電磁場(chǎng)理論課程教學(xué)改革和實(shí)踐研究

陶凱晨 武向農(nóng)

摘 要 電磁場(chǎng)理論課程是高等院校通信與電子信息類及相關(guān)專業(yè)本科生的必修課程。針對(duì)該課程難教、難學(xué)、難懂的特點(diǎn)，結(jié)合謝處方編著的高教版教材（第四版），從教學(xué)理念、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法及課程作業(yè)等多方面提出教學(xué)改革和實(shí)踐方案的思路，以期降低學(xué)生學(xué)習(xí)難度，有效提高教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞 電磁場(chǎng)理論；教學(xué)改革；課程作業(yè)；高等院校；教材

中圖分類號(hào)：G652 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2018）14-0093-03

Studies on Educational Reform and Practices in Course of Theory

of Electromagnetic Fields//TAO Kaichen， WU Xiangnong

Abstract The theory of electromagnetic field is a compulsory course

for undergraduates majoring in communication and electronic infor-

mation and related majors in colleges and universities. The fourth

edition of the textbook edited by Xie Chufang in the Higher Educa-tion Press is used. As we all known， this course is characteristiced by

hard to teach， hard to learn and hard to understand， In the paper， tea-ching reform and practices are proposed from different viewpoints， such as ， teaching concepts， teaching contents， teaching methods， homework， and so on. It is anticipated to be useful in reduce the difficulties of students and helping teachers improving their teaching qualities.

Key words theory of electromagnetic field； teaching reform； course-

work； colleges and universities； textbook

1 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電磁場(chǎng)與電磁波也得到迅速發(fā)展。其跨學(xué)科發(fā)展也十分迅猛，已深入物理學(xué)、電氣工程、冶金工程、機(jī)械工程、電子科學(xué)技術(shù)等多個(gè)學(xué)科，并衍生出多個(gè)交叉學(xué)科主題。各大高等院校紛紛開(kāi)設(shè)電磁場(chǎng)理論課程，它是通信工程、電氣工程及其自動(dòng)化等相關(guān)專業(yè)的必修課。電磁場(chǎng)理論這門課以學(xué)生已學(xué)完的高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理課程和一部分復(fù)變函數(shù)與數(shù)理方程知識(shí)為基礎(chǔ)，讓學(xué)生在學(xué)完該課程后能掌握電磁場(chǎng)和電磁波兩方面的基本概念與基本理論，為今后學(xué)習(xí)其他專業(yè)課程（如通信原理、光纖通信、移動(dòng)通信、微波和衛(wèi)星通信等）打下基礎(chǔ)[1]。

在多年的教學(xué)實(shí)踐中，電磁場(chǎng)理論這門課程的教學(xué)面臨很多困難。該課程理論性強(qiáng)，知識(shí)點(diǎn)多，公式繁雜，特別是很多概念非常抽象，不同于以往的概念，難以理解掌握。更難的是融合各種高等數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，計(jì)算過(guò)程繁復(fù)，特別是對(duì)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生而言真是難上加難。學(xué)生普遍感覺(jué)電磁場(chǎng)理論難學(xué)難懂，甚至不少學(xué)生會(huì)“談電磁場(chǎng)理論而色變”?，F(xiàn)有的教學(xué)模式已較難適應(yīng)該課程的發(fā)展，迫切需要對(duì)該課程教學(xué)理念、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法等加以改革發(fā)展，以及通過(guò)對(duì)學(xué)生課后作業(yè)情況的了解，有針對(duì)性地對(duì)其反映出來(lái)的問(wèn)題進(jìn)行一對(duì)一指導(dǎo)，注重培養(yǎng)學(xué)生上課積極性以及解決問(wèn)題的自信心[2]。

在電磁場(chǎng)理論教學(xué)中，各高校主要使用高等教育出版社出版的謝處方等編寫的《電磁場(chǎng)與電磁波》（第四版）和楊儒貴編寫的《電磁場(chǎng)與電磁波》（第二版）兩種教材。上海師范大學(xué)通信工程專業(yè)本科生在教學(xué)中使用的是謝處方等編寫的《電磁場(chǎng)與電磁波》（第四版），本文也以該版教材為基礎(chǔ)進(jìn)行相關(guān)討論，相關(guān)方法理念適用于其他版本的教程。

