信息類本科專業(yè)“電磁場理論”的教學難點與解決方法探討

徐國雄

摘 要 電磁場理論是信息類本科專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程。本文結(jié)合電磁場理論課程的教學現(xiàn)狀，分析了該課程的教學難點，并從學生的學習興趣培養(yǎng)、習題課教學、課后答疑輔導等三個方面，對如何解決電磁場理論課程的教學難點提出了一些思路與建議。

關(guān)鍵詞 電磁場理論 教學現(xiàn)狀 矢量分析

中圖分類號：G424? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2019.10.050

Abstract Electromagnetic field theory is an important basic course for undergraduate majors in information science. Based on the current teaching situation of electromagnetic field theory course， this paper analyzes the teaching difficulties of this course， and from three aspects， such as students interest training， exercise course teaching， and after-school question and answer counseling， some ideas and suggestions on how to solve the teaching difficulties of electromagnetic field theory course are put forward.

Keywords electromagnetic field theory; teaching situation; vector analysis

0 引言

電磁場理論以大學物理、復變函數(shù)、高等數(shù)學等為基礎(chǔ)，以麥克斯韋方程組為核心，是一門理論性很強的課程，它是電類各專業(yè)本科大學生必修的重要專業(yè)基礎(chǔ)課之一。[1-2]

對于電子信息、通信工程等信息類本科專業(yè)來說，電磁場理論課程顯得尤為重要。[3]該專業(yè)開設的很多重要課程都與電磁場理論息息相關(guān)。比如，“微波技術(shù)與天線”、“電磁干擾與電磁兼容”、“移動通信”、“衛(wèi)星通信”等傳統(tǒng)專業(yè)課程，以及前沿課程“未來無線通信技術(shù)”、“大規(guī)模MIMO技術(shù)”等等，都是以電磁場理論為基礎(chǔ)的。[4]因此，學好電磁場理論課程，是信息類本科學生學好其他專業(yè)課程的前提。講好電磁場理論課程，是對教師對該課程教學的基本要求。

1 電磁場理論課程的教學現(xiàn)狀與難點分析

1.1 教學現(xiàn)狀

電磁場理論以矢量分析、微積分等高等數(shù)學知識以及大學物理為基礎(chǔ)，以庫侖定律、安培定律、法拉第電磁感應定律等三大實驗定律為出發(fā)點，建立起麥克斯韋方程組，揭示出電磁場的場源關(guān)系和電磁波的傳播特性等。[5]內(nèi)容廣泛、概念抽象、理論性強、分析方法復雜是電磁場理論課程的主要特點。

電磁場理論課程是一門教師難教、學生難學，理論性很強的專業(yè)基礎(chǔ)課程。[6][7]從教師的教學情況來看，電磁場理論課程教學課時偏少，難點內(nèi)容多，數(shù)學推導過程復雜且繁瑣，因此，教師在有限的時間內(nèi)完成教學內(nèi)容普遍感到比較困難，對教學難點比較難以把握，教學效果往往不盡如人意。從學生的學習情況來看，學生對電磁場理論所用到的矢量分析等高等數(shù)學知識比較陌生，對學好電磁場理論課程信心不足，缺乏學習的動力和興趣，積極性不高。許多學生課堂上聽不懂老師的講課，也看不懂課本內(nèi)容，對老師布置的課后作業(yè)，采取敷衍態(tài)度，作業(yè)抄襲現(xiàn)象嚴重，考試壓力大，擔心考試不通過會影響自己的學業(yè)等等。電磁場理論課程難教難學的教學現(xiàn)狀，使電磁場理論課程的課堂教學顯得比較沉悶，往往一堂教學課幾乎成了老師的獨角戲，缺乏良好的師生互動氛圍。誠然，造成這種狀況的原因有老師的一部分責任，比如教師備課不充分，教學方法單一，缺乏講課激情等。但筆者認為，學習內(nèi)容難度大、理論性強、概念抽象、數(shù)學基礎(chǔ)要求高，是電磁場理論課程難教難學的重要原因。

