工程認(rèn)證背景下“電磁場(chǎng)與電磁波”教學(xué)改革與實(shí)踐

錢(qián) 俊

（梧州學(xué)院電子與信息工程學(xué)院 廣西 梧州 543002）

電磁場(chǎng)與電磁波這門(mén)課程是各學(xué)校理工電類的專業(yè)基礎(chǔ)課程，它的內(nèi)容涉及非常廣泛，在學(xué)習(xí)過(guò)程中不僅要用到高等數(shù)學(xué)的基本矢量分析、微積分、正交曲線坐標(biāo)系的應(yīng)用等知識(shí)，同時(shí)還要用到普通物理學(xué)關(guān)于電磁現(xiàn)象的一些基礎(chǔ)知識(shí)，由于該課程理論性強(qiáng)，所需要的基礎(chǔ)知識(shí)廣泛，為了把這門(mén)課程講授好，各個(gè)高校的任課老師都在進(jìn)行各種對(duì)應(yīng)的改革。工程專業(yè)認(rèn)證不僅能夠?yàn)榻虒W(xué)質(zhì)量提供保障，而且能夠?yàn)殡婎惞こ虒I(yè)修訂培養(yǎng)目標(biāo)、重組課程體系、深化課堂改革、明晰教師責(zé)任、健全評(píng)價(jià)機(jī)制等教學(xué)工作的開(kāi)展提供支持。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，培養(yǎng)實(shí)踐能力較強(qiáng)、理論知識(shí)扎實(shí)的專業(yè)人才是高等院校電類工程專業(yè)教學(xué)改革的主要目的。

1 現(xiàn)狀分析

“電磁場(chǎng)與電磁波”是梧州學(xué)院（以下簡(jiǎn)稱“我院”）通信工程、電子信息工程、光電信息科學(xué)與工程等相關(guān)專業(yè)的必修課。該課程講述了電磁場(chǎng)、電磁波的基本特性及規(guī)律，給出了解決實(shí)際問(wèn)題的分析、計(jì)算方法，為相關(guān)專業(yè)的后續(xù)課程，如通信專業(yè)的“微波原理”，光電信息科學(xué)與工程班“信息光學(xué)”等打好基礎(chǔ)，其地位非常重要。由于該課程涉及的公式多，推導(dǎo)也多，且多數(shù)都比較復(fù)雜，多用到如高等數(shù)學(xué)、復(fù)變函數(shù)等知識(shí)。另外，這門(mén)課程中描述電磁場(chǎng)的所有場(chǎng)量均是矢量，概念抽象，學(xué)生不僅對(duì)用矢量描述場(chǎng)量難以理解和想象，且電磁場(chǎng)電磁波中矢量運(yùn)算的應(yīng)用也不熟練。同時(shí)還要加上許多電磁學(xué)中的基礎(chǔ)內(nèi)容，在這樣的前提下，教師在課堂上要花大量的時(shí)間進(jìn)行數(shù)學(xué)推導(dǎo)及演算，以及復(fù)習(xí)電磁學(xué)的相關(guān)內(nèi)容。近些年，為了適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的需要，我院逐漸向應(yīng)用型大學(xué)轉(zhuǎn)型，在符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，電磁場(chǎng)與電磁波的教學(xué)時(shí)數(shù)也在減少?；谝陨细鞣矫娴脑?，怎樣在所需基礎(chǔ)知識(shí)面廣、推導(dǎo)多、計(jì)算難、課時(shí)少、內(nèi)容多的條件下滿足當(dāng)前“新工科”背景模式下的課程改革要求，使該課程的教學(xué)向簡(jiǎn)單化，學(xué)生的學(xué)習(xí)向容易化轉(zhuǎn)化，是本門(mén)課程教學(xué)改革首先要解決的問(wèn)題。

