“電磁場與電磁波”課程內容的修改建議

李長勝，林志立，馮麗爽

(北京航空航天大學儀器科學與光電工程學院，北京 100191)

自2011年起，我校為光電信息工程專業本科生開設了“電磁場與電磁波”課程。目前，國內也有部分高校對光電信息工程或光學工程專業本科生開設了“電磁場與電磁波”課程［1，2］，但該課程的教學內容尚未進行系統調整。

文獻［3］探討了“電磁場與電磁波”課程的內容改革。我們經過一個學年的教學實踐，認為目前該課程的教學內容尚存在一些問題，例如存在與“大學物理”課程中電磁學部分內容的重復，體現光電信息工程專業特點的內容較少，以及有關電磁場與電磁波的應用和研究新進展方面的內容不足等。

針對上述問題，并考慮學生創新能力培養、后續課程及未來專業研究工作的需要，本文提出對光電信息工程專業“電磁場與電磁波”課程教學內容修改的幾點建議。

1 縮減與“大學物理”重復的內容

我院目前使用文獻［4］作為“電磁場與電磁波”教材，我校本科生“大學物理”課程教材采用文獻［5］，中冊內容為電磁學。我們將這兩本教材進行比較，發現有許多重復的內容。例如:庫侖定律、高斯定理、安培環路定理、法拉第電磁感應定律和介質的磁化等。盡管它們介紹這些內容的出發點和深廣度不同，但其核心內容是相同的。為了避免教學內容上的重復，我們建議在“電磁場與電磁波”課程中適當壓縮上述重復內容的學時數。可采用復習與概述的方式給予彌補。

2 補充光電信息工程相關內容

我院的“電磁場與電磁波”課程內容沒有考慮光電信息工程專業特點以及該專業后續課程的具體需要。作為光電信息工程專業本科生的重要基礎理論課，該課程內容應適當予以補充。例如，可增加“各向異性介質中的電磁場與電磁波”方面的內容。

考慮到對其分析研究一般需要張量等數學基礎知識，在本科階段引入此部分內容存在一定難度，只有少數教材簡單介紹了此部分內容［6］。為了給學生學習后續光學相關課程奠定一定的理論基礎(如晶體光學等內容)，我們建議在課程中增加2-4學時用于介紹各向異性介質中的電磁場與電磁波的內容。可根據學生的接受能力，引入文獻［7］的相關內容。該專著詳細論述了電各向異性介質的靜電場，磁各向異性介質的穩恒電流場，以及電各向同性而磁各向異性介質中的輻射電磁場。

此外，還可增補介紹“電磁場的動量”以及“光壓”等概念，這將有助于學生深入理解電磁波和光波的本質屬性。文獻［8］將偏振光學中常用的瓊斯矢量和瓊斯矩陣分析法用于描述和分析均勻平面波的極化特性及其傳播規律。我們認為，在講解均勻平面波的傳播之后，補充介紹“高斯光束的平面波展開”有助于學生正確理解光的電磁波屬性，為學習后續光學相關課程奠定理論基礎。

3 增加工程應用的內容

增強電磁場與電磁波在科學研究與工程實際中應用方面的教學內容，有助于學生理解和掌握本課程的基本理論和規律。文獻［3］在討論“電磁場理論”課程教學內容改革時建議突出電磁場理論在工程實踐、科學研究以及日常生活中的應用;教材［8］和［9］的部分章節也已討論了許多電磁場與電磁波典型應用方面的內容。但大部分教材在此方面的內容尚顯不足。

我院在上一學年的“電磁場與電磁波”課程教學中增加了電磁場工程應用方面的內容。例如，我們介紹靜電場的應用時，涉及到靜電選礦器和靜電除塵器、電容式傳感器、靜電屏蔽在日常生活和電氣電子工程中的應用等;介紹了恒定電流場的應用時，講解了心電圖和裂紋探傷儀的工作原理;介紹恒定磁場的應用時，討論了磁電式儀表與磁性傳感器、磁屏蔽及磁懸浮技術(如磁懸浮軸承和磁懸浮列車)等內容。

除了課堂講解以外，我們還以課外作業的方式幫助學生了解電磁場應用方面的內容。例如，我們布置的課外作業包括查閱相關資料、簡述靜電復印機、電磁流量計和心(或腦)電圖的工作原理等。

4 引入相關研究新進展

目前電磁場與電磁波及其相關交叉科學與技術的發展日新月異，為了使學生盡快適應未來電磁相關的新興科學與技術領域研究的需要，我們建議安排2-4學時，將相關的最新科研成果引入課堂教學。學科研究新進展內容的選擇應考慮以下因素:①在電磁場與電磁波學科體系及其發展中的意義，以及完善該課程自身體系的需要;②學生未來從事相關科技工作的需要;③本科學生的先修課程以及授課時學生的實際接受能力等。

我們建議引入“電磁超介質”(或“左手材料”)理論及其應用等內容，作為近十年來電磁學和光學領域的重要研究新進展的介紹。而以往“電磁場與電磁波”課程中并未包含此內容。電磁超介質的磁導率、電容率、折射率以及電磁波傳播特性等雖然與常規介質不同，但并不違反麥克斯韋電磁理論;在講解了常規介質中的麥克斯韋方程之后，再介紹電磁超介質中的電磁場與電磁波理論，不但學生易于理解和接受，而且可以完善本課程體系，為學生將來從事相關科研工作奠定理論基礎。

5 結語

綜上所述，本文建議對今后我院光電信息工程專業本科生"電磁場與電磁波"課程內容進行調整，可考慮適當縮減與工科“大學物理”課程中電磁學部分重復的內容，增加與光電信息工程專業密切相關的內容、增加電磁場與電磁波應用方面的內容，并及時引入電磁場與電磁波學科研究新進展的內容。

［1］ 關建飛，倪新建，徐寧.光電信息類本科專業《電磁場理論》教學改革研究［J］.北京:中國科技信息，2010，第14期:206-207

［2］ 葉衛民，朱志宏，劉肯等.《光電子學中電磁場理論》研究生課程教學的思考［J］.長沙:高等教育研究學報，2010，33(1):117-119

［3］ 王士彬，張蓮，萬沛霖等.“電磁場”課程教學內容改革的實踐［J］.南京:電氣電子教學學報，2006，28(5):8-11

［4］ 謝處方，饒克謹，楊顯清等.《電磁場與電磁波》［M］.第4版.北京:高等教育出版社，2006

［5］ 吳百詩主編.《大學物理》(中冊)［M］.北京:高等教育出版社，2004

［6］ 蘇東林，陳愛新，謝樹果等編著.《電磁場與電磁波》［M］.北京:高等教育出版社，2009

［7］ 陳燊年，洪清泉，王建成著.《介質為各向異性的電磁場》［M］.北京:科學出版社，2012

［8］ 倪光正主編.《工程電磁場原理》［M］.第2版.北京:高等教育出版社，2009

［8］ 楊儒貴.《電磁場與電磁波》［M］.第2版.北京:高等教育出版社，2007