電磁場理論課程教改實踐

陶鵬+武向農

摘 要 研究電磁場理論課程特點，分析該課程的教學與學習難點，提出教學內容、方法及教學手段的改革思路，以期提升電磁場理論課程教學質量。

關鍵詞 電磁場理論；仿真實驗；通信工程

中圖分類號：G652 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2017）04-0105-02

Abstract We have discussed the characteristics of the Course of the

Theory of Electromagnetic Field， analyzed the difficulties in teaching

and learning. The reformation of teaching content， method and tea-ching means have been put forward， then to improve the teaching quality of the Theory of Electromagnetic Field.

Key words theory of electromagnetic field； communication engi-neering； simulation results

1 引言

近幾年，科學技術迅猛發展，引力波的發現驗證了愛因斯坦相關理論的正確性，互聯網技術的大發展改變了現代人的生活方式，手機發展的日新月異使其成為人們生活中不可或缺的重要工具。而這一切的發展都離不開電磁場，以及對電磁場理論這門基礎學科的深入學習與研究。

電磁場理論的主要內容包括電磁理論必要的數學基礎、電磁場的基本問題、靜態場、時變電磁場、平面電磁波、導行電磁波、電磁波的輻射，是通信工程專業學生必修的一門重要的專業基礎課程。這門課程所涉及的內容既是電氣類專業學生，也是通信工程師應具備的知識結構的重要組成部分之一。電磁場與電磁波基本理論還是一些交叉學科（如生物電磁學、微波化學等）的生長點和新興邊緣學科（如計算電磁學、負折射率介質）發展的基礎。課程理論性強，概念抽象，公式推導較多，難度較大，對學生的數學知識及應用能力要求高。而電磁波又非常抽象，既看不見又摸不著，對于該課程的重難點——電磁波的傳播特性、工作狀態等就不太好把握。因此，該課程無論對教師的“教”，還是對學生的“學”，都有較大的難度。而且本課程的教學效果也多少影響學生對于后續專業課程的理解深度，如移動通信、微波通信、光纖通信等。因此，電磁場理論課程在電子通信工程專業建設中有著重要的意義。

2 教學內容體系改革

夯實數學基礎 電磁場理論課程對學生的數學基礎要求較高，涉及矢量計算、微積分、偏微分方程等數學工具，方法靈活。在上海師范大學，通信工程的教學安排在大二下學期，雖然學生已經學過高等數學等相關課程，但是到了學習本課程時，相應的數學知識已經有些生疏，或基礎不堅實，無法順利達到學習本課程要求，仍要花費相當氣力補數學基礎和基本計算。從以往的教學經驗來看，很多學生之所以在學習本課程時感到困難，就是因為數學基礎不牢。因此，在課程開始的第一章對課程內容相關的數學基礎知識進行復習，尤其是散度、旋度、梯度等矢量場分析內容以及微分方程求解方面的知識，并注意將這些數學知識和本課程中相關的物理概念聯系起來，為本課程的學習打下扎實的基礎。

整合電磁場教學內容 電磁場部分教學的傳統順序是靜電場、恒定電場、恒定磁場、時變電磁場等，從特殊的靜態場到一般的時變場。這樣的體系比較容易接受，但是與大學物理電磁學等內容交叉較多，在難易程度上有所加深，概念多、公式多、內容多，學生容易厭煩，花費學時也比較多，必將擠壓電磁波部分的學時。

因此，在本課程的教學中可以合理整合教學內容，從亥姆霍茲定理出發，將電磁場的散度和旋度作為核心問題，在大學物理電磁學基礎上，逐一分析靜態電磁場和時變電磁場的散度和旋度方程，以此引入麥克斯韋方程；然后利用麥克斯韋方程分析時變電磁場的基本規律，并最終把靜態場歸結為時變場的一種特殊形式。這樣的內容體系，既充分利用了學生已有的電磁學基礎，節省了學時，又可以深化對亥姆霍茲定理、麥克斯韋方程的認識，有利于學生高屋建瓴地掌握電磁場的一般規律。

更新教學內容，激發學生興趣 電磁場理論課程雖然理論性很強，但是也具有明確的工程應用背景。在教學中可以將基礎理論和應用背景結合起來，把電磁場理論的應用實例引入教學，充實工程應用實例。這樣既可以使學生接觸到工程電磁學的最新發展，又可以激發學生學習基礎理論的興趣。

