“電磁場與電磁波”教學改革探索和實踐

摘要：“電磁場與電磁波”課程是高校電子信息類專業(yè)必修的一門重要專業(yè)基礎課，主要闡述宏觀電磁場和電磁波的基本規(guī)律、基本性質(zhì)等理論及在工程中的應用。針對該課程教學中存在的問題及目前課程學時縮減的現(xiàn)實，從教學內(nèi)容、科研課題引入課堂教學、教學手段、開設實驗、考評機制等方面提出了一系列的改革思路。重點討論了科研課題引入課堂教學的可行性，并結合研究方向給出了實例，希望通過課程改革能進一步提高教學效果，增強學生學習興趣，提高學生創(chuàng)新與創(chuàng)業(yè)的能力。

關鍵詞：電磁場與電磁波；教學改革；科研促教學

作者簡介：馬鳳英（1975-），女，河南濮陽人，鄭州大學物理工程學院，副教授。（河南 鄭州 450001）

基金項目：本文系國家自然科學基金（項目編號：60907046）、河南省教育廳自然科學研究計劃項目（項目編號：2009A140008）、鄭州市科技局項目（項目編號：121ppTGG360-7）的研究成果。

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）36-0099-02

“電磁場與電磁波”是鄭州大學（以下簡稱“我校”）電子信息類、通信工程、電子科學與技術、電氣工程及自動化等專業(yè)學生必修的一門重要專業(yè)基礎課，主要研究電磁場的基本屬性及其運動規(guī)律、波與物質(zhì)相互作用及信息的提取、電磁場系統(tǒng)的計算方法及仿真技術和工程技術應用中的電磁理論問題等。它和電磁干擾與電磁兼容、射頻及高速電路設計與開發(fā)等課題緊密聯(lián)系，是一些交叉領域的學科生長點和新興邊緣學科發(fā)展的基礎。同時，電磁場與電磁波作為能量的一種形式、信息傳輸?shù)妮d體和探測未知世界的一種重要手段，在通信、雷達、醫(yī)療保健、導航、軍事、能源和環(huán)境檢測等領域中得到了廣泛的應用。但是由于電磁場與電磁波概念抽象、理論深奧、應用數(shù)學知識多、分析推導繁瑣等，使該課程歷來被認為是教師難教、學生難學的課程之一，甚至有學生私下里稱電磁場這門課為“火葬場”。隨著“寬口徑、輕專業(yè)、重基礎”本科培養(yǎng)理念的出現(xiàn)，各高校開設基礎課程門類增多，我校自2009年來將該課程的課時數(shù)由64學時減少為48學時。這樣一來，要在教學計劃學時內(nèi)完成教學內(nèi)容，每節(jié)課的上課內(nèi)容就會增加，滿堂灌的教學方式勢必會導致學生疲倦，不利于學生自主學習能力和自我發(fā)展能力的培養(yǎng)。另外，針對我校光學、光學工程碩士專業(yè)方向和電子科學與技術、電子信息科學與技術兩個本科專業(yè)就業(yè)的需要，對教學內(nèi)容需進行適當調(diào)整。因此，為了適應這種情況，對于課程講授內(nèi)容適當增減，教材的重新選擇及教學方法的改革勢在必行。

一、教學內(nèi)容的改革

新的教學計劃修訂之前，這門課采用的教材是馬海武教授編寫的《電磁場理論》，該書基礎性較強，偏重于理論，教授這門課的老師也是我校物理專業(yè)的教師。而電子信息、電子科學與技術這兩個專業(yè)畢業(yè)生，無論深造還是就業(yè)，均偏重于電磁場的應用——解決工程類電磁場問題。因此，教學計劃修訂后，這兩個專業(yè)的教材換為謝處方、饒克謹教授編寫的《電磁場與電磁波》。教學內(nèi)容上也進行適當優(yōu)化，比如大學物理中電磁學部分已經(jīng)對真空和介質(zhì)中的靜態(tài)場以及電磁感應現(xiàn)象和位移電流假設進行了詳細的講解，也簡單介紹了麥克斯韋方程組。在教授“電磁場與電磁波”這門課時對靜態(tài)場的特性和分析就可以用較少的學時，以學生為中心，多以提問的形式進行講授。而對時變電磁場的分析方法、電磁波的反射與透射以及波導與諧振腔相關章節(jié)的講授就要用較多的學時。另外在講授這部分內(nèi)容時要增加一些工程實例，加深學生對知識的理解并提高應用能力。如在講授“均勻平面波對多層介質(zhì)分界面的垂直入射”時，引入濾光片、介質(zhì)高反膜和增透膜的設計原理及應用，使學生對課程的背景、研究領域、主要技術、發(fā)展方向有大致的了解，培養(yǎng)學生在此領域的興趣和深入研究的愿望。

