電磁場理論課程教學改革和實踐研究

陶凱晨 武向農

摘 要 電磁場理論課程是高等院校通信與電子信息類及相關專業本科生的必修課程。針對該課程難教、難學、難懂的特點，結合謝處方編著的高教版教材（第四版），從教學理念、教學內容、教學方法及課程作業等多方面提出教學改革和實踐方案的思路，以期降低學生學習難度，有效提高教學質量。

關鍵詞 電磁場理論；教學改革；課程作業；高等院校；教材

中圖分類號：G652 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2018）14-0093-03

Studies on Educational Reform and Practices in Course of Theory

of Electromagnetic Fields//TAO Kaichen， WU Xiangnong

Abstract The theory of electromagnetic field is a compulsory course

for undergraduates majoring in communication and electronic infor-

mation and related majors in colleges and universities. The fourth

edition of the textbook edited by Xie Chufang in the Higher Educa-tion Press is used. As we all known， this course is characteristiced by

hard to teach， hard to learn and hard to understand， In the paper， tea-ching reform and practices are proposed from different viewpoints， such as ， teaching concepts， teaching contents， teaching methods， homework， and so on. It is anticipated to be useful in reduce the difficulties of students and helping teachers improving their teaching qualities.

Key words theory of electromagnetic field； teaching reform； course-

work； colleges and universities； textbook

1 引言

隨著科學技術的發展，電磁場與電磁波也得到迅速發展。其跨學科發展也十分迅猛，已深入物理學、電氣工程、冶金工程、機械工程、電子科學技術等多個學科，并衍生出多個交叉學科主題。各大高等院校紛紛開設電磁場理論課程，它是通信工程、電氣工程及其自動化等相關專業的必修課。電磁場理論這門課以學生已學完的高等數學、大學物理課程和一部分復變函數與數理方程知識為基礎，讓學生在學完該課程后能掌握電磁場和電磁波兩方面的基本概念與基本理論，為今后學習其他專業課程（如通信原理、光纖通信、移動通信、微波和衛星通信等）打下基礎[1]。

在多年的教學實踐中，電磁場理論這門課程的教學面臨很多困難。該課程理論性強，知識點多，公式繁雜，特別是很多概念非常抽象，不同于以往的概念，難以理解掌握。更難的是融合各種高等數學基礎知識，計算過程繁復，特別是對數學基礎薄弱的學生而言真是難上加難。學生普遍感覺電磁場理論難學難懂，甚至不少學生會“談電磁場理論而色變”?，F有的教學模式已較難適應該課程的發展，迫切需要對該課程教學理念、教學內容和教學方法等加以改革發展，以及通過對學生課后作業情況的了解，有針對性地對其反映出來的問題進行一對一指導，注重培養學生上課積極性以及解決問題的自信心[2]。

在電磁場理論教學中，各高校主要使用高等教育出版社出版的謝處方等編寫的《電磁場與電磁波》（第四版）和楊儒貴編寫的《電磁場與電磁波》（第二版）兩種教材。上海師范大學通信工程專業本科生在教學中使用的是謝處方等編寫的《電磁場與電磁波》（第四版），本文也以該版教材為基礎進行相關討論，相關方法理念適用于其他版本的教程。

2 教學理念改革

教學質量提升的關鍵在于教學理念和教學思路的轉變，雖然電磁場理論課程開設已經很多年，但是教學理念并沒有得到很大提升，改變最大的就是從以往的板書教學轉變為現今很普遍的PPT教學。教學理念自始至終都是以教師為中心，教師教多少，學生就學多少，教學進度由任課教師根據經驗把控，其中不乏滿堂灌、堂堂灌的現象。學生只能被動地接受教師所教的內容，很難發揮自身的主觀能動性，很多學術不愿意去學，上課容易走神。但電磁場理論這門課程又是連貫性很強的一門課程，一不留神就會跟不上課程進度，發現的時候為時已晚。不少學生反映：課程開始時很想跟上課程進度，把電磁場理論這門課學好學精，但是很多時候分了一會兒心，回過頭來就發現跟不上教師的節奏了，很難繼續下面的課程，最終只能無奈選擇放棄。這樣就形成一個惡性循環，從而導致教學質量和教學效果大打折扣。

