“電磁場理論”課程教學方法探討

朱凡

摘要：本文討論了“電磁場理論”課程教學的現狀，針對課程在以往教學中存在的概念理論抽象、教學內容零散、計算繁多、基礎知識與實際應用聯系存在缺失這幾個問題，進行了深入的理論分析和探討，以教學內容優化融合為主線，轉變教學觀念，提出了基于MATLAB的可視化教學、基于模塊化的教學和增加以往知識的復習與總結等教學方法，通過精心組織安排教課內容，讓學生積極參與到教學過程中，旨在使抽象的理論變得可視化，提高授課效果，實際教學實踐表明該教學方法充分激發了學生的學習興趣，提高課堂效率，獲得很好的教學效果。

關鍵詞：電磁場;教學現狀;教學內容;教學方法

中圖分類號：G642.41 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2015）23-0271-02

隨著以4G為代表的新通信技術的迅猛發展，該產業對電子信息類專業人才的需求也呈逐年遞增的趨勢，“電磁場理論”課程作為電子信息工程專業的一門重要的專業基礎課程，也是微博技術與天線、通信原理等后續課程的基礎[1-3]。在教學方式上也需要隨時代進步，同時，對教師教學質量和效果上的要求也越來越高。

一、對我校“電磁場理論”課程教學現狀的分析

本課程以物質存在的一種特殊方式——電磁場為基礎，講述了電磁場基本規律、靜態場（包括靜電場、恒定電場、恒定磁場）平面波、電磁波的反射和折射、電磁輻射等基礎理論問題[4，5]，涉及到的概念、理論較多。本課程是用高等數學的方法來研究磁場（包括恒定磁場、時變磁場），涉及到較多的高等數學的知識，公式推導較多，計算復雜，需要學生具備堅實的數學基礎。此外，電磁場不僅涉及時域、頻域，還涉及空域等，要求學生具有良好的空間想象能力、抽象思維能力和邏輯推理能力。這些對于少數由于數學基礎不牢固的學生，導致其入門學習困難、無法深入的理解掌握本課程知識。隨著教學改革的不斷深入和發展，以及信息時代培養寬口徑人才的需要，要求學生學習的課程門數呈現不斷增加的趨勢，在總學時不變的情況下，也必然使每門課程的平均學時有所下降，在教學內容不變的情況下就只有增加每節課的授課內容，這樣在一定程度上加重了學生的學習負擔。根據近三年學生的學習時間的分配來看，學生對本課程的有效學習時間的投入也是非常有限的，因此如何更有效地利用課堂50分鐘時間，提高課堂授課質量，這對教師教課水平提出了更高的挑戰。綜上所述，“電磁場理論”課程具有數學基礎要求高、公式繁多和理論性強、概念抽象等特點。課本上繁多的公式也給很多學生的學習帶來很大的困難，學生不清楚哪些公是重要的，或者哪些需要熟練記憶的。另外，由于受傳統教學手段的限制，電磁場的三維特性和電磁波的波動性等抽象內容無法生動、形象地展示給學生，使得許多學生無法理解從這些模型中建立起來的許多概念，從而影響對整個課程的學習。

二、教學內容及方法的改革

1.課程設置方面的改革。學科教研組針對以往教學中的經驗和教訓，參考其他兄弟院校的課程設置，總結“電磁場理論”所需的基礎知識主要包括：電路分析、高等數學（微積分、齊次方程部分）、線性代數、大學物理（電磁學部分）等，后續課程主要包括：“微波技術”、“無線通信”等。考慮到“電磁場理論”也是一門重要的研究生入學考試的專業課程，因此，將本課程安排有原來的大學本科四年級下學期調整到大學本科三年級下學期，此時學生也已經修完相關的基礎課程，能夠更好地接受本課程的內容，也為大四考研的學生提供了另外的考研方向課程選擇與指導。

2.教學內容的組織。總結筆者近三年的教學經驗，從教學大綱出發，把教學內容分解為以下幾個方面：矢量計算基礎、場論基礎、麥克斯韋方程組、典型靜態場分析。第一部分的內容是課程計算的基礎，在此教學中盡可能回顧有關線性代數和微積分的計算，使學生在接觸本課程開始有個前期知識的預備。第二部分是本課程的理論基礎，在講解過程中注重模塊化的講解，讓學生清晰地看到所學知識點在整體的場的表述中的位置。使學生能夠從整體把握所學到的知識。第三部分是本課程的核心和難點，可以從學生已學過的課程中導出麥克斯韋方程組，闡述電場與磁場密不可分的聯系，最后由麥克斯韋方程組根據不同場的特點，過渡到靜電場、恒定電場和恒定磁場的相關計算。以上由已知帶出未知、由淺入深的組織安排教學內容，大大降低了本課程的理論難度和對計算復雜的接受程度，教學質量大大提高。