1.2 電磁場理論課程的教學難點

（1）對矢量分析等高等數(shù)學知識要求高。按照目前通用的電磁場理論教材編排順序，電磁場理論課程的學習總是從矢量分析等數(shù)學知識開始的，這表明矢量分析在電磁場理論課程中具有十分重要的作用，與電磁場理論具有密不可分的聯(lián)系。矢量分析是高等數(shù)學的重要內(nèi)容之一，是對場源關(guān)系進行理論分析的重要工具。盡管矢量分析是電磁場理論課程的先修內(nèi)容之一，但在高等數(shù)學的學習中，學生對矢量分析這部分內(nèi)容的學習并沒有投入太大的精力，也沒有真正理解并掌握好這部分內(nèi)容，因此在學習電磁場理論課程時，一開始就在心理上產(chǎn)生了畏懼情緒，學習熱情也因而降低了。盡管教師在電磁場理論課程教學時，對矢量分析等數(shù)學知識進行了充分的復習和擴展，但有限的教學課時安排不足以使學生充分理解矢量分析的內(nèi)容與應用，教師出于教學整體安排考量，也不可能在課堂上花費更多的時間來講授這部分內(nèi)容，否則，其他教學內(nèi)容就會受到影響。

（2）數(shù)學推導多，占用課堂的學時量大，影響教學進度。電磁場理論課程的教學難點還表現(xiàn)在復雜繁瑣的數(shù)學推導上。推導過程實際上是利用數(shù)學等知識探究電磁場規(guī)律的過程。通過推導，學生不僅能夠得到科學思維的鍛煉，而且能夠更加明確由推導過程所得到的物理規(guī)律的實質(zhì)。因此，教師在課堂上不可忽視對推導過程的講解。

在電磁場理論課程中，很多公式和定律都是在三大實驗定律的基礎(chǔ)上，利用矢量分析和微積分等數(shù)學知識，通過復雜繁瑣的推導來得到的。比如，靜電場的基本方程為，表明靜電場是有源無旋場。但這兩個基本方程是在庫侖定律的基礎(chǔ)上，利用矢量分析的散度、旋度以及微積分等數(shù)學知識，再經(jīng)過復雜的公式變換和推導過程而得出的。在整個推導過程中，教師需要講清每一步的推導與運算，往往講完整個推導過程，需要30分鐘以上，占用了很多課時量。由于推導過程復雜繁瑣，用到的高等數(shù)學知識多，許多學生在課堂上稍一走神，就跟不上老師講課的節(jié)奏，聽不懂老師講的內(nèi)容。此外，在學習電磁場理論課程時，有些學生把過多的精力花在推導過程上，而對經(jīng)過推導而得出的物理結(jié)論與規(guī)律不進行充分的理解，不知不覺就把電磁場理論作為一本數(shù)學書來學習了。這樣下來，學生在電磁場理論的學習上花費的時間不少，但學習效果并不明顯，從而影響了學生學習的興趣。

（3）概念抽象，理論性強，對學生空間想象力和抽象思維能力要求高。電磁場理論是一門公認的難教難學的專業(yè)基礎(chǔ)課程，其中一個重要的原因是課程內(nèi)容理論性強，概念抽象，對學生的空間想象力和抽象思維能力要求高。比如電磁場理論中的麥克斯韋方程組，它是一組通過數(shù)學形式表達電場與磁場以及場源之間關(guān)系的方程。這組方程完整地反映了宏觀電磁理論與基本規(guī)律，對推動電磁場理論的發(fā)展與應用起到了十分重要的作用。然而，麥克斯韋方程組所表達的基本規(guī)律，由于理論性強，學生往往理解困難，更由于方程組中出現(xiàn)的散度、旋度、通量、環(huán)流量等概念的抽象性，使得學生難以真正理解麥克斯韋方程組的實質(zhì)，也就不會運用麥克斯韋方程組來分析時變電磁場和電磁波了。