因此，提出對傳統的教學理念進行改革創新，極力主張將以教師為中心的教學轉換為以學生為中心的教學，從學生的不同自我、不同水平出發，充分發揮學生學習的主觀能動性，力求激發學生學習興趣，著重培養學生發現問題、分析問題、查找相關資料、解決問題的能力。教學目的要從教學生解題做題最終通過考試，轉變成培養學生具有開放、獨立、系統的思維方式，幫助學生建立系統的電磁場理論體系框架，引導學生系統分析看待問題。

3 教學內容改革

電磁場理論課程內容繁多，但在大多高等院校其所占課時又極為有限。為了避免滿堂灌、堂堂灌的現象，這就需要教師對教學內容有針對性地刪繁就簡。以上海師范大學為例，電磁場理論課程通常開設在本科二年級下學期，大部分學生已經預修大學物理和高等數學等公共課程[3]，對其中的電磁學以及矢量分析等部分內容都有一定印象。因此，教師在電磁場理論課程教學中可以對相關內容加以刪減，帶領學生迅速復習一遍即可。

教學時首先讓學生初步建立“場”的觀念，而后將教學重點放在麥克斯韋方程組以及靜態場和時變場的分析中[4]；

亦可通過生動形象的比喻來增強學生對基本概念的理解。如在討論“場”和“源”之間的關系時，可以用“雞”和“蛋”來對照解釋，通過對“先有雞還是先有蛋”的討論，加深學生對“場”和“源”關系的理解。鑒于電磁場理論課程連貫性很強的特點，可以在靜態場邊值問題、恒定場分析等課程學習過程中再度對矢量分析等基礎內容進行復習，以學促用。

還可以根據各高校培養目標舍棄部分純理論課程，以及將所需的理論內容與實際應用結合起來，用實例教學，提升教學內容廣度，開闊學生的眼界。例如：在均勻平面波的教學中，可以向學生介紹天線測量的相關知識；在介紹電磁感應時，可以順帶講解極低頻磁場的生物學效應；在電磁輻射的教學中，可以加入衛星通信系統及雷達傳感器等知識；在教趨膚效應時，可以介紹它在電磁屏蔽、金屬表面淬火中的應用等[5]。

通過這樣的教學內容改革，不但可以節省學時，還可以激發學生學習電磁場理論的興趣，讓學生在理解電磁場理論的基礎上對相應的實際應用也有所了解，從而有效提升教學質量。

4 教學方法改革

任何課程的第一節課都是至關重要的，基于電磁場理論課程的特點，第一節課對于電磁場理論課程后續的展開更是重中之重，第一節課沒有上好，可能直接導致學生產生厭學、畏學情緒。近代教育學之父揚·阿姆斯·夸美紐斯在《大教學論》中指出：“每門功課都應該這樣開始，使它能引起學生的真正愛好，做法是向他們證明它是如何的美好、有用、快意，是如何需要?！盵6]在電磁場理論課程的第一課中可以向學生介紹以下幾方面內容。

1）電磁學的發展史以及相關歷史人物軼事。如可以向學生介紹麥克斯韋從小就有很強的求知欲和想象力，愛思考、好提問的故事，一方面可以活躍課堂氣氛，另一方面可以引入對麥克斯韋方程組的介紹，培養學生對電磁場理論的興趣愛好。

2）針對有意向報考相關專業研究生的學生，可以簡單介紹各大高校電磁場理論碩士點研究生教學情況，向學生推薦適合的高校，并說明電磁場理論通常為初試必考科目，幫助學生提早定下目標，從而有針對性地準備考試，為研究生入學考試奠定基礎，讓學生對電磁場方向考研有個初步的認識。

3）結合市場人才需求，向學生介紹電磁場理論相關專業的在IT、通信等行業的就業前景，讓學生對未來的職業生涯有個清晰認識，不再以為該課程是對未來職業發展毫無關系的課程，從而達到激發學生學習興趣的目的。

4）告知學生學習電磁場理論的學習方法，如先理解后記憶，再理論聯系實際，最后實踐出真知。通過運用適當的學習方法，完全可以學好電磁場理論課程，幫助學生建立信心，克服心中對電磁場理論課程未學先畏的心理。