例如：在教學電磁波在介質中傳播特性時，可以介紹煤礦井上下無線通信以及無線通信的方式；在教學電磁波極化時，可以討論中波天線、電視接收天線、衛星天線各自的形狀與極化方式之間的關系；教學趨膚效應，可以介紹它在微波爐屏蔽、金屬表面淬火中的應用等。

3 教學手段和方法改革

對于這門課所涉及的數學工具，如高等數學中的知識和矢量運算知識，要有專門時間復習，雖然會占用一定課時，但是非常必要，正所謂“磨刀不誤砍柴工”。如果不能很好地運用這些數學工具分析電磁場理論知識，一味地強行推進度，會影響學生對知識的理解，或者對于一些知識強記硬背，導致學生對問題了解不透徹，學習不扎實，必然引起學生對該課程的不自信乃至喪失自動學習的興趣，影響學習效果。因此，在課程第一章用幾個課時的時間來溫習，鞏固相關的數學知識是非常有必要的。

針對電磁場學習較為抽象，學生感官認知度較低，主要原因是課程所講授的知識相對比較抽象，似乎離實際生活特別遙遠。主講教師不妨從這里入手，找一些身邊乃至自然界、科技界與這門課程中的知識相關聯的地方，讓這些摸不著、看不見的理論與看得見、摸得著的事實相關聯，闡述其工作原理，解釋自然現象。讓學生從表面現象看到本質，然后由此深入闡述知識點，這樣就比較容易抓住學生好奇的心理，帶他們進入理論氛圍，真正從嚴謹科學的角度解釋問題。

通過這種手段，學生通常也會有恍然大悟的滿足感，會激發進行更深入探討學習的欲望。這就要求教師本身要事前下功夫，多收集一些資料，加以整理和歸納。也可以通過調動學生的積極性，讓他們去生活中挖掘事例，用課堂學到的理論知識來闡述，或者讓他們就一些經典案例進行課堂或課外討論等。通過這種方式讓學生不再認為這門課是玄而又玄、高深莫測的課程，也不是教師一個人的獨角戲，減少他們的心理抵觸，能夠積極參與到課堂教學過程中來。

4 教學過程改革

化難為簡，適當地根據課程內容，將一些適宜學生進行仿真實驗的知識通過使用計算機輔助手段，讓學生自己把相應知識通過圖形數值表現出來。并通過修改參數來體會由此引來的結論的變化，更深切地讓學生體會電磁場知識之間的因果關聯，從而從多種途徑理解消化知識點所闡明的道理。計算機輔助手段是一種方便、易用的教學輔助手段，讓學生很直觀地得到一些結論、結果，從而省去中間復雜的計算過程。當有輸入條件變化時，它也會很快給出相應的結果，能夠讓學生很容易領會電磁場中的邊界條件、介質環境、電磁方向等因素給結果帶來的影響，也就較容易把這些難懂或易混淆的概念區分開來。而且編程搭建數學模型的過程也是一個很好的梳理知識點及整理思路的過程，學生必然會在這樣的仿真實驗中有所收獲。

與科研項目結合，提高學生學習課程的信心，針對學生缺乏對這門課程對今后的專業培養以及專業生涯有何幫助的了解這一情況，如果教師能將一些科研項目同學生學習結合起來，將一些科研項目上的研究成果介紹給大家，甚至能將科研項目中難度較低、與教學知識點相關的項目內容提煉出來，讓學生參與解決，就會讓他們對這門課程有新的認識，不再以為這門課是對職業發展沒有任何關系或幫助的課程，從而也激發學習這門課程的熱情。

5 結語

本文通過對電磁場理論課程多年的教學實踐和體會，認真總結了該課程難教難學的原因，進行大膽的探討和實踐改革。在教學內容上進行了適當取舍，在教學方法上進行了科研教學結合和綜合應用比較法等的嘗試，在教學中合理應用多媒體教學手段吸引學生的興趣，以及在教學過程中加強針對關鍵問題和解題過程，多問答、多課堂互動解題等多種形式的課堂交流。實踐證明，這些實踐措施對學生而言有效降低了課程難度，增加了直觀和興趣，有效提高了該課程的教學質量和教學效率，為該課程的教學提供了有益的探索。

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