的課時(shí)，增加了教師教學(xué)的難度.

(4)理論性強(qiáng)，缺少相關(guān)實(shí)驗(yàn)課的設(shè)置，學(xué)生學(xué)起來(lái)目的性不強(qiáng)、興趣不高，與實(shí)際應(yīng)用聯(lián)系不緊密.

由于以上種種原因，學(xué)生學(xué)起來(lái)興趣不高，有時(shí)只是應(yīng)付地來(lái)學(xué)習(xí)這門課，逃課現(xiàn)象也時(shí)而發(fā)生，教學(xué)效果自然不佳，所以針對(duì)不同專業(yè)對(duì)該門課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法及形式等進(jìn)行改革就顯得非常必要.

3 教學(xué)內(nèi)容與方法的改革

3.1 課程設(shè)置與教學(xué)內(nèi)容的改革

《電磁場(chǎng)與電磁波》課程與內(nèi)容的設(shè)置應(yīng)該根據(jù)不同專業(yè)的學(xué)生進(jìn)行調(diào)整.對(duì)于通信系的學(xué)生來(lái)說(shuō)，除了要學(xué)好靜態(tài)電磁場(chǎng)與時(shí)變電磁場(chǎng)這部分基礎(chǔ)內(nèi)容外，電磁波的傳播也非常重要，因?yàn)樗峭ㄐ畔祵W(xué)生一些后續(xù)專業(yè)課的基礎(chǔ)，比如《微波技術(shù)與天線》、《無(wú)線通信》、《光纖通信》與《移動(dòng)通信》等，所以該門課程對(duì)于通信系的學(xué)生來(lái)說(shuō)最好設(shè)置為72學(xué)時(shí).將通信系學(xué)生《電磁場(chǎng)與電磁波》課程的內(nèi)容大致分為3個(gè)部分.

3.1.1 數(shù)學(xué)基礎(chǔ)

《電磁場(chǎng)與電磁波》課程內(nèi)容要求學(xué)生具有良好的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，比如矢量分析、微積分、數(shù)理方程等.課程的第一部分內(nèi)容即為矢量分析理論，充分體現(xiàn)了數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的重要性.雖然學(xué)生在《高等數(shù)學(xué)》課程中學(xué)過(guò)一些有關(guān)的概念，比如散度、旋度、梯度等，但是根據(jù)實(shí)際教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，很多學(xué)生感到這部分涉及的數(shù)學(xué)知識(shí)很難或是學(xué)得不扎實(shí)，所以要加強(qiáng)這方面的學(xué)習(xí).由于學(xué)生已經(jīng)在《大學(xué)物理》課程中對(duì)電磁場(chǎng)有了基本的了解，可以將場(chǎng)的矢量分析和電磁場(chǎng)的內(nèi)容適當(dāng)結(jié)合，使得矢量分析部分的教學(xué)不再空洞，不僅幫助學(xué)生學(xué)習(xí)矢量分析的基礎(chǔ)內(nèi)容，還要重點(diǎn)講述這些場(chǎng)量在電磁場(chǎng)中的物理意義，為后續(xù)部分的教學(xué)打下良好的基礎(chǔ)，因此該部分教學(xué)內(nèi)容可以適當(dāng)增加2學(xué)時(shí).

3.1.2 電磁場(chǎng)部分

電磁場(chǎng)內(nèi)容分為靜態(tài)電磁場(chǎng)與時(shí)變電磁場(chǎng)兩部分.一般講述順序?yàn)椋红o電場(chǎng)、恒定磁場(chǎng)與電場(chǎng)、靜態(tài)場(chǎng)邊值問(wèn)題.該部分內(nèi)容以麥克斯韋方程組為核心，然后討論以其得出的電磁場(chǎng)的基本規(guī)律.它是該門課程的重要內(nèi)容，也是各專業(yè)學(xué)生必修的內(nèi)容，所需學(xué)時(shí)最多.考慮到學(xué)生在《大學(xué)物理》課程的電磁學(xué)部分已經(jīng)學(xué)習(xí)了電磁場(chǎng)的基本知識(shí)，而且針對(duì)通信系的學(xué)生，應(yīng)該強(qiáng)化“電磁波”的內(nèi)容，所以可以適當(dāng)壓縮靜態(tài)場(chǎng)部分，擴(kuò)充動(dòng)態(tài)場(chǎng)即電磁波部分內(nèi)容.可以減少4～6學(xué)時(shí)的靜態(tài)場(chǎng)內(nèi)容，適當(dāng)增加時(shí)變電磁場(chǎng)內(nèi)容的授課學(xué)時(shí).

