《電磁場與電磁波》課程教學思考

管愛紅

摘要：《電磁場與電磁波》課程是電子信息類學生專業基礎課，針對這門課程難學又難教的現狀，文章分析了目前《電磁場與電磁波》教學中存在的問題，針對這些問題，提出了幾條課程改革思路，以便學生更好更快地掌握《電磁場與電磁波》的基本理論、基本規律，訓練分析問題、歸納問題的科學方法，培養用數學方法解決實際問題的能力。

關鍵詞：電磁場與電磁波；電子信息工程；教學改革

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）14-0227-02

一、引言

《電磁場與電磁波》這門課程是電類專業學生必修的技術基礎課，是電氣工程師必備的基礎知識，而且《電磁場與電磁波》這門課程知識非常系統，學好這門課程對學生分析問題解決問題的能力有很好的訓練作用，培養學生用數學方法解決實際問題的能力。電磁理論在我們生活中各個方面有廣泛的應用，電磁場作為能量的一種形式，是當今世界最重要的能源，電磁波作為信息傳輸的載體，成為當今人類社會發布和獲取信息、探測未知世界的重要手段。但是要學好這門課程要求學生的數學基礎要好，由于很多同學高等數學和數學物理方程的基礎太差，導致他們在學習這門課程時難度很大，以至于大多數同學感覺這門課程太難，被同學們稱為理工科學生的“四大名補”之一。實際上這門課程知識非常系統，掌握住課程的主線，掌握住解決問題的固定步驟，學習起來并不難。

二、《電磁場與電磁波》教學存在問題

目前我校電子信息工程和電子科學與技術兩個專業開設《電磁場與電磁波》這門課程，安排的大三上學期，學生大一、大二兩年學完了高等數學、大學物理、復變函數與積分變換、數學物理方程等課程，為學習《電磁場與電磁波》這門課程儲備了一定的數學和物理知識。但是由于部分學生數學基礎打得不牢固，而且又間隔了一年左右的時間，造成再用這些知識的時候不能得心應手。《電磁場與電磁波》這門課程理論性強、概念抽象、公式繁多，需要掌握的定理和定律20個以上，重要公式40個以上，這些公式和定理如果不掌握，《電磁場與電磁波》的題目就無從下手，而且教材上電磁場的基本規律都是嚴格意義上的數學推導而得到的物理場的數學規律，繼而對數學物理模型的解析解和數值解進行定性、定量分析，最終得出電磁場的物理性質。在推導過程中，不僅要求具有基本的物理知識，還要能靈活地運用高等數學、復變函數和數學物理方程中的一些經典性的解法。此外，由于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，從而影響整個課程的學習。總體說來，這門課程對學生來說難度很大，造成學生缺乏學習興趣，考試不及格率較高。

三、課堂教學改革探索

1.聯系實際生活激發學習興趣。這門課程的第一節課我都要先講一個緒論，講這門課程的用處，講電磁場理論的發展歷史，講電磁場電磁波在生活中的應用。講電磁場理論的發展歷史的時候，講到學生曾經在中學物理和大學物理中見過的很熟悉的名字，他們會覺得很有意思，名人重大發現的經歷同時也是對學生的很大的激勵。講電磁場理論的應用時，講到電話、電報、電視、廣播、衛星通信、GPS定位、3D電影等技術，更是和我們的生活息息相關，同學們很容易產生濃厚的興趣。講到第二章中一節媒質的電磁特性時，我們生活中的電器微波爐就是利用電介質的極化特性實現食物的加熱，理論聯系實際一方面激發了學生的學習興趣，另一方面加深了其對內容的理解。

2.及時總結發現規律。《電磁場與電磁波》里有太多的定理和公式需要記憶，這也是同學們學不好這門課程的重要原因，如果這些定理和公式根本都記不住就更不要提應用，大學生們到了大三，都對自己的將來有了規劃——考研或者工作，考研的學生對考研的課程學習非常認真深入，其他課程過關就好，找工作的學生更多關注學什么能對找到好工作有幫助，考研的課程里面考《電磁場與電磁波》這門課程的專業很少，所以大部分同學學習這門課程的目的都是為了學分，不愿意下很大的功夫深入學習。所以要求老師對基礎知識及時總結，通過不斷地總結發現里面的規律。比如真空中電磁場的基本規律和媒質中電磁場的基本規律，方程的形式類似，有了這些基本規律得出麥克斯韋方程順理成章。

《電磁場與電磁波》中的習題都有一定的難度，但里面都有規律可循，比如已知電荷分布求電場，經常要用到高斯定理，找到電場分布的對稱性，找到高斯面，問題的求解迎刃而解。第五章均勻平面波在無界空間中的傳播中，解決問題的時候也是，首先寫出波函數的一般表達式，然后根據條件分別求出電場的振幅、初位相和傳播因子，根據電場和磁場的關系求出相伴的磁場。

