西部高校“電磁場與電磁波”課程可視化教學(xué)的探索和實踐——以吉首大學(xué)為例＊

唐炳

西部高校“電磁場與電磁波”課程可視化教學(xué)的探索和實踐——以吉首大學(xué)為例＊

唐炳

（吉首大學(xué)物理與機電工程學(xué)院，湖南 湘西土家族苗族自治州 416000）

“電磁場與電磁波”這一課程本身內(nèi)容晦澀難懂，概念抽象，數(shù)學(xué)公式復(fù)雜繁多，加上西部高校師資力量不足，導(dǎo)致西部高校老師對這一課程難教、學(xué)生對這一課程難學(xué)。以吉首大學(xué)為例，通過與廣州粵嵌公司合作開展了對“電磁場與電磁波”這一課程的可視化教學(xué)研究。將課程中的理論知識與現(xiàn)代流行的科學(xué)計算軟件相結(jié)合，利用科學(xué)計算軟件強大的計算功能和可視化功能，讓學(xué)生加深對理論知識背后物理圖像的認(rèn)識。課后讓學(xué)生自己編程，做與課堂知識有關(guān)的實驗，提高學(xué)生的編程能力和創(chuàng)造力，讓他們得到多方面的發(fā)展。

“電磁場與電磁波”；可視化教學(xué)；現(xiàn)代科學(xué)計算軟件；教學(xué)研究

1 引言

“電磁場與電磁波”是我校電科專業(yè)本科生一門必修課程。其所涵蓋的基本理論是很多交叉學(xué)科的生長點和新興邊緣學(xué)科發(fā)展的基礎(chǔ)[1]。通過對該課程的學(xué)習(xí)，有助于電子信息類本科生完善自身科學(xué)素養(yǎng)，以適應(yīng)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。但是要學(xué)好“電磁場與電磁波”這一課程是比較艱難的，因為它涉及了高等數(shù)學(xué)與物理學(xué)兩方面的知識，歷來被稱為教師難教、學(xué)生難學(xué)的課程[2]。

對于西部地區(qū)高校而言，盡管國家出臺并實施了一系列措施來促進(jìn)和提高西部地區(qū)高校教育發(fā)展水平，但是由于長期以來受地理位置和交通等的影響，西部地區(qū)師資力量薄弱，高校教育發(fā)展水平相對而言比較落后[3]。因此，在西部高校地區(qū)要教好“電磁場與電磁波”這門課程顯得更為困難。校企合作教育是實現(xiàn)高校教育人才培養(yǎng)模式的有效手段，是實現(xiàn)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才培養(yǎng)的一種有效途徑[4]。課堂上教師將課程中的理論知識與現(xiàn)代流行的科學(xué)計算軟件相結(jié)合教學(xué)，利用科學(xué)計算軟件強大的計算功能和可視化功能，讓學(xué)生從繁雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)中解放，讓他們的思維不停留在理論知識的表面，而是擴展到對理論知識背后物理圖像的認(rèn)識。課堂外通過企業(yè)教師對學(xué)生進(jìn)行適合培訓(xùn)，讓學(xué)生能自己動手編程，做與課堂知識有關(guān)的實驗，對書中理論知識進(jìn)行深入的理解和掌握。

2 “電磁場與電磁波”教學(xué)介紹

我校所使用本課程教材為謝處方、饒克謹(jǐn)教授編寫的《電磁場與電磁波》第四版本，全書共有八章節(jié)，包括矢量分析、電磁場和電磁波三大部分。該課程的教學(xué)有幾大的難點：①數(shù)學(xué)公式多，理論性強，求解電磁場問題復(fù)雜，教師在教授這門課程的過程中需要用大量的時間來完成公式運算與推導(dǎo)，在課時有限的情況下影響了該課程的教學(xué)進(jìn)度和效果，要求學(xué)生有較強的數(shù)學(xué)功底和理性思維能力；②物理模型抽象，書中缺乏相應(yīng)的物理圖像的建立，要求學(xué)生要有良好的抽象思維能力。對于西部高校來說，要教好“電磁場與電磁波”這一課程，探索一個新的教學(xué)方案是勢在必行的。通過與粵嵌公司的合作，開展可視化教學(xué)的探索與實踐是一個很好的途徑。近年來，計算機軟件技術(shù)蓬勃發(fā)展，具有強大的科學(xué)計算能力和強大的繪圖功能的軟件越來越流行，如MATLAB和Python等軟件。它們幾乎能滿足所有現(xiàn)代數(shù)學(xué)計算，課堂上可以減輕教師的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)壓力，讓學(xué)生從初始條件中快速得到結(jié)果，不用花大量時間在數(shù)學(xué)公式的推導(dǎo)上，可以利用節(jié)省的時間理清知識框架結(jié)構(gòu)。

