電磁場理論課程教改實踐

陶鵬+武向農(nóng)

摘 要 研究電磁場理論課程特點，分析該課程的教學(xué)與學(xué)習(xí)難點，提出教學(xué)內(nèi)容、方法及教學(xué)手段的改革思路，以期提升電磁場理論課程教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞 電磁場理論；仿真實驗；通信工程

中圖分類號：G652 文獻標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2017）04-0105-02

Abstract We have discussed the characteristics of the Course of the

Theory of Electromagnetic Field， analyzed the difficulties in teaching

and learning. The reformation of teaching content， method and tea-ching means have been put forward， then to improve the teaching quality of the Theory of Electromagnetic Field.

Key words theory of electromagnetic field； communication engi-neering； simulation results

1 引言

近幾年，科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展，引力波的發(fā)現(xiàn)驗證了愛因斯坦相關(guān)理論的正確性，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的大發(fā)展改變了現(xiàn)代人的生活方式，手機發(fā)展的日新月異使其成為人們生活中不可或缺的重要工具。而這一切的發(fā)展都離不開電磁場，以及對電磁場理論這門基礎(chǔ)學(xué)科的深入學(xué)習(xí)與研究。

電磁場理論的主要內(nèi)容包括電磁理論必要的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、電磁場的基本問題、靜態(tài)場、時變電磁場、平面電磁波、導(dǎo)行電磁波、電磁波的輻射，是通信工程專業(yè)學(xué)生必修的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程。這門課程所涉及的內(nèi)容既是電氣類專業(yè)學(xué)生，也是通信工程師應(yīng)具備的知識結(jié)構(gòu)的重要組成部分之一。電磁場與電磁波基本理論還是一些交叉學(xué)科（如生物電磁學(xué)、微波化學(xué)等）的生長點和新興邊緣學(xué)科（如計算電磁學(xué)、負(fù)折射率介質(zhì)）發(fā)展的基礎(chǔ)。課程理論性強，概念抽象，公式推導(dǎo)較多，難度較大，對學(xué)生的數(shù)學(xué)知識及應(yīng)用能力要求高。而電磁波又非常抽象，既看不見又摸不著，對于該課程的重難點——電磁波的傳播特性、工作狀態(tài)等就不太好把握。因此，該課程無論對教師的“教”，還是對學(xué)生的“學(xué)”，都有較大的難度。而且本課程的教學(xué)效果也多少影響學(xué)生對于后續(xù)專業(yè)課程的理解深度，如移動通信、微波通信、光纖通信等。因此，電磁場理論課程在電子通信工程專業(yè)建設(shè)中有著重要的意義。

2 教學(xué)內(nèi)容體系改革

夯實數(shù)學(xué)基礎(chǔ) 電磁場理論課程對學(xué)生的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求較高，涉及矢量計算、微積分、偏微分方程等數(shù)學(xué)工具，方法靈活。在上海師范大學(xué)，通信工程的教學(xué)安排在大二下學(xué)期，雖然學(xué)生已經(jīng)學(xué)過高等數(shù)學(xué)等相關(guān)課程，但是到了學(xué)習(xí)本課程時，相應(yīng)的數(shù)學(xué)知識已經(jīng)有些生疏，或基礎(chǔ)不堅實，無法順利達到學(xué)習(xí)本課程要求，仍要花費相當(dāng)氣力補數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和基本計算。從以往的教學(xué)經(jīng)驗來看，很多學(xué)生之所以在學(xué)習(xí)本課程時感到困難，就是因為數(shù)學(xué)基礎(chǔ)不牢。因此，在課程開始的第一章對課程內(nèi)容相關(guān)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識進行復(fù)習(xí)，尤其是散度、旋度、梯度等矢量場分析內(nèi)容以及微分方程求解方面的知識，并注意將這些數(shù)學(xué)知識和本課程中相關(guān)的物理概念聯(lián)系起來，為本課程的學(xué)習(xí)打下扎實的基礎(chǔ)。

整合電磁場教學(xué)內(nèi)容 電磁場部分教學(xué)的傳統(tǒng)順序是靜電場、恒定電場、恒定磁場、時變電磁場等，從特殊的靜態(tài)場到一般的時變場。這樣的體系比較容易接受，但是與大學(xué)物理電磁學(xué)等內(nèi)容交叉較多，在難易程度上有所加深，概念多、公式多、內(nèi)容多，學(xué)生容易厭煩，花費學(xué)時也比較多，必將擠壓電磁波部分的學(xué)時。

因此，在本課程的教學(xué)中可以合理整合教學(xué)內(nèi)容，從亥姆霍茲定理出發(fā)，將電磁場的散度和旋度作為核心問題，在大學(xué)物理電磁學(xué)基礎(chǔ)上，逐一分析靜態(tài)電磁場和時變電磁場的散度和旋度方程，以此引入麥克斯韋方程；然后利用麥克斯韋方程分析時變電磁場的基本規(guī)律，并最終把靜態(tài)場歸結(jié)為時變場的一種特殊形式。這樣的內(nèi)容體系，既充分利用了學(xué)生已有的電磁學(xué)基礎(chǔ)，節(jié)省了學(xué)時，又可以深化對亥姆霍茲定理、麥克斯韋方程的認(rèn)識，有利于學(xué)生高屋建瓴地掌握電磁場的一般規(guī)律。

更新教學(xué)內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生興趣 電磁場理論課程雖然理論性很強，但是也具有明確的工程應(yīng)用背景。在教學(xué)中可以將基礎(chǔ)理論和應(yīng)用背景結(jié)合起來，把電磁場理論的應(yīng)用實例引入教學(xué)，充實工程應(yīng)用實例。這樣既可以使學(xué)生接觸到工程電磁學(xué)的最新發(fā)展，又可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)基礎(chǔ)理論的興趣。