2 教學(xué)理念改革

教學(xué)質(zhì)量提升的關(guān)鍵在于教學(xué)理念和教學(xué)思路的轉(zhuǎn)變，雖然電磁場(chǎng)理論課程開(kāi)設(shè)已經(jīng)很多年，但是教學(xué)理念并沒(méi)有得到很大提升，改變最大的就是從以往的板書教學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)今很普遍的PPT教學(xué)。教學(xué)理念自始至終都是以教師為中心，教師教多少，學(xué)生就學(xué)多少，教學(xué)進(jìn)度由任課教師根據(jù)經(jīng)驗(yàn)把控，其中不乏滿堂灌、堂堂灌的現(xiàn)象。學(xué)生只能被動(dòng)地接受教師所教的內(nèi)容，很難發(fā)揮自身的主觀能動(dòng)性，很多學(xué)術(shù)不愿意去學(xué)，上課容易走神。但電磁場(chǎng)理論這門課程又是連貫性很強(qiáng)的一門課程，一不留神就會(huì)跟不上課程進(jìn)度，發(fā)現(xiàn)的時(shí)候?yàn)闀r(shí)已晚。不少學(xué)生反映：課程開(kāi)始時(shí)很想跟上課程進(jìn)度，把電磁場(chǎng)理論這門課學(xué)好學(xué)精，但是很多時(shí)候分了一會(huì)兒心，回過(guò)頭來(lái)就發(fā)現(xiàn)跟不上教師的節(jié)奏了，很難繼續(xù)下面的課程，最終只能無(wú)奈選擇放棄。這樣就形成一個(gè)惡性循環(huán)，從而導(dǎo)致教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果大打折扣。

因此，提出對(duì)傳統(tǒng)的教學(xué)理念進(jìn)行改革創(chuàng)新，極力主張將以教師為中心的教學(xué)轉(zhuǎn)換為以學(xué)生為中心的教學(xué)，從學(xué)生的不同自我、不同水平出發(fā)，充分發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性，力求激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，著重培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、查找相關(guān)資料、解決問(wèn)題的能力。教學(xué)目的要從教學(xué)生解題做題最終通過(guò)考試，轉(zhuǎn)變成培養(yǎng)學(xué)生具有開(kāi)放、獨(dú)立、系統(tǒng)的思維方式，幫助學(xué)生建立系統(tǒng)的電磁場(chǎng)理論體系框架，引導(dǎo)學(xué)生系統(tǒng)分析看待問(wèn)題。

3 教學(xué)內(nèi)容改革

電磁場(chǎng)理論課程內(nèi)容繁多，但在大多高等院校其所占課時(shí)又極為有限。為了避免滿堂灌、堂堂灌的現(xiàn)象，這就需要教師對(duì)教學(xué)內(nèi)容有針對(duì)性地刪繁就簡(jiǎn)。以上海師范大學(xué)為例，電磁場(chǎng)理論課程通常開(kāi)設(shè)在本科二年級(jí)下學(xué)期，大部分學(xué)生已經(jīng)預(yù)修大學(xué)物理和高等數(shù)學(xué)等公共課程[3]，對(duì)其中的電磁學(xué)以及矢量分析等部分內(nèi)容都有一定印象。因此，教師在電磁場(chǎng)理論課程教學(xué)中可以對(duì)相關(guān)內(nèi)容加以刪減，帶領(lǐng)學(xué)生迅速?gòu)?fù)習(xí)一遍即可。

教學(xué)時(shí)首先讓學(xué)生初步建立“場(chǎng)”的觀念，而后將教學(xué)重點(diǎn)放在麥克斯韋方程組以及靜態(tài)場(chǎng)和時(shí)變場(chǎng)的分析中[4]；

