“信通類專業(yè)”背景下“電磁場與電磁波”課程改革創(chuàng)新的研究

凌濱　宋夢實　張耀生　王鐵濱

摘 要：目前全國各個大學正在逐步實施“相近專業(yè)類”的招生和培養(yǎng)。文章從“信通類專業(yè)”建設(shè)的現(xiàn)狀出發(fā)，提出對“電磁場與電磁波”課程的教學內(nèi)容改革、教學方法改革和實驗課程改革，并對改革進行分析和實踐驗證。實踐證明，這些改革，提高了教師的教學質(zhì)量和學生的學習效率，有助于“信通類專業(yè)”的改革創(chuàng)新。

關(guān)鍵詞：電磁場與電磁波； 信通類專業(yè)；相近專業(yè)類；改革創(chuàng)新

“電磁場與電磁波”是“信通類專業(yè)”的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)必修課。隨著計算機技術(shù)和電類技術(shù)的快速發(fā)展，這方面的工程師對“電磁場與電磁波”理論知識的需求越來越高。近幾年，科技的不斷進步與發(fā)展，新理論和新技術(shù)的不斷出現(xiàn)，寬口徑科技人才的需求越來越高。為了適應(yīng)時代的發(fā)展，給其他新出現(xiàn)的課程騰出時間，該課的課時一直在減少，所以需要調(diào)整該課的教學內(nèi)容、教學方法和實驗課程。

1 課程現(xiàn)狀分析

“電磁場與電磁波課程教學方法創(chuàng)新的研究”是東北林業(yè)大學教改課題。“電磁場與電磁波”課程是東北林業(yè)大學機電工程學院 “信通類專業(yè)”（電子信息工程與通信工程）的一門專業(yè)必修課，現(xiàn)需要將64 學時減為40學時理論課和8學時實驗課。在40學時內(nèi)完成理論知識的教學，對老師而言，必須采用精簡滿堂灌輸教學模式；對學生而言，上課時間必須一直保持專心聽課的狀態(tài)，很少有時間當場理解所聽內(nèi)容，并且因為電磁場與電磁波的公式、定義等較為抽象，難以理解，因此，學習效果非常不好。雖然在學習電磁場與電磁波之前，學過大學物理、電路和高等數(shù)學，已經(jīng)有了一定的基礎(chǔ)知識，但是大強度的理論知識和實驗知識的灌輸，讓學生學習起來難度加大，這樣不利于“信通類專業(yè)”的建設(shè)和長遠發(fā)展。

2 教學內(nèi)容、方法的改革

2.1 教學內(nèi)容的改革

2.1.1 矢量分析內(nèi)容改革

矢量分析主要包括：梯度、旋度、格林定理等內(nèi)容。由于這章內(nèi)容簡單，容易理解，因此將這章的學時減為4學時，其中，課后習題等內(nèi)容的答疑在“數(shù)字東林”上進行。

2.1.2 電磁學基本定律、靜態(tài)電磁場和時變電磁場的內(nèi)容改革

靜態(tài)場、恒定場、時變場為電磁場的三大場量。傳統(tǒng)教學模式是按照靜電場、恒定電場與恒定磁場、時變電磁場這樣的順序進行授課，這樣的授課方式較為耗時。麥克斯韋方程組囊括了靜態(tài)場、恒定場、時變場的電磁基本特性，是研究宏觀電磁場現(xiàn)象的理論基礎(chǔ)，是電磁學理論的核心。學生在學習電磁場之前已經(jīng)學習了大學物理，這門基礎(chǔ)課含有電磁學的基礎(chǔ)知識。因此為了節(jié)省學時，同時增加學生對電磁學理論的掌握，采用在講解麥克斯韋方程組理論的過程中穿插講解靜電場、靜態(tài)電磁場和邊值問題的方法。

課程教學的大致方向為：首先系統(tǒng)地講解電磁場理論的一些基礎(chǔ)知識；接著由電磁場的基本方程導出麥克斯韋方程組，并進行分析；最后對電磁場運動的基本規(guī)律和基本定律進行分析，了解電磁場的主要內(nèi)容。

具體的課程教學順序為：首先講解電荷守恒定律及相關(guān)知識、靜電場的基本規(guī)律及相關(guān)知識、恒定磁場的基本規(guī)律及相關(guān)知識、媒介的電磁特性及相關(guān)知識；接著講解法拉第電磁感應(yīng)定律和位移電流等理論知識；然后綜合以上電磁場理論知識，導出麥克斯韋方程組，并進行講解；最后講解電磁場的邊界條件及相關(guān)知識。該部分課程內(nèi)容擬安排12 學時。電磁場規(guī)律可用表1表示。

時變電磁場這部分的課程講解相比傳統(tǒng)教學變更不大。該部分主要講解波動方程、電磁場的位函數(shù)及相關(guān)知識、電磁能量守恒定律、唯一性定理、時諧電磁場及相關(guān)知識。該部分課程內(nèi)容擬安排8 學時。

2.1.3靜態(tài)電磁場及其邊值問題解的內(nèi)容改革

關(guān)于靜電場、恒定電場、恒定磁場的靜態(tài)電磁場的分析和其邊值求解問題在實際工程項目中有著廣泛的應(yīng)用。因為這部分內(nèi)容較難理解，單獨將其作為麥克斯韋方程組的一個特殊形式進行授課。該部分課程內(nèi)容擬安排4學時。為了節(jié)省課堂的教學時間，對于該部分的鏡像法，通過“數(shù)字東林”的習題答疑進行講解。