二、教學方法與教學手段的改革

1.將科研課題引入課堂教學，提高學生對基礎研究的興趣和關注

早在2005年教育部發(fā)布的教高[2005]001號文中就強調(diào)“積極推動研究性教學，提高大學生創(chuàng)新能力”。探索性是本科研究性教學的主要特征之一，不但要傳授知識，還要培養(yǎng)學生探求未知的能力。因此，高校教師不但要講好書本知識，還要做好科研，大量查閱文獻資料，實時關注本專業(yè)方向的最新發(fā)展動態(tài)，有針對性由淺入深地將最新科研成果引入到教學中以激發(fā)學生的求知欲，使學生主動參與到科研中來。例如筆者結合研究方向微腔器件與物理，在講解“均勻平面波反射與透射”時，只帶領學生推導導電媒質(zhì)分界面的垂直入射，根據(jù)電磁邊界條件得出分界面上電場振幅反射和透射系數(shù)，強調(diào)入射介質(zhì)中的電場為入射波和反射波的疊加，把具體的科研問題——平面微腔器件結構設計引入課堂教學。平面微腔是典型的集成光電子器件，而光電子集成又是信息技術的發(fā)展新方向。平面微腔（尤其是光學微腔）結構設計中，比較重要的一個參數(shù)是有效腔長的確定。有效腔長的大小不但包括兩反射鏡之間的光學距離，還應包含兩端反射鏡的相位穿透深度。以電磁波在介質(zhì)/金屬界面反射為例，讓學生了解相位穿透深度的概念。

介質(zhì)/金屬界面的反射系數(shù)為。其中和分別為入射和出射介質(zhì)（金屬）的波阻抗，其中為復數(shù)。因此，為復數(shù)。一般金屬反射鏡的反射率接近于1，即，為界面上反射波相對入射波的位相延遲。

假定入射電場為，經(jīng)界面反射后入

射介質(zhì)中的合成電場為，

即合成電場為行駐波場。

當時，合成電場取最大值；當時，合成電場取最小值。

駐波比，由于接近于1，因此駐波比接近無窮大，即入射介質(zhì)中的電場接近于駐波場。不同于理想介質(zhì)/理想金屬界面，此時界面處并不是駐波的波節(jié)，其波節(jié)位置由合成電場取最小值時所對應的z值確定，如圖1所示。

取n=-1，所對應z值即為金屬的相位穿透深度（如圖1標注）。

2.多媒體與傳統(tǒng)板書相結合的教學手段

多媒體教學相對于傳統(tǒng)板書教學具有自身的優(yōu)越性，它可以在文字、圖形的基礎上增加圖像、動畫、聲音、影像等，將傳統(tǒng)教學手段很難表達的教學內(nèi)容或無法觀察到的現(xiàn)象利用視覺和聽覺的形式展現(xiàn)出來，使抽象復雜的問題簡單化，枯燥難懂的知識形象化。比如在分析波從波密媒質(zhì)到波疏媒質(zhì)傳播且入射角大于臨界角時透射電場的分布時，如果僅從公式推導得出透射電場的形式，學生很難直觀地理解透射波的傳播情況。此時就可以通過MATLAB編程來再現(xiàn)透射電場，學生就能夠直觀地看到透射波（表面波）沿分界面?zhèn)鞑サ湔穹诖怪庇诜纸缑娣较蛏习粗笖?shù)規(guī)律的衰減情況。這時告訴學生表面波的等幅面和等相面垂直為非均勻波，學生就會產(chǎn)生深刻的理解。多媒體授課可以提高課堂教學效果，提升教學質(zhì)量，但并不是所有的課程都適用多媒體教學。比如電磁場這門課有很多公式推導，如果一味地依賴多媒體就會造成講課節(jié)奏過快，學生理解消化時間減少，反而不利于課堂教學效果的提高。因此，這門課程適合采取多媒體和傳統(tǒng)板書相結合的方式進行授課。