2 解決電磁場理論課程教學難點的思路與建議

（1）培養(yǎng)學生學習興趣，激發(fā)學生學習熱情，引導學生積極思考問題。興趣是學習的動力和源泉，因此，在課堂教學中，教師要以培養(yǎng)學生學習興趣為切入點，充分調(diào)動學生的學習積極性，激發(fā)他們的學習熱情，鼓勵他們積極思考問題。一方面，教師應精心備課，合理設計教學方案，組織好課堂教學，并把握好上課節(jié)奏。另一方面，教師要改變“一人唱獨角戲”的枯燥教學模式，應以問題為導向，在教學中引導學生積極思想問題，對難點問題展開討論，并通過師生互動，營造濃厚的課堂氛圍。比如，在講授均勻平面波的概念時，教師首先向?qū)W生提出“什么是平面波和球面波？”“‘均勻的含義是什么？”“在均勻平面波中電場和磁場隨時間作正弦變化嗎？是否同相變化？振幅是否不變？”等問題，然后讓學生帶著問題聽老師的講課。這樣，學生在聽老師講課的過程中，逐漸明白了這些問題，對均勻平面波的概念也就在不知不覺中理解了。教師應鼓勵學生在聽課的同時，不斷思考問題，并就聽課中不懂的問題隨堂請教老師。這樣，學生的學習積極性就被調(diào)動起來了，師生互動的課堂氛圍也形成了。學生在課堂上就更易理解老師所講的內(nèi)容，難點問題也逐步化解了，從而提高了課堂教學質(zhì)量。

（2）以習題課為平臺，解決教學難點。課堂教學結(jié)束后，教師應向?qū)W生布置適量的課后作業(yè)，以使學生及時鞏固所學的內(nèi)容。布置的課后作業(yè)應確保難易有度，并有針對性地布置一些與教學難點有關(guān)的習題，使學生在解題中進一步理解和掌握電磁場理論課程的難點內(nèi)容。教師應及時認真批改學生作業(yè)，通過對學生作業(yè)對錯率的分析，了解學生對所學知識的掌握以及對難點內(nèi)容的理解情況，找出學生學習中的薄弱環(huán)節(jié)，并在習題課中幫助學生進一步理解所學知識和難點內(nèi)容。此外，習題課中，教師應通過一些典型例題的講解，來幫助學生掌握解題方法，提高解題技巧。教師也應適度補充一些與電磁場工程應用有關(guān)的例題和習題，以培養(yǎng)學生初步的工程應用能力。

（3）加強課后輔導，解決學生學習中的疑難問題。課后答疑是學生理解難點內(nèi)容的重要途徑。由于課堂教學受到時間和地點的客觀限制，教師不可能在課堂上解決學生在電磁場理論學習上遇到的所有疑惑。因此，教師應建立起課后答疑和輔導的有效渠道。一方面，教師根據(jù)學生課后時間情況，確定電磁場理論課程固定的課后答疑和輔導時間，在指定地點對學生進行面對面的答疑與輔導。另一方面，教師可通過網(wǎng)絡，建立QQ或微信答疑群，學生通過答疑群在線提出學習中遇到的問題，教師及時解答學生的提問。此外，教師要充分利用答疑群，引導學生在群中對學習中遇到的一些難點問題展開討論。這樣，既增進了師生感情，也營造了良好的學習氛圍，激發(fā)了學生的學習熱情。

3 結(jié)束語

電磁場理論是電子信息、通信工程等信息類專業(yè)必修的重要專業(yè)基礎(chǔ)課程之一，它具有理論性強、概念抽象、難點內(nèi)容多等特點，是一門公認的教師難教、學生難學的課程。筆者結(jié)合多年來對電磁場理論課程的教學經(jīng)驗，對電磁場理論課程的教學現(xiàn)狀進行了分析，指出了課程教學的難點，針對教學難點，提出了解決教學難點的思路與建議。

基金項目：中原工學院教學改革與研究項目——信息類專業(yè)電磁場理論課程教學改革探索

參考文獻

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