3.1.3 電磁波傳播

該部分內(nèi)容以時(shí)變場(chǎng)的麥克斯韋方程組為基礎(chǔ)，深入討論均勻平面波在均勻無(wú)界媒質(zhì)中的傳播、在分界面的反射和折射以及在有界空間中的傳播規(guī)律[4].對(duì)于通信工程專業(yè)的學(xué)生來(lái)說(shuō)，該部分是重點(diǎn)，應(yīng)適當(dāng)增加相應(yīng)內(nèi)容.在“平面電磁波”、“電磁波的反射和折射”的基礎(chǔ)上再增加“導(dǎo)行電磁波”這一章的內(nèi)容，并根據(jù)不同后續(xù)專業(yè)課適當(dāng)增加以下內(nèi)容：針對(duì)《光纖通信》這門課程，增加光波導(dǎo)部分的內(nèi)容；對(duì)于《移動(dòng)通信技術(shù)》，增加電磁波的輻射；考慮到后續(xù)專業(yè)課《微波技術(shù)與天線》，可以對(duì)傳輸線這部分內(nèi)容做簡(jiǎn)單的介紹而不詳細(xì)的講解，重點(diǎn)是使學(xué)生對(duì)TEM波的傳輸系統(tǒng)有個(gè)初步的了解和認(rèn)識(shí)，使學(xué)生在以后這門課的學(xué)習(xí)中事半功倍.

除了以上的內(nèi)容調(diào)整，還應(yīng)當(dāng)增加前言技術(shù)講解課，例如對(duì)于《光纖通信》、《移動(dòng)通信》等現(xiàn)代通信技術(shù)，可以給學(xué)生介紹一些先進(jìn)技術(shù)及其通信方式的優(yōu)點(diǎn)；對(duì)于天線、輻射和無(wú)線通信系統(tǒng)的內(nèi)容，則可以介紹雷達(dá)、衛(wèi)星全球定位系統(tǒng)等技術(shù).這樣不僅使通信系的學(xué)生加強(qiáng)了對(duì)于本部分內(nèi)容的理解，還可以增加他們的學(xué)習(xí)興趣，為后續(xù)專業(yè)課的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ).

3.2 教學(xué)方法的改革

《電磁場(chǎng)與電磁波》是學(xué)生公認(rèn)最難學(xué)的課程之一，每年考試掛科率均高于其他專業(yè)課，怎樣使該門課程取得良好的教學(xué)效果，增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和提高教學(xué)質(zhì)量就顯得尤為重要.

3.2.1 上好第一節(jié)緒論課

教師可以在第一節(jié)課結(jié)合電磁場(chǎng)與電磁波的應(yīng)用介紹電磁場(chǎng)與電磁波的發(fā)展歷史、在通信系中的地位和作用，告訴學(xué)生該門課程是哪些后續(xù)專業(yè)課的基礎(chǔ)，這樣可以使學(xué)生了解該門課的重要性，端正學(xué)習(xí)態(tài)度，激發(fā)學(xué)習(xí)熱情.但是很多《電磁場(chǎng)與電磁波》的教材都沒(méi)有緒論課，這需要教師查閱大量的資料，不斷地掌握新技術(shù)，從而為學(xué)生提供最新的緒論課素材.緒論課上除了教師的講解外，還可以插入一些視頻，介紹該門課程的應(yīng)用范圍，比如衛(wèi)星通信、雷達(dá)探測(cè)、光纖通信、移動(dòng)通信、航空航天技術(shù)、探月工程等.

3.2.2 注重學(xué)生物理思想的培養(yǎng)

《電磁場(chǎng)與電磁波》涉及的數(shù)學(xué)公式繁多、推導(dǎo)繁瑣，學(xué)生聽(tīng)起來(lái)乏味，感覺(jué)該門課程完全是數(shù)學(xué)推導(dǎo)，和物理或者通信聯(lián)系不大.教師在授課過(guò)程中不能簡(jiǎn)單地介紹和推導(dǎo)公式，更應(yīng)該著重考慮如何將物理與數(shù)學(xué)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，讓學(xué)生從數(shù)學(xué)公式及其推導(dǎo)過(guò)程中體會(huì)物理思想，使學(xué)生理解數(shù)學(xué)公式所表達(dá)的物理思想和意義，了解物理現(xiàn)象及其本質(zhì).以該門課程的精髓和主線——麥克斯韋方程組的微分形式為例進(jìn)行說(shuō)明：

(1)

(2)

(3)

(4)