3 “電磁場與電磁波”課程可視化教學(xué)的探索和實踐

借助科學(xué)計算軟件來進(jìn)行“電磁場與電磁波”課程的可視化教學(xué)，目的是提高課堂效率，利于教師對課程知識內(nèi)容的講解和學(xué)生對理論知識的學(xué)習(xí)，用生動形象的圖片或者動畫來提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，課后讓學(xué)生們自己動手，用軟件對書中的例題進(jìn)行計算和繪圖來加深他們對書本知識的理解，同時提高他們的動手能力。通過與廣州粵嵌公司合作，由雙方共同完成該課程的教學(xué)。院校教師通過引入科學(xué)計算軟件教學(xué)，增加實驗設(shè)計和習(xí)題設(shè)計，在原有的習(xí)題基礎(chǔ)上，布置關(guān)于利用軟件仿真的習(xí)題，使教學(xué)內(nèi)容更加形象生動，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，改善了教學(xué)效果。下面是幾個實驗教學(xué)實例。

3.1 實驗一：帶電粒子在電場中的運動仿真

3.1.1 實驗?zāi)康?/p>

掌握帶電粒子在電場中的運動規(guī)律是非常重要的，利用科學(xué)計算軟件模擬帶電粒子在電場中的運動，能夠很好地幫助學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握相關(guān)的理論知識。

3.1.2 實驗原理

假設(shè)有一均勻電場，有一電子的質(zhì)量為，電荷為 ﹣，它以速度0垂直射進(jìn)均勻電場中。利用軟件進(jìn)行編程模擬電子的運動軌跡，可以直觀地得到不同電場或者不同初速度的情況下的運動軌跡。變化電場下的電子運動軌跡如圖1所示。

3.1.3 仿真結(jié)果

圖1中變化電場下的電子運動軌跡生動形象，但是如果沒有這個仿真，單靠想象力很難想象到該帶電粒子在電場中是這樣的一個運動軌跡，如果用儀器做實驗也是很難實現(xiàn)。但是依靠可視化編程軟件，卻能夠非常直觀地得到實驗結(jié)果，而且隨時可以改變初始條件得到不同的運動軌跡，這樣的仿真實驗只需要一臺安裝好的現(xiàn)代科學(xué)計算軟件就行，不受時間、設(shè)備儀器的影響。這樣生動形象的實驗仿真圖能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

3.2 實驗二：點電荷在x、y平面電勢分布的仿真

3.2.1 實驗?zāi)康?/p>

點電荷的電場就是一個矢量場，模擬其電力線的分布就可以得到電場的空間分布，利用軟件畫出點電荷在、平面電勢的分布情況。

3.2.2 實驗原理

假設(shè)真空中一對正負(fù)電荷，正電荷位于（﹣1，0），負(fù)電荷位于（1，0）。先解析計算出出、平面上的電勢，再利用可視化軟件畫出電勢在、平面上的電勢分布圖，如圖2所示。

圖2 點電荷在x、y平面電勢分布圖

3.2.3 仿真結(jié)果

如圖2所示，該圖生動形象地展現(xiàn)了兩個正負(fù)點電荷在、平面上的電勢分布圖，把學(xué)生從抽象的物理概念和數(shù)學(xué)公式帶入直觀的物理圖像中來，增加了學(xué)習(xí)的趣味性，便于學(xué)生理解電勢相關(guān)知識，為后續(xù)學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)。

4 結(jié)語

本文根據(jù)西部高校對“電磁場與電磁波”這一課程難學(xué)、難教和師資力量不足的特點，以吉首大學(xué)為例，通過與粵嵌合作，將目前十分流行的科學(xué)計算軟件運用到電磁場與電磁波的教學(xué)中來。利用科學(xué)計算軟件的可視化功能，將抽象的物理概念或者數(shù)學(xué)公式以生動形象的圖畫顯示出來，讓學(xué)生不再覺得學(xué)習(xí)這門課程是枯燥無味的，并激發(fā)他們的學(xué)習(xí)積極性。事實證明，這一教學(xué)模式取得了良好的教學(xué)效果。

［1］張正峰，那薇.新中國西部高等教育的發(fā)展歷程、邏輯與未來路徑［J］.教育與教學(xué)研究，2020，34（9）：87-95.

［2］徐國雄.信息類本科專業(yè)“電磁場理論”的教學(xué)難點與解決方法探討［J］.科教導(dǎo)刊（上旬刊），2019，388（10）：115-116.

［3］周雪芳，錢勝，李齊良.“電磁場與電磁波”精品課程建設(shè)的探索與實踐［J］.中國電力教育，2011（4）：68-69.

［4］郭晉.創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式的有效途徑——校企合作［G］//深化校企合作促進(jìn)科技創(chuàng)新學(xué)術(shù)論壇暨博士后科技成果洽談會論文集，2011.

2095－6835（2021）06－0091－02

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10.15913/j.cnki.kjycx.2021.06.033

唐炳（1986—），男，湖南益陽人，吉首大學(xué)物理與機電工程學(xué)院副教授，主要研究方向為理論物理。

教育部2018年第一批產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項目“電磁場與電磁波教學(xué)改革項目”（編號：201801193025）；吉首大學(xué)學(xué)位與研究生教育教學(xué)改革研究項目（編號：JG2018B06)；湖南省錳鋅釩產(chǎn)業(yè)技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心教學(xué)改革研究項目（4）

〔編輯：丁琳〕