3.多媒體授課結合板書。電磁場的量大部分都是矢量，有大小又有方向，大小和方向隨空間和時間變化，對矢量的數學處理復雜度遠遠超過標量，遇到矢量的面積分、線積分學生無從下手。教材中關于均勻平面波在無界空間中的傳播、波的極化和駐波、行波等，對于學生來講是很抽象和難想象的。利用多媒體課件具有生動、直觀、形象的優點，以動畫、圖形的形式將抽象枯燥的內容變得形象生動，使復雜的物理過程變得更加簡單直觀，這樣大大提高了學生的學習興趣。多媒體授課作為一種新技術有很多的優勢，每堂課的知識量大，授課方式較為單調。不知不覺老師就講了太多的知識，學生長時間連續聽講，易形成枯燥的情緒和疲勞的心態，為緩解學生聽課的緊張度和疲勞度，不僅要求教師授課運用豐富的教學技能和教學語言，同時也要求教師用課堂教學常用的示范法、教練法等各種教學技能去配合多媒體課件的使用。做好多媒體授課和黑板板書的合理結合。采用黑板板書的形式，板書課堂教學內容的框架及重點，同時為學生做好課堂筆記贏取時間。并通過生動、富有感染力的教學語言去激發、引導和配合學生的思維活動，既鍛煉學生的基礎思維，又注意培養學生的創造性思維和批判性思維。所以教師平時要注意加強形象化知識的積累，比如收集圖表、動畫，制作Flash動畫，不斷豐富完善多媒體課件。endprint

4.多講例題加深理解。電磁場與電磁波的基本規律、公式非常多，為了加深對公式的理解，應該多做題加深理解，每個知識點都選擇典型的例題進行詳細的講解，并歸納出解題思路規律。例如為了加深學生對高斯定理的理解，這方面的例題一定要精講，讓學生通過電荷的分布形式找到電場分布的某種對稱性，找到容易進行積分的高斯面，這類題目的關鍵是找到高斯面，通過解這類題目，學生更好地理解了電位移矢量對封閉面的通量僅僅和該封閉面所包含的電荷量有關。恒定磁場中的安培環路定理也是描述磁場的一個非常重要的規律，由電流的分布分析磁場分布的某種對稱性，找到所要積分的環路，這一步是確定磁場的關鍵，通過積分確定磁場。通過解這類題目，學生更深刻地理解到磁場強度對閉合曲線的環流僅僅由該閉合曲線所鉸鏈的電流決定。

另外，利用課外時間定期對學生進行答疑，電磁場電磁波教材的內容非常多，在課堂上能夠講的例題非常有限，基本上每個知識點最多1～2道，僅僅利用上課的90分鐘要讓同學們都理解很難做到，如果學生在課下看書或者做題是經常會遇到不會或者不懂的地方，如果不及時地解決，學生慢慢地就會掉隊，導致最后放棄這門課程的學習。所以老師應該多抽時間采取各種途徑及時解決學生的疑問，比如電話交流、網上交流或者電子郵件交流等等，加強師生之間的溝通，老師可以及時發現同學們的問題，了解他們的學習狀態，鼓勵他們好好學習，通過這樣的溝通相信同學們學習這門課程的興趣會更濃厚，老師也能在和同學們的交流中改進自己的教學方法，豐富自己的教學經驗，更好地服務于學生。

5.嘗試開設新實驗。受實驗條件的限制，大部分高校都沒有開設相關的實驗內容，我校開設的《電磁場與電磁波》課程54個學時，全部為理論學時，目前很多高校嘗試開設《電磁場與電磁波》的實驗。但是硬件實驗設備大都為單臺套，僅適合實驗演示，實驗過程程序化呆板，學生動手機會少，缺乏手腦互動，因此雖然投資大，但收益少。利用軟件仿真可以實現“少投入，高收效”的建設目標，并能夠激發學生學習熱情和興趣，促進學生自主分析、解決問題能力的培養；比如利用Ansoft Maxwell軟件進行靜電力、靜磁力、電容、電感等的計算，并與理論結果相比較。學生可以通過仿真實驗，學習邊值問題的求解，學會如何加載源和邊界條件，從而加深對電磁場的理解。Maxwell軟件提供了非常形象直觀的電力線分布和磁力線分布矢量圖，學生可以通過自己設計的仿真程序觀察到電磁場分布的情況。所以我們《電磁場與電磁波》課程建設的下一步的目標是增加課內實驗內容，通過實驗驗證并鞏固所學理論知識，激發學生的學習興趣，進一步增強學生的創新能力。

四、結論

通過分析電磁場電磁波這門課程目前存在的問題，提出了幾個教學改革探索的方向，通過聯系實際激發學生的學習興趣、及時總結發現規律、把多媒體教學和板書有機結合、多講例題加深理解和開設實驗，最終讓學生能夠愿意學習這門課程，并且能夠學好這門課程。面對《電磁場與電磁波》這門公認的難教又難學的課程，我們要發揮知難而進的精神，多下功夫，多探索，多創新，相信功到自然成，有付出也必然有收獲，用自己對待工作的精神感悟學生，所謂教書育人的道理就在這里。

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