3.嘗試開設相關實驗

“電磁場與電磁波”作為工科電類專業(yè)的技術基礎課，具有理論性強、概念抽象、數(shù)學基礎要求高等特點。要想提高教學效果，應設法使復雜的問題簡單化，抽象的概念形象化。目前開設的課堂演示實驗有：電（磁）介質(zhì)的極化（磁化）、均勻平面波在非導電媒質(zhì)和導電媒質(zhì)中的傳播、波的極化、均勻平面波在理想介質(zhì)（導體）界面上的反/透射及表面波等。為了進一步提高學生的動手能力，使他們在實驗中驗證所學理論，筆者正計劃開設實驗課，實驗內(nèi)容初步定為：電磁信號的波速、波長和相位常數(shù)的測量；電磁波的極化；電壓駐波比測量；電磁波的反射與透射；電磁場與電磁波的計算機仿真等。通過實驗教學環(huán)節(jié)，從測量基本參量入手，利用專業(yè)測量儀器研究波的傳播、極化等特性。

4.設置合理的考評機制

課程的考核是督促學生學習、檢驗教學效果的重要手段，其最終目的是使學生更好地掌握專業(yè)基礎知識和相關研究領域的應用。這門課的成績?nèi)Q于學生的綜合表現(xiàn)，包括學生平時出勤情況、作業(yè)完成情況、課堂與老師的互動情況以及期末考試成績。每個學期會不定期抽查學生出勤情況，出勤成績占總成績的20%。另外，平時作業(yè)占總成績的20%，期末考卷成績占總成績的60%。課后習題讓學生自己在課下練習，而需要交的作業(yè)是結合具體工程實例的設計或者論述題，沒有具體的參考答案，避免出現(xiàn)敷衍、互相抄襲的現(xiàn)象。此外，根據(jù)學生平時課堂發(fā)言以及與老師互動情況，還設立獎勵分，最高10分，這部分直接計入總成績。

5.不斷提高自身素質(zhì)和教學水平

教學活動中，教師首先要尊重學生，熱愛學生，以學生為中心開展教學工作。課堂上要保持熱情，每次上課之前都要抽出幾分鐘把上節(jié)課的主要知識點回顧一下，讓學生輕松過渡到教師接下來要講授的內(nèi)容。課上列出綱領和精華部分，對有些問題給出思路，然后結合具體的科研和工程問題，讓學生掌握更多新的知識和科研前沿。穿插一些有關人生的感悟和思考，讓學生在輕松的氣氛里學習，培養(yǎng)積極向上的人生觀。除了以滿腔的熱情對待事業(yè)和學生外，教師還要自覺高標準地塑造自身的人格，才能以自身健康的人格培養(yǎng)學生的人格。在教學中還要不斷充實自己，完善教學資料，跟蹤最新的教學和科研成果，積極參加高等學校電路和信號系統(tǒng)、電磁場教學與教材研究會，跟兄弟院校電磁場教師進行交流，不斷提高教學水平。

三、總結

針對我校光學、光學工程碩士專業(yè)方向和電子科學與技術、電子信息科學與技術兩個本科專業(yè)就業(yè)的需要，以及目前“電磁場與電磁波”課時大幅縮減的教學現(xiàn)狀，提出了從教學內(nèi)容、科研促教學到教學手段、實踐教學等一系列的改革思路，目前已取得了初步成效。下一步的目標是增加課外實驗內(nèi)容，通過實驗驗證并鞏固所學理論知識，激發(fā)學生的學習興趣，進一步增強學生的創(chuàng)新能力。

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注：蘇建坡為本文通訊作者。