電磁場數(shù)值計算在《電磁場與電磁波》理論教學中的應用

任儀+尹波+周建梅

【摘要】《電磁場與電磁波》是電子信息類本科專業(yè)學習中較難掌握的一門課程，具有物理概念多、理論抽象等特點。電磁場數(shù)值計算方法基于電磁場基本理論，通過計算機輔助程序計算和描述電磁場與電磁波的行為與動力學特征，將枯燥的公式和物理現(xiàn)象轉(zhuǎn)化成數(shù)字化或圖像視覺描述，幫助學生理解電磁現(xiàn)象與基本概念，提高學生的學習積極性，是電磁場理論教學的重要輔助教學方法。

【關鍵詞】數(shù)值計算 電磁場與電磁波 理論教學

【中圖分類號】G64 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2017）25-0246-01

《電磁場與電磁波》是國內(nèi)外公認的電子信息類專業(yè)課程中一門難教難學的課程，在教學實踐中存在巨大挑戰(zhàn)。目前，在國內(nèi)外教學中，為提高電磁場教學效果，加深學生對抽象概念和現(xiàn)象的理解，除理論教學外，還普遍采用輔助教學手段或增加輔助教學環(huán)節(jié)。目前所采用的輔助教學環(huán)節(jié)有：在課堂教學環(huán)節(jié)中，運用仿真軟件、影視圖象及多媒體課件等，通過可視化的方式加強學生對抽象現(xiàn)象的理解；通過虛擬實驗、計算機輔助設計及加強實驗實踐訓練等，加強學生對電磁場現(xiàn)象和工程應用的理解。然而，上述輔助教學環(huán)節(jié)雖具有一定效果，但仍然不可避免地使得學生停留于被動學習的模式中，難以調(diào)動學生主動思維和學習積極性，實踐上仍需要進一步改進。

電磁場數(shù)值計算方法是通過計算程序語言編程，基于電磁基本方程，計算和分析特定邊界條件下的電磁場空間分布的方法。其計算機編程的特性可有效地提高學生的主動思維能力，并結合編程的靈活性與主觀能動性，達到調(diào)動學生主動思考和提高學習積極性的目的。

1.電磁場理論教學的主要難點

《電磁場與電磁波》課程的主要授課對象為電子信息類專業(yè)本科生，為典型的工科類專業(yè)。該專業(yè)以培養(yǎng)高水平的電子信息專業(yè)技術人才為目標，因此，該專業(yè)學生所學習專業(yè)基礎課均以工程應用類課程為主，造成學生的理論和抽象思維能力較弱，難以適應公式多、概念抽象的電磁場理論教學。此外，電磁場理論教學對物理和數(shù)學基礎要求也較高，許多概念和公式即來源于數(shù)學和物理的基本理論，使得部分數(shù)理基礎較弱的學生在學習時感覺難度極大，造成教學效果較差。此外，該課程教學信息量大，而通常的理論課程教學僅有56或48學時，使得在有限的學時內(nèi)從基本的場論分析擴展到電磁波應用難度極大，這也成為該課程理論教學的難點之一。

2.采用電磁場數(shù)值計算輔助教學的可行性分析

針對電磁場理論教學和工科專業(yè)的特點，為提高教學效果，有必要提高學生的學習積極性和主動思維能力，而目前的輔助教學手段還難以達到該目的。目前，通過近4年的教學研究和教學實踐，筆者通過強化電磁場教學中的電磁場數(shù)值計算方法的講解和應用，有效地提高了學生對該課程的理解，改善教學效果。采用電磁場數(shù)值計算輔助教學的可行性原因主要包括：首先，電子信息類專業(yè)學生普遍對計算機編程之類的實用性知識感興趣，而對于抽象的理論概念則感覺乏味，因此，采用計算機編程結合電磁場概念的方式將有助于提高學生的學習興趣；其次，電磁場理論教學中存在大量的公式，而此類公式往往不具有工程應用性，而電磁場數(shù)值計算僅基于基本公式，回避了繁瑣的公式推導，從而有利于學生理解此類公式；第三，電磁場數(shù)值計算通常是結合應用性問題進行分析，幫助學生從工程應用的角度理解電磁場問題；最后，電磁場數(shù)值計算的后續(xù)處理方式靈活，可以更直觀的形式表現(xiàn)電磁場與波的行為特征，增加了學生對電磁場基本理論和公式的理解。

3.教學實踐總結

筆者通過4年的教學實踐，加強電磁場理論教學中數(shù)值方法的講解和應用，有效地提高了學生的學習積極性和主動思維能力，取得了較好的教學效果。例如，通過讓學生用Matlab程序?qū)崿F(xiàn)二維有限差分法，并用該程序計算典型二維電磁問題，與書中例題結果做比較（書中例題采用分離變量法求解），從而使學生從枯燥的公式推導中解脫出來，使其能夠直觀地看到電磁場的空間分布，驗證了理論和程序結果的正確性。需要說明的是，分離變量法需要應用復雜的數(shù)學物理方法知識，并需要較高的數(shù)學基礎，技巧性很強，是傳統(tǒng)的電磁理論教學的難點之一。經(jīng)過多年的實踐和電磁場數(shù)值方法的強化講解，學生的學習主動性明顯提高，對電磁場問題的理解有所深入，課堂聽課的專注性和提問水平也明顯提高。此外，反映在最終的考試成績上，學生的平均測試成績約提高15分左右，教學效果明顯。

現(xiàn)有實踐表明通過電磁場數(shù)值方法的強化教學，并結合電子信息專業(yè)學生的特點和電磁場理論教學的知識結構與課程特色，將單調(diào)抽象的被動式理論教學轉(zhuǎn)換成計算機程序輔助的主動式學習，極大地促進了學生學習的興趣，更有部分優(yōu)秀學生在該課程的學習后選擇在該方向上繼續(xù)進行學習研究。教學質(zhì)量也由此得到了提升，每年平均成績均有所提高。

在今后的教學中，我們要繼續(xù)緊跟電磁場理論發(fā)展的步伐，在教學內(nèi)容上及時補充更新，在教學方式上不斷探索、創(chuàng)新和改進，使本門課程更加符合時代需求，更加易于學生學習理解，更加受歡迎。

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作者簡介：

任儀，博士，重慶郵電大學光電工程學院副教授。