上述的公式不僅僅是4個(gè)數(shù)學(xué)公式，它們體現(xiàn)的是相互轉(zhuǎn)化的關(guān)系.一般的教材中都有關(guān)于這4個(gè)公式的解釋，式(1)反映了全電流安培環(huán)路定理，物理意義是：電流和變化的電場(chǎng)是磁場(chǎng)的旋度源，可以產(chǎn)生磁場(chǎng)；式(2)反映了法拉第電磁感應(yīng)定律，說(shuō)明變化的磁場(chǎng)可以產(chǎn)生電場(chǎng)，是電場(chǎng)的旋度源；式(3)為高斯定理，表達(dá)了電荷是電場(chǎng)的散度源；式(4)體現(xiàn)了磁通連續(xù)原理，說(shuō)明磁場(chǎng)是無(wú)散場(chǎng)，即磁力線為“無(wú)頭無(wú)尾”的閉合曲線.麥克斯韋方程組中，等號(hào)右邊為產(chǎn)生等號(hào)左邊對(duì)應(yīng)場(chǎng)(電場(chǎng)或者磁場(chǎng))的源，而等號(hào)左邊的算符與場(chǎng)的計(jì)算方式[旋度公式(1)、(2)或散度公式(3)、(4)]體現(xiàn)了源產(chǎn)生對(duì)應(yīng)場(chǎng)的不同方式；磁場(chǎng)只有旋度源而電場(chǎng)既有旋度源也有散度源，旋度源產(chǎn)生場(chǎng)的矢量線一般為閉合曲線，散度源產(chǎn)生場(chǎng)的矢量線一般發(fā)自正的散度源止于負(fù)的散度源,例如，式(3)表示由電荷產(chǎn)生的庫(kù)侖場(chǎng)的電力線發(fā)自正電荷而止于負(fù)電荷.由式(1)和(2)可知(真空中傳導(dǎo)電流密度為零)：變化的電場(chǎng)可以產(chǎn)生磁場(chǎng)，而變化的磁場(chǎng)可以產(chǎn)生電場(chǎng)(以旋度源的方式產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的場(chǎng))，等號(hào)不僅僅是數(shù)學(xué)上的相等，更是物理中的“轉(zhuǎn)化”.除此之外，教師還應(yīng)該強(qiáng)調(diào)式(2)中等號(hào)右側(cè)負(fù)號(hào)的作用，其體現(xiàn)了電磁轉(zhuǎn)化過(guò)程中能量的轉(zhuǎn)化與守恒.通過(guò)對(duì)麥克斯韋方程組講解，使學(xué)生知道麥克斯韋方程組不是簡(jiǎn)簡(jiǎn)單單的4個(gè)數(shù)學(xué)公式，更要使學(xué)生掌握其蘊(yùn)含的豐富物理內(nèi)涵.

3.2.3 教學(xué)方式的改革

針對(duì)該門課程“教師難講、學(xué)生難學(xué)”的情況，教師應(yīng)該在教學(xué)方式上多下功夫，并充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，才能取得良好的教學(xué)效果，建議在教學(xué)過(guò)程中采取如下措施：

(1)采用多種授課方式

現(xiàn)在很多高校對(duì)于《電磁場(chǎng)與電磁波》這門課的授課方式還是比較傳統(tǒng)的，即教師利用黑板板書講授、學(xué)生聽(tīng)的“滿堂灌”方式.由于該門課程理論性強(qiáng)，公式推導(dǎo)繁多而復(fù)雜，學(xué)生學(xué)起來(lái)往往感覺(jué)很疲倦，幾節(jié)課下來(lái)便會(huì)覺(jué)得枯燥從而產(chǎn)生厭倦情緒.也有很多高校采用多媒體的授課方式教授該課，但效果也不盡人意.多媒體課件具有連續(xù)展示、包含信息量大的特點(diǎn)，學(xué)生往往跟不上課程進(jìn)度，即使教師對(duì)公式的推導(dǎo)過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)講解，也會(huì)由于學(xué)生缺少思考過(guò)程而難以達(dá)到良好的教學(xué)效果.

較好的授課方式不應(yīng)該是以上單純的哪一種方式，而是將兩種方式有效地結(jié)合起來(lái)，通過(guò)“取長(zhǎng)補(bǔ)短”地將課程內(nèi)容合理地展示給學(xué)生，使學(xué)生容易接受并加深理解.通過(guò)多媒體演示功能，可以將抽象的內(nèi)容以動(dòng)畫的形式直觀地展示出來(lái)，使學(xué)生帶有興趣地去學(xué)習(xí)抽象的概念，更有助于學(xué)生理解.多媒體課件減輕了教師的授課強(qiáng)度，節(jié)省了課堂上板書的時(shí)間，對(duì)于緒論課、研討課、相關(guān)應(yīng)用和實(shí)踐例子的展示起到了良好的輔助作用.對(duì)于重要的公式和定理以及較難理解的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，應(yīng)采用黑板板書的形式，這樣有利于學(xué)生共同參與和加深理解.