亦可通過(guò)生動(dòng)形象的比喻來(lái)增強(qiáng)學(xué)生對(duì)基本概念的理解。如在討論“場(chǎng)”和“源”之間的關(guān)系時(shí)，可以用“雞”和“蛋”來(lái)對(duì)照解釋，通過(guò)對(duì)“先有雞還是先有蛋”的討論，加深學(xué)生對(duì)“場(chǎng)”和“源”關(guān)系的理解。鑒于電磁場(chǎng)理論課程連貫性很強(qiáng)的特點(diǎn)，可以在靜態(tài)場(chǎng)邊值問(wèn)題、恒定場(chǎng)分析等課程學(xué)習(xí)過(guò)程中再度對(duì)矢量分析等基礎(chǔ)內(nèi)容進(jìn)行復(fù)習(xí)，以學(xué)促用。

還可以根據(jù)各高校培養(yǎng)目標(biāo)舍棄部分純理論課程，以及將所需的理論內(nèi)容與實(shí)際應(yīng)用結(jié)合起來(lái)，用實(shí)例教學(xué)，提升教學(xué)內(nèi)容廣度，開(kāi)闊學(xué)生的眼界。例如：在均勻平面波的教學(xué)中，可以向?qū)W生介紹天線測(cè)量的相關(guān)知識(shí)；在介紹電磁感應(yīng)時(shí)，可以順帶講解極低頻磁場(chǎng)的生物學(xué)效應(yīng)；在電磁輻射的教學(xué)中，可以加入衛(wèi)星通信系統(tǒng)及雷達(dá)傳感器等知識(shí)；在教趨膚效應(yīng)時(shí)，可以介紹它在電磁屏蔽、金屬表面淬火中的應(yīng)用等[5]。

通過(guò)這樣的教學(xué)內(nèi)容改革，不但可以節(jié)省學(xué)時(shí)，還可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)電磁場(chǎng)理論的興趣，讓學(xué)生在理解電磁場(chǎng)理論的基礎(chǔ)上對(duì)相應(yīng)的實(shí)際應(yīng)用也有所了解，從而有效提升教學(xué)質(zhì)量。

4 教學(xué)方法改革

任何課程的第一節(jié)課都是至關(guān)重要的，基于電磁場(chǎng)理論課程的特點(diǎn)，第一節(jié)課對(duì)于電磁場(chǎng)理論課程后續(xù)的展開(kāi)更是重中之重，第一節(jié)課沒(méi)有上好，可能直接導(dǎo)致學(xué)生產(chǎn)生厭學(xué)、畏學(xué)情緒。近代教育學(xué)之父揚(yáng)·阿姆斯·夸美紐斯在《大教學(xué)論》中指出：“每門功課都應(yīng)該這樣開(kāi)始，使它能引起學(xué)生的真正愛(ài)好，做法是向他們證明它是如何的美好、有用、快意，是如何需要。”[6]在電磁場(chǎng)理論課程的第一課中可以向?qū)W生介紹以下幾方面內(nèi)容。

1）電磁學(xué)的發(fā)展史以及相關(guān)歷史人物軼事。如可以向?qū)W生介紹麥克斯韋從小就有很強(qiáng)的求知欲和想象力，愛(ài)思考、好提問(wèn)的故事，一方面可以活躍課堂氣氛，另一方面可以引入對(duì)麥克斯韋方程組的介紹，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)電磁場(chǎng)理論的興趣愛(ài)好。

2）針對(duì)有意向報(bào)考相關(guān)專業(yè)研究生的學(xué)生，可以簡(jiǎn)單介紹各大高校電磁場(chǎng)理論碩士點(diǎn)研究生教學(xué)情況，向?qū)W生推薦適合的高校，并說(shuō)明電磁場(chǎng)理論通常為初試必考科目，幫助學(xué)生提早定下目標(biāo)，從而有針對(duì)性地準(zhǔn)備考試，為研究生入學(xué)考試奠定基礎(chǔ)，讓學(xué)生對(duì)電磁場(chǎng)方向考研有個(gè)初步的認(rèn)識(shí)。