3.教學方法的改進。①增加以往知識的復習與總結。針對本課程所公認的公式繁多、物理量眾多的特點，筆者在教學過程中總結了幾個關鍵的物理量，例如D（電位移適量）、E（電場強度）、H（磁場強度）、B（磁感應強度）、J（電流密度）、A（矢量磁位），并指導學生在每次上課開始上課前有目的的復習這些物理量。根據教學內容進度，逐步地展開各物理量之間的內在聯系。例如在講解完靜電場的相關理論之后，讓學生自己組合討論小組，圍繞靜電場所涉及的各個物理量，由高斯定理出發，總結靜電場所涉及的理論及計算公式。在講解麥克斯韋方程組時，通過已經學過的定理和定律來引入該知識點，如圖1示，其中法拉第定律、安培換路定律、高斯定律和磁通連續性定理都已經是學習過的理論，所以在此基礎上分析電場—磁場間的內在聯系，對以往零散知識的梳理與總結，幫助學生更好地鞏固與掌握所學的知識。②MATLAB可視化教學。在電磁場理論的教學中，基本上是用數學語言來描述物理現象，教師在講解內容時會用到大量的數學知識，如拉普拉斯方程、泊松方程、散度、旋度、矢量運算等，可以利用MATLAB強大的計算及圖形演示功能[6，7]，把它應用到本課程教學中，考慮到大三下學期已經開設過MATLAB編程課程，其特點是語言簡潔易懂，上手快，用簡單的幾條命令就可以代替煩瑣的計算，并能把計算結果以圖形形象直觀的顯示出來，為此筆者在教學過程中考慮對于抽象的物理概念和模型，例如矢量線（電力線、磁力線）及等位線，利用MATLAB強大的圖像演示功能，在MATLAB環境下繪制電磁場圖，將抽象的電磁場的分布具體化、可視化，能夠直觀地模擬和演示各種電磁現象，給出直觀的圖像，更加形象、精確、可視性很強，從而激發了學生的學習興趣，并鍛煉了他們使用計算機的能力，收到了較好的教學效果。③模塊化教學。針對場論理論概念繁多的特點，注重強調從場的概念出發，涵蓋本章所有的知識點，如圖2為場論第一章的知識點總結框圖，使學生清楚正在學習的知識點位于整體場論的位置，是為解決什么問題而提出的。例如：通量是表述場在一個區域中總的情況，而不能說明該區域內每個點場的性質，所以提出了散度的概念，來研究場中任一點矢量場與場源的關系。這樣的思路使得學生學習的理論有根有據，增強學生對整體理論的理解。同時，模塊化的框圖形式也使得零散的知識點變得有聯系性和系統性，學生可以從更高層面上整體理解和把握所學的知識點，加深學生對理論的掌握，提升教學效果。

三、結語

通過對以上教學內容與方法的改進，很多枯燥難懂的理論變得較容易接受，學生的學習積極性顯著提高。通過引入MATLAB可視化教學，提高了講課效率，同時也讓學生從原來枯燥乏味、復雜的計算中解脫出來，把重心放在對概念的建立和理解上，以培養學生對電磁場知識產生濃厚的興趣，激發他們的積極性和創造性。

另外，對于零散知識的模塊化整合，使課程內容變得更有聯系性和系統性，學生對基本的理論和分析計算方法掌握情況有了顯著提高，學生考試不及格人數控制在5%以下，在近兩年的教學實踐中，“電磁場理論”課程的教學質量與效果有了很大的提高。

參考文獻：

[1]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，（4）：95-96.

[2]張具琴，賈潔，吳顯鼎.“電磁場與微波技術”課程的改革與實踐[J].中國電力教育，2012，（17）：54-55.

[3]張會芝，劉艷芳.通信工程專業電磁場理論課程教學探索[J].中國現代教育裝備，2009，（8）：107-108.

[4]謝處方，饒克謹.電磁場與電磁波[M].北京：高等教育出版社，2003.

[5]鄔春明.電磁場與電磁波[M].北京大學出版社2008.

[6]孫朋，張曉東.高壓線工頻電場數學模型及仿真[J].電力建設，2005，（4）：39-42.

[7]周立鵬.MATLAB在電磁場教學中的應用[J].科技信息，2009，（35）：516：517.endprint