“電磁場與電磁波”課程教學實踐與探討

摘要：“電磁場與電磁波”課程是電子科學與技術專業的重要基礎課程，針對課程難教和學生難學的實際現狀，以培養學生的興趣、提高工程應用能力為目標，結合理論教學和實驗教學，對課程的教學內容和教學方式進行了實踐與探討，強化了理論與實際相結合，采用多樣化教學方式激發學生的學習興趣，有效地改善了課程的教學效果。

關鍵詞：電磁場；教學內容；教學方法

作者簡介：朱安福（1972-），男，河南永城人，華北水利水電大學電力學院，講師。（河南 鄭州 450011）

基金項目：本文系河南省教育廳項目（項目編號：12A510017）、華北水利水電大學項目（項目編號：201027）的研究成果。

中圖分類號：642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）26-0045-01

“電磁場與電磁波”是電子科學與技術專業必修的一門專業基礎課程。隨著電子技術飛速發展，特別是電力電子設備密度不斷增加，數據通信傳輸速率和信道帶寬的提高，要求電子科學與技術專業學生和電氣工程師必須具備“電磁場與電磁波”方面的知識儲備。由于“電磁場與電磁波”理論性強，場與波的概念比較抽象，課程涉及公式的數學推導較多，課程難度較大。所以，“電磁場與電磁波”課程無論對教師的教學，還是對學生的理解掌握都有較大的難度。另外，本課程教學效果又直接影響后續專業課程的學習如微波技術、光電子技術等。[1]因此，“電磁場與電磁波”課程對于電子科學與技術專業學生是十分重要的。綜合教學內容和教學方法改革，加強理論聯系實踐，避免了簡單的理論教育，在“電磁場與電磁波”理論與實驗教學方面進行了有益的探索，近年來取得了一定的教學效果。

一、“電磁場與電磁波”課程內容研究

1.完整的內容體系

“電磁場與電磁波”教學內容必須和專業培養方案保持一致。華北水利水電大學使用的教材是西安交通大學馮恩信老師的《電磁場與電磁波》。該教材是國家級規劃教材，依據培養方案學時數由62學時調整到48學時。課程要求學生熟練掌握基本理論和基本分析方法，重點是理論基礎和知識體系的完整性，同時盡量避開繁雜的數學推導。“電磁場與電磁波”從科學實驗基礎出發，總結出電磁規律，根據電磁規律，針對不同的實際情況，采取相應的求解方法來解決不同的實際工程問題。課程涉及的大多數物理量是矢量場，分布是時間的函數，而且還是空間分布函數，概念比較抽象，而電磁場與電磁波又是看不見、摸不著的。此外，課程對學生的數學知識及其應用能力要求比較高，數學知識多要用到偏微分、多重積分、矢量分析和場論等。教學內容應該根據學時進行取舍：

（1）首先補充介紹矢量分析和場論內容，使學生更容易學習電磁場，有利于學生學習矢量場的分析方法，更好地建立電磁場的概念。

（2）以科學實驗的結果引出庫侖定律、安培定律、法拉第電磁感應定律，運用場論的數學工具歸納出電磁場方程，利用位移電流假設建立了麥克斯韋方程組。

（3）依次討論靜態場、時變電磁場以及電磁波的傳播與輻射特性。時變電磁場是重點，歸納了麥克斯韋方程組和物理理論基礎，需要掌握電磁波的數學描述、傳播特性。

（4）為了保證教學知識體系的完整性，同時為后續課程微波技術打好基礎，應該講解平面電磁波、電磁波的輻射和天線。[2]

2.理論聯系實際

在“電磁場與電磁波”課程教學過程中，為了提高學生的學習積極性，改善“電磁場與電磁波”的課堂教學效果，在授課內容中增加與實際生活以及電力工程相聯系的工程實例。通過了解生活中應用電磁場或者電磁波知識的實際例子，使學生掌握利用電磁理論原理分析解決實際工程問題。例如利用電磁理論分析微波爐與電磁爐的原理不同之處，微波爐加熱是利用微波煮飯燒菜的，這種電磁波可以穿過玻璃、塑料或陶瓷，碰到金屬就會發生反射，不會消耗能量。但是微波不能透過含有水分的食物，其能量反而被吸收，轉化為熱量加熱食物；電磁爐工作原理有所不同，電磁爐采用磁場感應的渦流加熱，首先控制振蕩電路產生高頻交流電，變化的電流通過線圈就會產生交變磁場，交變磁場感應在金屬鍋底產生無數小渦流，這些渦流的熱效應會使鍋體發熱，再加熱鍋中的食物，達到煮熟食物的目的。

3.實驗教學環節

“電磁場與電磁波”實驗教學環節是驗證電磁理論、增強理解電磁理論的重要手段，由于電磁場與微波實驗測試設備比較昂貴，建立實驗室需要很大的投入，電磁場與微波實驗課程主要通過電磁軟件完成仿真實驗，利用仿真軟件完成相關實驗是一個低成本的選擇，可以做演示性的基礎實驗，也可以進行創新研究性的實驗。使用Ansoft公司的HFSS（High Frequency Simulation Software）是利用windows圖形用戶界面的一款高性能的全波電磁場模擬仿真軟件，它易于學習，具有仿真、可視化、立體建模、自動控制的功能，使“電磁場與電磁波”問題能快速而準確地求解。仿真實驗教學內容可以根據學生的實際情況選擇合適的實驗項目，實驗項目不受固定實驗臺的功能限制。這種方式適應了目前高等教育提倡的增加研究性實驗的要求，特別是對于成績較好的同學，效果較好。軟件應用難度有點大，不能盡如人意，從長期來看應該建立電磁場與微波實驗室。