3）結(jié)合市場(chǎng)人才需求，向?qū)W生介紹電磁場(chǎng)理論相關(guān)專業(yè)的在IT、通信等行業(yè)的就業(yè)前景，讓學(xué)生對(duì)未來(lái)的職業(yè)生涯有個(gè)清晰認(rèn)識(shí)，不再以為該課程是對(duì)未來(lái)職業(yè)發(fā)展毫無(wú)關(guān)系的課程，從而達(dá)到激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的目的。

4）告知學(xué)生學(xué)習(xí)電磁場(chǎng)理論的學(xué)習(xí)方法，如先理解后記憶，再理論聯(lián)系實(shí)際，最后實(shí)踐出真知。通過(guò)運(yùn)用適當(dāng)?shù)膶W(xué)習(xí)方法，完全可以學(xué)好電磁場(chǎng)理論課程，幫助學(xué)生建立信心，克服心中對(duì)電磁場(chǎng)理論課程未學(xué)先畏的心理。

電磁場(chǎng)理論課程中許多物理概念非常抽象，傳統(tǒng)的板書式教學(xué)很難將這些概念清晰直觀地展現(xiàn)給學(xué)生。教師可以在教學(xué)過(guò)程中加入一些計(jì)算機(jī)軟件仿真，如用MATLAB軟件畫磁場(chǎng)的點(diǎn)位分布圖，用Flash展示磁場(chǎng)變化的實(shí)驗(yàn)圖等。有條件的學(xué)校還可以通過(guò)晶體檢波器的校準(zhǔn)、駐波比的測(cè)量、阻抗測(cè)量與阻抗匹配等實(shí)踐實(shí)驗(yàn)課，讓學(xué)生加深對(duì)理論的理解。這樣既豐富了教學(xué)內(nèi)容，又強(qiáng)化了理論的應(yīng)用，讓教學(xué)能夠取得更好的效果。

5 課程作業(yè)改革

課后作業(yè)一直都是教學(xué)內(nèi)容的重點(diǎn)之一，其重要性不言而喻。但是在現(xiàn)階段，眾多高校的課后作業(yè)如同雞肋一般“食之無(wú)味，棄之可惜”。就學(xué)生而言，課后作業(yè)本是為了幫助其鞏固課堂所學(xué)知識(shí)，但是有部分學(xué)生對(duì)于課后作業(yè)的態(tài)度十分隨意，甚至存在大量的抄襲作業(yè)行為，使得作業(yè)的答案千篇一律。這種環(huán)境下，課后作業(yè)不僅沒(méi)能幫助學(xué)生加深對(duì)所學(xué)知識(shí)點(diǎn)的理解，反而讓批改作業(yè)成為任課教師相當(dāng)大的負(fù)擔(dān)。因此，對(duì)課程作業(yè)進(jìn)行改革已經(jīng)迫在眉睫。

開(kāi)放性作業(yè) 教師在布置課后作業(yè)時(shí)可適量增加有思維發(fā)散性的題目。如可以讓學(xué)生就課本中的某個(gè)原理（如互易原理、惠更斯原理、亥姆霍茲定理等）舉幾個(gè)現(xiàn)實(shí)中應(yīng)用的例子，然后選定其中一個(gè)應(yīng)用進(jìn)行深入調(diào)研，完成一篇課程論文。通過(guò)這樣的開(kāi)放性作業(yè)，一方面由于沒(méi)有唯一正確的答案，可以避免學(xué)生抄襲；另一方面能夠激發(fā)學(xué)生去思考、去創(chuàng)新，有利于學(xué)生發(fā)散性思維的開(kāi)發(fā)。