電磁場理論課程中許多物理概念非常抽象，傳統的板書式教學很難將這些概念清晰直觀地展現給學生。教師可以在教學過程中加入一些計算機軟件仿真，如用MATLAB軟件畫磁場的點位分布圖，用Flash展示磁場變化的實驗圖等。有條件的學校還可以通過晶體檢波器的校準、駐波比的測量、阻抗測量與阻抗匹配等實踐實驗課，讓學生加深對理論的理解。這樣既豐富了教學內容，又強化了理論的應用，讓教學能夠取得更好的效果。

5 課程作業改革

課后作業一直都是教學內容的重點之一，其重要性不言而喻。但是在現階段，眾多高校的課后作業如同雞肋一般“食之無味，棄之可惜”。就學生而言，課后作業本是為了幫助其鞏固課堂所學知識，但是有部分學生對于課后作業的態度十分隨意，甚至存在大量的抄襲作業行為，使得作業的答案千篇一律。這種環境下，課后作業不僅沒能幫助學生加深對所學知識點的理解，反而讓批改作業成為任課教師相當大的負擔。因此，對課程作業進行改革已經迫在眉睫。

開放性作業 教師在布置課后作業時可適量增加有思維發散性的題目。如可以讓學生就課本中的某個原理（如互易原理、惠更斯原理、亥姆霍茲定理等）舉幾個現實中應用的例子，然后選定其中一個應用進行深入調研，完成一篇課程論文。通過這樣的開放性作業，一方面由于沒有唯一正確的答案，可以避免學生抄襲；另一方面能夠激發學生去思考、去創新，有利于學生發散性思維的開發。

層次性作業 從教育心理學角度看，學生的身心發展由于先天稟賦以及后天諸多因素的影響，存在個體差異，要想讓不同層次的學生都能在完成作業的過程中獲得成功的體驗，任課教師就必須采取作業分層（難度分層、作業量分層、完成時間分層）的策略?？梢詫⒄n后習題按照難度系數進行劃分，以上海師范大學本科生電磁場理論教學第一章[7]課后作業為例，通過分析學生對各題目完成情況后，設定各個題目難度系數（如表1所示）。這樣將布置下去的課后作業統一劃定難度系數，可以讓不同基礎的學生自由選擇適合自己難度系數的作業習題，通過層層遞進的練習，最終徹底解決作業難的問題。

課后答疑 每個教學周可專門安排一節課時由任課教師對學生進行課后答疑輔導，可針對單個學生個體給予課程作業指導。上海師范大學電磁場理論教學中實行每周兩次任課教師坐班答疑、學期中期輔導和學期末輔導相結合的課后輔導答疑舉措，效果顯著，對學生幫助巨大。

6 結語

本文在多年教學實踐的基礎上，結合電磁場理論課程難懂難學難教的特點，大膽提出各項教學改革和實踐方案的新思路。在教學理念上，以學生自身發展為出發點，引導學生系統地分析看待問題；在教學內容上，根據學生的實際情況靈活調整，有針對性地進行取舍，并對難點增添實例教學和動畫演示等生動形象的內容；在教學方法上，強調第一堂課的重要性，并在教學中添加一些實踐實例和結合計算機仿真應用；在課堂和課后作業上，有針對性地提出布置開放性作業、作業按難度分層次、課后答疑等實際措施。多年的教學實踐證明，通過這些教學改革，能在保證教學內容的前提下形象豐富化教學內容，極大降低學生的學習難度，激發學生的學習興趣，增強學生的自信心，完成各項教學任務，有效地提高教學效率，增強教學效果，獲得較好的教學成效。

參考文獻

[1]許碧惠.“電磁場與電磁波”課程的教學思考[J].電氣電子教學學報，2009（3）：108-109.

[2]周宏威，張少如，黃曉舟，等.電磁場課程理論及實踐教學改革[J].實驗室研究與探索，2013（8）：371-374.

[3]陶鵬，武向農.電磁場理論課程教改實踐[J].中國教育技術裝備，2017（4）：105-106.

[4]李平，趙志輝.麥克斯韋方程組的教學新探[J].高等函授學報：自然科學版，2012（4）：28-30.

[5]烏拉比.應用電磁學基礎[M].尹華杰，譯.北京：人民郵電出版社，2007.

[6]張夢清.試論夸美紐斯的教學徹底性原則[J].文學教育，2016（7）：181.

[7]謝處方，饒克謹.電磁場與電磁波[M].北京：高等教育出版社，2006.