2.1.4均勻平面波的傳播、反射與透射的內(nèi)容改革

因為學時少，以及后續(xù)課程微波與天線會講解有關(guān)電磁波的知識，因此這部分的課程教學內(nèi)容主要為：均勻平面波及其相關(guān)知識、電磁波的極化及其相關(guān)知識、均勻平面波在導電媒質(zhì)中的傳播及其相關(guān)知識、色散與群速、均勻平面波的反射與透射。該部分課程內(nèi)容擬安排12 學時。

2.2 教學方法的改革

為了提升教學質(zhì)量，在教學內(nèi)容改革的基礎(chǔ)上，優(yōu)化教學方法，使之更為貼近改革后的教學內(nèi)容。優(yōu)化教學方法，主要包括以下三個方面：教材選用、教學方式選擇、考核資源建設(shè)。

2.2.1教材選用

選用高等教育出版社出版，謝處方編著的《電磁場與電磁波》作為教材，其內(nèi)容難度適中，邏輯性好，易于講解，學生容易理解，符合課程改革后教材選用的要求。

2.2.2 教學方式選擇

隨著科技的進步，人的意識發(fā)生改變，傳統(tǒng)板書的教學方式不再適合當今課程教學的需要，多媒體與板書相結(jié)合的教學方式適應(yīng)時代的潮流，利于老師課程的講解，也利于同學課上課下的學習?！半姶艌雠c電磁波”課程理論知識多而復雜，并且需要推導的數(shù)學公式和定理多，需要耗費老師大量的上課時間進行板書，采用多媒體技術(shù)完全可以避免這個現(xiàn)象的發(fā)生；一些理論知識抽象，難以理解，如均勻平面電磁波的傳播、極化波等，難以用通俗易懂的語言解釋明白，但是利用多媒體技術(shù)通過動畫可以對之進行動態(tài)的演示，讓學生更加容易的理解。不過對于課程中的重點、難點，還是采用板書的方式進行授課，放慢速度，重點講解，提高學生的聽課效率。對于課程中的重點難點采用板書授課的教學方式，對于抽象的理論采用多媒體進行演示的教學方式，二者的相互結(jié)合方便了老師的授課，提高了學生的學習效率。

2.2.3 考核資源建設(shè)

考核資源的建設(shè)，指的是建設(shè)“電磁場與電磁波”課程相關(guān)習題的試題庫。

“電磁場與電磁波”的知識點多而雜，且公式概念等較為抽象，難以理解，僅僅通過課堂老師的講解，是很難掌握的，通過做大量的習題可以提高對公式概念的理解，有助于學習這門課程，因此，我們用網(wǎng)絡(luò)“慕課”制作了“電磁場與電磁波”試題庫。習題庫中，結(jié)合多本“電磁場與電磁波”課程的相關(guān)書籍，針對課程中各個典型的問題，整理了大量的參考習題。每節(jié)課結(jié)束后，給學生布置相關(guān)的課后習題，學生通過“數(shù)字東林”進行解答，老師通過“數(shù)字東林”進行批改和答疑，并將學生作業(yè)中好的習題解法填充到試題庫中。當學生對一個知識點不理解時，可以通過做相關(guān)的習題，提高對該知識點的理解程度，方便了學生的學習。本題庫同樣利于教師的教學，教師可以通過這個平臺掌握學生們的學習情況，并且可以通過對習題庫中的習題進行篩選，得出一套可以高質(zhì)量的試卷。

3 實驗教學的改革

為了讓學生更加容易理解和掌握“電磁場與電磁波”課程的相關(guān)知識，必須將理論和實踐結(jié)合起來。

各類高校很少開設(shè)“電磁場與電磁波”課程的實驗課，目前東北林業(yè)大學“信通類專業(yè)”的學時要求只能容許開設(shè)2個4學時的儀器操作實驗，不能滿足教學大綱的要求。針對該現(xiàn)狀，對實驗教學進行改革，在實驗課程中增加一些Matlab等軟件進行仿真的實驗項目。電磁場與電磁波處于肉眼不可見的狀態(tài)，通過抽象的想象和儀器實驗很難理解電磁理論和電磁現(xiàn)象。Matlab是一種科學計算軟件，能夠通過數(shù)據(jù)對一些現(xiàn)象進行模擬。通過Matlab可以對一些實驗現(xiàn)象在三維空間的分布進行模擬，有助于學生們對電磁理論和電磁現(xiàn)象的理解。通過這樣的實驗學習，學生的觀察學習能力、綜合分析能力、實驗編程能力都會得到大幅度的提高。

4 結(jié)束語

對于教學內(nèi)容的改革，充分考慮前期課程和后續(xù)課程的安排，保證“信通類專業(yè)”課程設(shè)置的系統(tǒng)性。對于課程教學方法的改革，運用了多媒體技術(shù)和板書相結(jié)合的教學方式。對于實驗教學的改革，增加了 Matlab仿真實驗。這些課程的改革，讓學生更加容易理解和掌握“電磁場與電磁波” 課程的理論知識。通過教學內(nèi)容、教學方法、實驗課程的改革，激發(fā)了學生的學習興趣，提高了學生的學習效率和教師的教學質(zhì)量。

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編輯/岳鳳