層次性作業(yè) 從教育心理學(xué)角度看，學(xué)生的身心發(fā)展由于先天稟賦以及后天諸多因素的影響，存在個(gè)體差異，要想讓不同層次的學(xué)生都能在完成作業(yè)的過(guò)程中獲得成功的體驗(yàn)，任課教師就必須采取作業(yè)分層（難度分層、作業(yè)量分層、完成時(shí)間分層）的策略。可以將課后習(xí)題按照難度系數(shù)進(jìn)行劃分，以上海師范大學(xué)本科生電磁場(chǎng)理論教學(xué)第一章[7]課后作業(yè)為例，通過(guò)分析學(xué)生對(duì)各題目完成情況后，設(shè)定各個(gè)題目難度系數(shù)（如表1所示）。這樣將布置下去的課后作業(yè)統(tǒng)一劃定難度系數(shù)，可以讓不同基礎(chǔ)的學(xué)生自由選擇適合自己難度系數(shù)的作業(yè)習(xí)題，通過(guò)層層遞進(jìn)的練習(xí)，最終徹底解決作業(yè)難的問(wèn)題。

課后答疑 每個(gè)教學(xué)周可專門安排一節(jié)課時(shí)由任課教師對(duì)學(xué)生進(jìn)行課后答疑輔導(dǎo)，可針對(duì)單個(gè)學(xué)生個(gè)體給予課程作業(yè)指導(dǎo)。上海師范大學(xué)電磁場(chǎng)理論教學(xué)中實(shí)行每周兩次任課教師坐班答疑、學(xué)期中期輔導(dǎo)和學(xué)期末輔導(dǎo)相結(jié)合的課后輔導(dǎo)答疑舉措，效果顯著，對(duì)學(xué)生幫助巨大。

6 結(jié)語(yǔ)

本文在多年教學(xué)實(shí)踐的基礎(chǔ)上，結(jié)合電磁場(chǎng)理論課程難懂難學(xué)難教的特點(diǎn)，大膽提出各項(xiàng)教學(xué)改革和實(shí)踐方案的新思路。在教學(xué)理念上，以學(xué)生自身發(fā)展為出發(fā)點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生系統(tǒng)地分析看待問(wèn)題；在教學(xué)內(nèi)容上，根據(jù)學(xué)生的實(shí)際情況靈活調(diào)整，有針對(duì)性地進(jìn)行取舍，并對(duì)難點(diǎn)增添實(shí)例教學(xué)和動(dòng)畫演示等生動(dòng)形象的內(nèi)容；在教學(xué)方法上，強(qiáng)調(diào)第一堂課的重要性，并在教學(xué)中添加一些實(shí)踐實(shí)例和結(jié)合計(jì)算機(jī)仿真應(yīng)用；在課堂和課后作業(yè)上，有針對(duì)性地提出布置開(kāi)放性作業(yè)、作業(yè)按難度分層次、課后答疑等實(shí)際措施。多年的教學(xué)實(shí)踐證明，通過(guò)這些教學(xué)改革，能在保證教學(xué)內(nèi)容的前提下形象豐富化教學(xué)內(nèi)容，極大降低學(xué)生的學(xué)習(xí)難度，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)生的自信心，完成各項(xiàng)教學(xué)任務(wù)，有效地提高教學(xué)效率，增強(qiáng)教學(xué)效果，獲得較好的教學(xué)成效。

參考文獻(xiàn)

[1]許碧惠.“電磁場(chǎng)與電磁波”課程的教學(xué)思考[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2009（3）：108-109.

[2]周宏威，張少如，黃曉舟，等.電磁場(chǎng)課程理論及實(shí)踐教學(xué)改革[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2013（8）：371-374.

[3]陶鵬，武向農(nóng).電磁場(chǎng)理論課程教改實(shí)踐[J].中國(guó)教育技術(shù)裝備，2017（4）：105-106.

[4]李平，趙志輝.麥克斯韋方程組的教學(xué)新探[J].高等函授學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012（4）：28-30.

[5]烏拉比.應(yīng)用電磁學(xué)基礎(chǔ)[M].尹華杰，譯.北京：人民郵電出版社，2007.

[6]張夢(mèng)清.試論夸美紐斯的教學(xué)徹底性原則[J].文學(xué)教育，2016（7）：181.

[7]謝處方，饒克謹(jǐn).電磁場(chǎng)與電磁波[M].北京：高等教育出版社，2006.