在授課過(guò)程中，教師還應(yīng)靈活地將幾十分鐘的課堂教學(xué)設(shè)計(jì)得生動(dòng)而有趣，讓學(xué)生積極地參與到課堂的教學(xué)中.比如可以適當(dāng)增加研討環(huán)節(jié)，鼓勵(lì)學(xué)生在課堂上大膽提問(wèn)和相互交流，并且注意加強(qiáng)和學(xué)生的互動(dòng)，提出問(wèn)題并引導(dǎo)學(xué)生回答問(wèn)題等.當(dāng)學(xué)生在不斷地參與到教學(xué)過(guò)程中的時(shí)候，就會(huì)使他們逐漸意識(shí)到自己在這門課上的重要性，而不僅僅是被動(dòng)地聽(tīng)課.

通常大部分高校僅把該課程作為理論課講授，很少開(kāi)設(shè)實(shí)驗(yàn)課.實(shí)驗(yàn)課可以加深學(xué)生對(duì)理論的理解，并能培養(yǎng)他們學(xué)習(xí)該門課程的興趣，所以在上好理論課的同時(shí)，應(yīng)適當(dāng)增加實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容.如果很難建立相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)室，可以嘗試?yán)靡恍┸浖閷W(xué)生開(kāi)設(shè)實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新課，設(shè)計(jì)和仿真軟件如Matlab，Ansoft HFSS，Ansoft Ensemble等.

(2) 考核方式的改革

國(guó)內(nèi)大部分高校對(duì)于《電磁場(chǎng)與電磁波》課程考核方式都是期末采用閉卷形式進(jìn)行考核，這種形式單一的考核方式缺乏對(duì)學(xué)生平時(shí)學(xué)習(xí)的監(jiān)控.建議考核的內(nèi)容包括：作業(yè)、課堂表現(xiàn)(課堂回答問(wèn)題和討論課上的表現(xiàn))、小論文及實(shí)驗(yàn)報(bào)告.以上考核內(nèi)容加上最后期末考試按照一定的比例綜合起來(lái)作為學(xué)生的最終成績(jī)，避免了“一卷定結(jié)果”的現(xiàn)象，也能更注重學(xué)生平時(shí)努力學(xué)習(xí)的過(guò)程.

(3) 課程網(wǎng)站建設(shè)

為了更有效地幫助學(xué)生課后學(xué)習(xí)與復(fù)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力，可以建立該門課程的網(wǎng)站.將該門課程的相關(guān)參考書目、文獻(xiàn)、習(xí)題庫(kù)與試題庫(kù)、《電磁場(chǎng)與電磁波》課程的拓展資料及相關(guān)最新理論和技術(shù)等內(nèi)容上傳到網(wǎng)站上，還可以利用網(wǎng)絡(luò)多媒體教學(xué)系統(tǒng)，使教師與學(xué)生能夠在網(wǎng)上很好地交流，并進(jìn)行網(wǎng)上答疑.

4 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了通信專業(yè)《電磁場(chǎng)與電磁波》課程“教師難教、學(xué)生難學(xué)”的原因，對(duì)課程設(shè)置、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法等方面進(jìn)行了一系列的改革和研究，使該課程的教學(xué)質(zhì)量得到了提高，學(xué)生不僅很好地掌握了電磁場(chǎng)與電磁波的基礎(chǔ)理論，還激發(fā)了他們的學(xué)習(xí)興趣，提高了獨(dú)立學(xué)習(xí)和創(chuàng)新的能力，為培養(yǎng)優(yōu)秀的通信人才打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).

1 焦其祥.電磁場(chǎng)與電磁波. 北京：科學(xué)出版社，2010.1

2 張起晶，孫桂芝，邊莉.電磁場(chǎng)與電磁波課程教學(xué)改革研究.黑龍江教育，2011(10):47～48

3 黃成玉，劉德國(guó).《電磁場(chǎng)與電磁波》課程教學(xué)的改革與創(chuàng)新.創(chuàng)新與創(chuàng)業(yè)教育，2012，3(2):90～92

4 姚華楨，李小敏.電磁場(chǎng)與電磁波課程的教學(xué)研究.中國(guó)現(xiàn)代教育裝備，2007(7): 50～51

曹雪(1981- )，女，碩士，講師，主要從事光纖通信與光纖傳感科研與教學(xué)的研究.