例如：在教學(xué)電磁波在介質(zhì)中傳播特性時，可以介紹煤礦井上下無線通信以及無線通信的方式；在教學(xué)電磁波極化時，可以討論中波天線、電視接收天線、衛(wèi)星天線各自的形狀與極化方式之間的關(guān)系；教學(xué)趨膚效應(yīng)，可以介紹它在微波爐屏蔽、金屬表面淬火中的應(yīng)用等。

3 教學(xué)手段和方法改革

對于這門課所涉及的數(shù)學(xué)工具，如高等數(shù)學(xué)中的知識和矢量運算知識，要有專門時間復(fù)習(xí)，雖然會占用一定課時，但是非常必要，正所謂“磨刀不誤砍柴工”。如果不能很好地運用這些數(shù)學(xué)工具分析電磁場理論知識，一味地強行推進度，會影響學(xué)生對知識的理解，或者對于一些知識強記硬背，導(dǎo)致學(xué)生對問題了解不透徹，學(xué)習(xí)不扎實，必然引起學(xué)生對該課程的不自信乃至喪失自動學(xué)習(xí)的興趣，影響學(xué)習(xí)效果。因此，在課程第一章用幾個課時的時間來溫習(xí)，鞏固相關(guān)的數(shù)學(xué)知識是非常有必要的。

針對電磁場學(xué)習(xí)較為抽象，學(xué)生感官認(rèn)知度較低，主要原因是課程所講授的知識相對比較抽象，似乎離實際生活特別遙遠。主講教師不妨從這里入手，找一些身邊乃至自然界、科技界與這門課程中的知識相關(guān)聯(lián)的地方，讓這些摸不著、看不見的理論與看得見、摸得著的事實相關(guān)聯(lián)，闡述其工作原理，解釋自然現(xiàn)象。讓學(xué)生從表面現(xiàn)象看到本質(zhì)，然后由此深入闡述知識點，這樣就比較容易抓住學(xué)生好奇的心理，帶他們進入理論氛圍，真正從嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)的角度解釋問題。

通過這種手段，學(xué)生通常也會有恍然大悟的滿足感，會激發(fā)進行更深入探討學(xué)習(xí)的欲望。這就要求教師本身要事前下功夫，多收集一些資料，加以整理和歸納。也可以通過調(diào)動學(xué)生的積極性，讓他們?nèi)ド钪型诰蚴吕?，用課堂學(xué)到的理論知識來闡述，或者讓他們就一些經(jīng)典案例進行課堂或課外討論等。通過這種方式讓學(xué)生不再認(rèn)為這門課是玄而又玄、高深莫測的課程，也不是教師一個人的獨角戲，減少他們的心理抵觸，能夠積極參與到課堂教學(xué)過程中來。

4 教學(xué)過程改革

化難為簡，適當(dāng)?shù)馗鶕?jù)課程內(nèi)容，將一些適宜學(xué)生進行仿真實驗的知識通過使用計算機輔助手段，讓學(xué)生自己把相應(yīng)知識通過圖形數(shù)值表現(xiàn)出來。并通過修改參數(shù)來體會由此引來的結(jié)論的變化，更深切地讓學(xué)生體會電磁場知識之間的因果關(guān)聯(lián)，從而從多種途徑理解消化知識點所闡明的道理。計算機輔助手段是一種方便、易用的教學(xué)輔助手段，讓學(xué)生很直觀地得到一些結(jié)論、結(jié)果，從而省去中間復(fù)雜的計算過程。當(dāng)有輸入條件變化時，它也會很快給出相應(yīng)的結(jié)果，能夠讓學(xué)生很容易領(lǐng)會電磁場中的邊界條件、介質(zhì)環(huán)境、電磁方向等因素給結(jié)果帶來的影響，也就較容易把這些難懂或易混淆的概念區(qū)分開來。而且編程搭建數(shù)學(xué)模型的過程也是一個很好的梳理知識點及整理思路的過程，學(xué)生必然會在這樣的仿真實驗中有所收獲。

與科研項目結(jié)合，提高學(xué)生學(xué)習(xí)課程的信心，針對學(xué)生缺乏對這門課程對今后的專業(yè)培養(yǎng)以及專業(yè)生涯有何幫助的了解這一情況，如果教師能將一些科研項目同學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)合起來，將一些科研項目上的研究成果介紹給大家，甚至能將科研項目中難度較低、與教學(xué)知識點相關(guān)的項目內(nèi)容提煉出來，讓學(xué)生參與解決，就會讓他們對這門課程有新的認(rèn)識，不再以為這門課是對職業(yè)發(fā)展沒有任何關(guān)系或幫助的課程，從而也激發(fā)學(xué)習(xí)這門課程的熱情。

5 結(jié)語

本文通過對電磁場理論課程多年的教學(xué)實踐和體會，認(rèn)真總結(jié)了該課程難教難學(xué)的原因，進行大膽的探討和實踐改革。在教學(xué)內(nèi)容上進行了適當(dāng)取舍，在教學(xué)方法上進行了科研教學(xué)結(jié)合和綜合應(yīng)用比較法等的嘗試，在教學(xué)中合理應(yīng)用多媒體教學(xué)手段吸引學(xué)生的興趣，以及在教學(xué)過程中加強針對關(guān)鍵問題和解題過程，多問答、多課堂互動解題等多種形式的課堂交流。實踐證明，這些實踐措施對學(xué)生而言有效降低了課程難度，增加了直觀和興趣，有效提高了該課程的教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效率，為該課程的教學(xué)提供了有益的探索。

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