二、“電磁場與電磁波”教學方法研究

1.啟發式教學

在教學過程中采用實驗啟發式教學法，以實際工程問題為例啟發學生思考。在教學過程中以教師講授為主，多媒體授課并適當結合板書。對重要定理和公式，應該詳細推導，用黑板手寫進行講解，這樣能加深學生對知識的理解。對一些復雜繁瑣的公式不做過多推導，把課程講授重點放在物理概念、物理模型和基本分析方法上。整體教學思路在科學實驗的基礎上，啟發學生運用電磁場理論推導，利用數學工具分析討論，最后歸納概括電磁理論，然后介紹利用電磁理論解決實際工程問題。[3]在課程中講一些電磁科學發展的名人軼事，如麥克斯韋在總結前人的理論基礎上提出位移電流假說，預言電磁波的存在，后來赫茲怎樣用實驗驗證了電磁波的存在。

2.培養學生的科學方法和思想

在教學過程中，不僅要學習前人的科學成果，還要引導學生學習前輩進行科學研究的方法，注重培養學生的研究科學方法和思想，如對稱性與不對稱性的科學思想。在很長一段時間里電學和磁學的研究是兩個獨立的分支，丹麥學者奧斯特真正把電和磁聯系起來，他首先發現在電流線周圍的小磁針發生了偏轉，也就是說電能產生磁。法拉第遵循對稱性的科學思想設想磁應該能產生電，拉第發現電磁感應定律。看起來，電與磁的相互聯系已經相當完善，然而麥克斯韋發現磁的時間變化可以產生電，依據對稱性的科學思想得出電的時間變化可以產生磁，提出了位移電流思想的假設。麥克斯韋采用了分析流速場的環量、通量、散度、旋度來描述電磁場，用精確的數學語言建立了麥克斯韋方程組，預言電磁波的存在，這正是對稱性思想在電磁理論發展史上所起的作用。[4]另外也讓學生認識到數學工具在科學研究中的重要地位，要求學生加強數學學習和工程應用。

3.綜合利用多媒體

在教學過程中采用多媒體結合板書進行教學，一些難理解的電磁波等理論通過電子教案、錄像的演示更為直觀，可以利用仿真軟件演示，天線的實物照片讓學生容易掌握電磁理論的工程應用。授課過程中始終堅持互動教學，結合復雜背景中紅外與雷達數據融合的目標識別研究項目，介紹雷達的目標識別的原理，使學生對電磁波有了感性的認識，這充分激發了學生的求知欲。多種媒體擴大了涵蓋的內容，達到圖文并茂，提高了學生學習的效果，提高了學生的觀察能力、分析推理能力、歸納應用能力。

4.研究性學習能力的培養

授課教師結合科研工程項目給學生布置有關大作業，例如目前研究熱點——物聯網中關鍵技術射頻識別技術RFID，[5]利用RFID技術完成智能停車場管理系統的汽車定位設計，安排學生查閱文獻掌握RFID系統的原理和主要涉及的電磁理論知識，要求學生完成學習目標后提交一份報告，該環節還可以為畢業設計或繼續深造打好基礎。

三、結束語

“電磁場與電磁波”理論發展迅速，“電磁場與電磁波”課程教學方法和教學內容必須與時俱進，力求教材新穎，內容充實，還要選擇合理的教學方法才能取得較好的教學效果。需要每一個教師認真探討與研究，更需要多總結和廣泛交流。電磁理論研究特別關注科學方法和科學思想，通過課程與實驗內容的改進，電子課件的合理運用、因材施教，最終使學生積極主動地參與到教學活動中來，從而提高學習效果。結合課程大綱要求，引入先進的教學理念，合理選擇教學模式，靈活運用各種新的教學手段，最終目標在于提高課程教學質量，使學生具備扎實的電磁理論基礎知識，掌握基本分析方法，從而提高學生利用電磁理論解決實際問題的工程技能。

參考文獻：

[1]夏祖學，李少甫，胥磊.《電磁場與電磁波》課程教改實踐探討[J].實驗科學與技術，2012，10（3）：77-78.

[2]馮恩信.電磁場與電磁波[M].第三版.西安交通大學出版社，

2010.

[3]張起晶，孫桂芝，邊莉.電磁場與電磁波課程教學改革研究[J].黑龍江教育（高教研究與評估），2011，（10）：47-48.

[4]梁昌洪.關于電磁理論的若干思考[J].電氣電子教學學報，2004，

26（1）：1-15.

[5]林相波，劉軍民.“電磁場與電磁波”課程教學中的幾點思考[J].電氣電子教學學報，2009，31（2）：95-96.

（責任編輯：王意琴）