《電磁場與電磁波》理論教學(xué)的探索與實(shí)踐

韓葉　湯一銘　常玉梅　許麗潔

【摘 要】“電磁場與電磁波”是一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣， 本文針對該課程的特點(diǎn)及難點(diǎn)，對理論教學(xué)方法的改進(jìn)進(jìn)行了探索。實(shí)踐證明，這些方法取得了良好的教學(xué)效果。

【關(guān)鍵詞】電磁場與電磁波；理論教學(xué)；探索；實(shí)踐

中圖分類號： O441-4；G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）36-0129-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.36.055

0 前言

《電磁場與電磁波》這門課程是電類專業(yè)（如電子科學(xué)技術(shù)和通信工程等）必修的專業(yè)基礎(chǔ)課。該門課程的內(nèi)容是在高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)等基礎(chǔ)上，圍繞麥克斯韋方程的求解，學(xué)習(xí)電磁場與電磁波的基本特性、分析方法，此外，《電磁場與電磁波》也是電類專業(yè)學(xué)生進(jìn)行后續(xù)“微波技術(shù)”、“射頻通信”以及“計算電磁學(xué)”等領(lǐng)域?qū)W習(xí)和研究的基礎(chǔ)，是一門起著承上啟下的作用的重要課程。這門課程與大部分基礎(chǔ)課程相比，其課程理論性很強(qiáng)、概念較為抽象、數(shù)學(xué)推導(dǎo)繁多復(fù)雜，使得學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中心生畏懼，產(chǎn)生不良的厭學(xué)情緒[1]。如何改進(jìn)教學(xué)方法，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣成了該門課程教學(xué)的當(dāng)務(wù)之急。

1 《電磁場與電磁波》教學(xué)現(xiàn)狀

《電磁場與電磁波》課程涉及知識廣，以高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、復(fù)變函數(shù)等課程為基礎(chǔ)，要想學(xué)好這門課，必須有很好的數(shù)學(xué)和物理基礎(chǔ)。《電磁場與電磁波》涉及的公式和推導(dǎo)數(shù)量多且計算難度大，許多結(jié)論是由推導(dǎo)總結(jié)而得到的。公式推導(dǎo)需要用到大量的矢量運(yùn)算、微分方程、積分方程等，求解的過程非常復(fù)雜，讓學(xué)生望而生畏。

另外一方面，這門專業(yè)基礎(chǔ)課又十分重要，學(xué)生被迫需要重視這么課程的學(xué)習(xí)，但最終只是體現(xiàn)在努力完成學(xué)習(xí)任務(wù)，而對于學(xué)習(xí)的內(nèi)容無法產(chǎn)生興趣。

2 《電磁場與電磁波》教學(xué)特點(diǎn)及難點(diǎn)

《電磁場與電磁波》是學(xué)生認(rèn)為難學(xué)的一門課程，也是教師教學(xué)中需要花費(fèi)大量時間與精力的一門課程，主要原因如下：

（1）這么課程對學(xué)生的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求高，在微積分、線性代數(shù)等工程數(shù)學(xué)知識的基礎(chǔ)上，數(shù)學(xué)公式繁多、理論公式復(fù)雜。如果學(xué)生前期的數(shù)學(xué)課程沒有掌握好，后期學(xué)習(xí)就會很吃力[2-3]。

（2）理論性較強(qiáng)，抽象的概念較多。電磁場本身就是看不到、摸不到的，其物理規(guī)律的研究又建立在許多數(shù)學(xué)模型之上，使得學(xué)習(xí)和研究的難度較大。

（3）教學(xué)的內(nèi)容比較多，課程時間緊湊。這門課程通常有64個學(xué)時（4個學(xué)分），屬于課時量較大的課程了，但是相比較其大量的教學(xué)內(nèi)容而言，課時量比較緊湊?；ㄙM(fèi)大量課時過多地對定理和繁瑣的數(shù)學(xué)公式進(jìn)行推導(dǎo)證明。

（4）教學(xué)方法較為單一。教學(xué)方法主要集中在理論教學(xué)，以老師講授為主，而且前后內(nèi)容銜接比較緊密，一旦有知識點(diǎn)沒有銜接上，就很容易無法繼續(xù)學(xué)習(xí)[4]。

3 《電磁場與電磁波》教學(xué)方法改革

3.1 反復(fù)類比、對照知識點(diǎn)

由于課程的課時較長，每一章節(jié)的內(nèi)容都非常多，章節(jié)之間的間隔時間長，學(xué)生對前面學(xué)過的知識很容易遺忘，因此要經(jīng)常從這門課程框架體系的角度出發(fā)，理清前后知識的邏輯關(guān)系，便于學(xué)生對課程的內(nèi)容有一個整體的把握。