2 教學(xué)改革的探索與實(shí)踐

我院電類專業(yè)的學(xué)生選用的教材是謝處方的“電磁場(chǎng)與電磁波”（第4 版），該課程由矢量分析、電磁場(chǎng)基本理論、電磁波基本理論及電磁波傳導(dǎo)基本理論四大部分組成。對(duì)本課程的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行改革，在教學(xué)過(guò)程中，對(duì)于數(shù)學(xué)運(yùn)算問(wèn)題，采用精簡(jiǎn)繁難的理論推導(dǎo)過(guò)程，重視對(duì)理論推導(dǎo)結(jié)論的理解和應(yīng)用；針對(duì)公式多、難理解問(wèn)題，采用重點(diǎn)內(nèi)容精講細(xì)講，突出關(guān)鍵點(diǎn)，并注重知識(shí)點(diǎn)間的關(guān)聯(lián)和方法的掌握，具體陳述如下。

2.1 數(shù)學(xué)矢量運(yùn)算的問(wèn)題

顯然矢量的運(yùn)算最后都可轉(zhuǎn)化為各個(gè)方向的標(biāo)量運(yùn)算，對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)就容易處理多了。另外本章中公式多，推導(dǎo)多，且復(fù)雜、煩瑣，本校是一所應(yīng)用型本科院校，許多學(xué)生數(shù)理基礎(chǔ)不夠扎實(shí)，具體講解的話，不僅占用大量的教學(xué)時(shí)間，大大壓縮后續(xù)電磁場(chǎng)與電磁波的教學(xué)課時(shí)數(shù)，而且學(xué)生熟練掌握也有一定的難度，因此，結(jié)合本校學(xué)生和課程設(shè)置要求的考慮，在講授這一章時(shí)，重點(diǎn)突出梯度、散度和旋度的計(jì)算和其代表的意義，對(duì)其公式的推導(dǎo)可采取介紹其證明的要點(diǎn)或不講，突出其計(jì)算的方法和結(jié)論的應(yīng)用，如散度定理、斯托克斯定理，還有在不同坐標(biāo)系下梯度、散度、旋度和拉普拉斯的運(yùn)算公式都可采取這種方式，對(duì)于后面章節(jié)有的理論推導(dǎo)部分也可采取這種方式進(jìn)行教學(xué)。針對(duì)這種教學(xué)改革方式，課程組進(jìn)行了大膽的嘗試，發(fā)現(xiàn)既節(jié)約了一定的課時(shí)，也可讓學(xué)生直接獲取解決問(wèn)題的能力，效果較好。

2.2 注重各公式之間的聯(lián)系

除了第一章的數(shù)學(xué)準(zhǔn)備部分外，后面的章節(jié)可分三大部分，即靜態(tài)場(chǎng)部分、時(shí)變場(chǎng)部分以及電磁波傳播及輻射部分。這里主要給出了電磁場(chǎng)和電磁波描述的基本物理量、基本屬性以及運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，包括它和帶電物質(zhì)之間的相互作用。學(xué)生在學(xué)習(xí)這些章節(jié)時(shí)感覺(jué)內(nèi)容多、公式多，對(duì)各章節(jié)及眾公式之間不知道它們的聯(lián)系，學(xué)習(xí)上感覺(jué)很迷茫，甚至產(chǎn)生厭學(xué)情緒，針對(duì)這一情況，要求教師在教學(xué)環(huán)節(jié)中，突出各章節(jié)及各個(gè)知識(shí)點(diǎn)之間的聯(lián)系，在強(qiáng)調(diào)這些關(guān)聯(lián)的時(shí)候，同時(shí)也要給學(xué)生講清楚各知識(shí)點(diǎn)間的區(qū)別，這樣才能充分有效地進(jìn)行教學(xué)。本教材后面的每一部分都分別用到了場(chǎng)方程，我們以講授電磁場(chǎng)與電磁波的場(chǎng)方程-麥克斯韋方程組為例，通過(guò)知識(shí)點(diǎn)之間聯(lián)系進(jìn)行教學(xué)這一思想在教學(xué)過(guò)程中的運(yùn)用。

