電磁場理論課程教改實踐

陶鵬+武向農(nóng)

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(nèi)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(zhì)量。

關(guān)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(shù)迅猛發(fā)展，引力波的發(fā)現(xiàn)驗證了愛因斯坦相關(guān)理論的正確性，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的大發(fā)展改變了現(xiàn)代人的生活方式，手機發(fā)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(fā)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(nèi)容包括電磁理論必要的數(shù)學基礎、電磁場的基本問題、靜態(tài)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(yè)學生必修的一門重要的專業(yè)基礎課程。這門課程所涉及的內(nèi)容既是電氣類專業(yè)學生，也是通信工程師應具備的知識結(jié)構(gòu)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(zhì)）發(fā)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(shù)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(tài)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(xù)專業(yè)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(yè)建設中有著重要的意義。

2 教學內(nèi)容體系改革

夯實數(shù)學基礎 電磁場理論課程對學生的數(shù)學基礎要求較高，涉及矢量計算、微積分、偏微分方程等數(shù)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(jīng)學過高等數(shù)學等相關(guān)課程，但是到了學習本課程時，相應的數(shù)學知識已經(jīng)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(shù)學基礎和基本計算。從以往的教學經(jīng)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(shù)學基礎不牢。因此，在課程開始的第一章對課程內(nèi)容相關(guān)的數(shù)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(nèi)容以及微分方程求解方面的知識，并注意將這些數(shù)學知識和本課程中相關(guān)的物理概念聯(lián)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(nèi)容 電磁場部分教學的傳統(tǒng)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(tài)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(nèi)容交叉較多，在難易程度上有所加深，概念多、公式多、內(nèi)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(nèi)容，從亥姆霍茲定理出發(fā)，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(tài)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(guī)律，并最終把靜態(tài)場歸結(jié)為時變場的一種特殊形式。這樣的內(nèi)容體系，既充分利用了學生已有的電磁學基礎，節(jié)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(guī)律。

更新教學內(nèi)容，激發(fā)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(jié)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(fā)展，又可以激發(fā)學生學習基礎理論的興趣。

例如：在教學電磁波在介質(zhì)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(wèi)星天線各自的形狀與極化方式之間的關(guān)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(shù)學工具，如高等數(shù)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(shù)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(guān)的數(shù)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(guān)聯(lián)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(guān)聯(lián)，闡述其工作原理，解釋自然現(xiàn)象。讓學生從表面現(xiàn)象看到本質(zhì)，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(fā)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(diào)動學生的積極性，讓他們?nèi)ド钪型诰蚴吕谜n堂學到的理論知識來闡述，或者讓他們就一些經(jīng)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?shù)馗鶕?jù)課程內(nèi)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(shù)值表現(xiàn)出來。并通過修改參數(shù)來體會由此引來的結(jié)論的變化，更深切地讓學生體會電磁場知識之間的因果關(guān)聯(lián)，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(jié)論、結(jié)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(jié)果，能夠讓學生很容易領(lǐng)會電磁場中的邊界條件、介質(zhì)環(huán)境、電磁方向等因素給結(jié)果帶來的影響，也就較容易把這些難懂或易混淆的概念區(qū)分開來。而且編程搭建數(shù)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(jié)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(yè)培養(yǎng)以及專業(yè)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(jié)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(guān)的項目內(nèi)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(yè)發(fā)展沒有任何關(guān)系或幫助的課程，從而也激發(fā)學習這門課程的熱情。

5 結(jié)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(jié)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(nèi)容上進行了適當取舍，在教學方法上進行了科研教學結(jié)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(guān)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(zhì)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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