此外，課程的內(nèi)容前后有著非常強(qiáng)的邏輯對應(yīng)關(guān)系，例如：靜電場與恒定磁場，恒定電磁場與時變電磁場，時變電磁場與時諧電磁場等。在場的基本特征、滿足的物理規(guī)律，以及衍生出的其他物理概念中，這些內(nèi)容都存在著一一對應(yīng)關(guān)系。因此，需要在學(xué)習(xí)新的內(nèi)容時，將以往的知識拿來對照和類比，加強(qiáng)學(xué)生的理解和記憶，同時也提高學(xué)生的邏輯思維能力。

3.2 制作生動的多媒體課件

多媒體課件是一種有效地輔助傳統(tǒng)板書的教學(xué)手段。但在實(shí)際的教學(xué)過程中，部分教師僅僅是把書本上的文字、公式推導(dǎo)和圖片等固定的內(nèi)容搬到課件中，并沒完全發(fā)揮其作用。多媒體課件中，還可以增加許多趣味和生動的內(nèi)容，吸引學(xué)生的注意力，幫助學(xué)生學(xué)習(xí)。

例如，對于電磁場的傳播、電振子的輻射等問題，可以通過展示動態(tài)圖像和動畫，例如圖1所示，將原本枯燥并且抽象的問題變得生動形象，十分有助于學(xué)生對這些內(nèi)容的理解。

3.3 緊密結(jié)合理論與實(shí)際應(yīng)用

新時代下互聯(lián)網(wǎng)計算機(jī)技術(shù)迅速發(fā)展，借助新時代的產(chǎn)物能更好地具體化該課程的物理概念以及簡化計算等，有助于提高同學(xué)們的學(xué)習(xí)效果，因此進(jìn)一步夯實(shí)課程內(nèi)容，利用HFSS、ADS等商用的軟件來演示，在軟件中建模、仿真，得到一些具體的計算結(jié)果。

以天線為例，在課程教學(xué)中，課本中講述了天線的二維輻射方向圖，如圖2（c）所示，但是僅憑著這樣一條曲線，學(xué)生很難將其與天線的電磁輻射相聯(lián)系。因此，可以在HFSS這個全波電磁仿真軟件中，建立一個簡單的天線模型，如圖2（a）所示，并且通過仿真得到天線的三維仿真圖，如圖2（b）所示。這樣一來，學(xué)生對于天線輻射電磁波就有了更加深刻的理解，并且能夠讀懂二維方向圖了。

3.4 本科教學(xué)與科研相結(jié)合

不少學(xué)生在大二、大三就已經(jīng)開始為考研做準(zhǔn)備，想要繼續(xù)在本專業(yè)深造。因此，在本科教學(xué)中，也可以多向?qū)W生介紹一些這么課程目前的一些新方向、科研的新動態(tài)。

電磁場與電磁波的理論體系已經(jīng)建立了幾十年，但是隨著科技的發(fā)展，在這套理論體系上的前沿研究卻層出不窮。除了向?qū)W生教授教材中早已成熟的基礎(chǔ)理論外，也可以多介紹現(xiàn)階段的一些前沿課題的新動態(tài)，鼓勵學(xué)生多參與此相關(guān)的電子競賽、科研訓(xùn)練。例如，在學(xué)習(xí)基本的電振子天線理論后，多介紹一些目前的柔性天線、相控陣天線等技術(shù)的研究和應(yīng)用背景，一方面激勵學(xué)生學(xué)習(xí)理論課程的興趣，另一方面也引發(fā)學(xué)生對前沿科學(xué)問題的好奇，從而引導(dǎo)他們?yōu)榭茖W(xué)研究和科技進(jìn)步貢獻(xiàn)力量。

4 結(jié)語

《電磁場與電磁波》作為電子信息類、通信工程類本科專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，具有十分重要的核心地位。基于這門課程的理論教學(xué)特點(diǎn)，筆者提出了一系列的改進(jìn)措施。實(shí)踐表明，從初步的實(shí)踐結(jié)果表明，這些改革對提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、提高邏輯思維能力有非常大的幫助，更提高了教學(xué)效果。

【參考文獻(xiàn)】

[1]賀明妍.基于成果導(dǎo)向及評量的《電磁場與電磁波》課程教學(xué)探討[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2017，14（19）：226-227.

[2]時晶晶.應(yīng)用型高?！半姶艌雠c電磁波”教學(xué)研究[J].合肥師范學(xué)院學(xué)報，2016，34（06）：75-77.

[3]張鋼.新時代《電磁場與電磁波》課程教學(xué)改革研究[J].山東工業(yè)技術(shù)，2018（24）：242.

[4]周焱.《電磁場與電磁波》課程教學(xué)改革研究[J].當(dāng)代教育實(shí)踐與教學(xué)研究，2018（09）：91-92.