我們?cè)诒窘滩牡牡诙轮型ㄟ^(guò)對(duì)靜態(tài)電磁場(chǎng)的分析，從而總結(jié)得到了麥克斯韋方程組，它的適用范圍是一切宏觀電磁現(xiàn)象，也就是說(shuō)后面的時(shí)變電磁場(chǎng)、電磁波的運(yùn)動(dòng)規(guī)律都可以由它來(lái)給出，知道這一點(diǎn)之后，后面為什么又給出了波動(dòng)方程，亥姆霍茲方程呢，要弄清楚原因，這里就要弄清楚它們之間的聯(lián)系與區(qū)別。對(duì)于第四章開(kāi)頭我們首先推導(dǎo)了在無(wú)界空間中理想介質(zhì)的波動(dòng)方程，它是由麥克斯韋方程組直接推導(dǎo)而來(lái)，所以這里的波動(dòng)方程就是電磁波的場(chǎng)方程，它實(shí)際上就是麥克斯韋的另外一種形式，只不過(guò)適用于理想介質(zhì)中傳播的電磁波。不難發(fā)現(xiàn)在后面學(xué)習(xí)亥姆霍茲方程的時(shí)候，這兩個(gè)方程也是場(chǎng)方程，直接將波動(dòng)方程轉(zhuǎn)換過(guò)來(lái)的，只不過(guò)它適用的范圍是時(shí)諧電磁波。弄清了這些之后學(xué)生只需要重點(diǎn)學(xué)習(xí)一般形式的麥克斯韋方程組及其意義，其他情況下的場(chǎng)方程，教師只需重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)各個(gè)方程之間的聯(lián)系與區(qū)別，這樣學(xué)生便可以從整體上掌握所有的電磁場(chǎng)理論公式，讓他們發(fā)現(xiàn)其實(shí)公式也沒(méi)那么多，也沒(méi)那么難記憶，從而提高他們的學(xué)習(xí)興趣。

2.3 注重方法的訓(xùn)練

運(yùn)用上述方法之后，盡管許多學(xué)生在此基礎(chǔ)之上已經(jīng)清楚了該課程眾多數(shù)學(xué)公式之間的聯(lián)系與區(qū)別，但解決實(shí)際問(wèn)題時(shí)，很多學(xué)生還存在一定的困難，還是不能很好地運(yùn)用公式，針對(duì)這一情況，為了得到各種情況下所需要的結(jié)論，教師還要強(qiáng)調(diào)對(duì)公式、原理推導(dǎo)方法的掌握，這里以“電磁場(chǎng)邊界條件”為例，來(lái)體現(xiàn)這一思想在教學(xué)過(guò)程中的重要應(yīng)用。

邊界條件跟麥克斯韋方程組一樣貫穿整個(gè)章節(jié)，對(duì)于其學(xué)習(xí)也很重要。首先我們?cè)诘诙轮羞\(yùn)用積分形式的四個(gè)麥克斯韋方程組推導(dǎo)出了電磁場(chǎng)邊界條件：

給出了它們的物理含義及適用范圍，得出邊界條件實(shí)際上就是不同介質(zhì)分解面的場(chǎng)方程的結(jié)論。在學(xué)習(xí)這里時(shí)一定要強(qiáng)調(diào)它的適用范圍是一切宏觀電磁現(xiàn)象，所以我們?cè)趯W(xué)習(xí)后面的章節(jié)時(shí)直接把它拿出來(lái)引用，再結(jié)合具體的情況進(jìn)行推導(dǎo)就可以了，下面以靜態(tài)電磁場(chǎng)中的靜電場(chǎng)邊界條件為例來(lái)進(jìn)行討論。

3 總結(jié)

在新工科背景下，文章對(duì)梧州學(xué)院電類專業(yè)“電磁場(chǎng)與電磁波”課程的教學(xué)現(xiàn)狀進(jìn)行了討論，提出在學(xué)習(xí)“電磁場(chǎng)與電磁波”課程中，應(yīng)重視對(duì)理論推導(dǎo)結(jié)論的理解和應(yīng)用，忽略繁難的理論推導(dǎo)過(guò)程，并注重各公式之間的聯(lián)系，以及推導(dǎo)方法的掌握。通過(guò)這種教學(xué)方式對(duì)該課程進(jìn)行教學(xué)改革，不僅能幫助學(xué)生對(duì)公式的記憶和理解，提升學(xué)習(xí)熱情，也讓學(xué)生直接獲取解決問(wèn)題的能力，效果較好。