《電磁場與電磁波》理論教學的探索與實踐

韓葉　湯一銘　常玉梅　許麗潔

【摘 要】“電磁場與電磁波”是一門重要的專業基礎課。為了提高學生的學習興趣， 本文針對該課程的特點及難點，對理論教學方法的改進進行了探索。實踐證明，這些方法取得了良好的教學效果。

【關鍵詞】電磁場與電磁波；理論教學；探索；實踐

中圖分類號： O441-4；G642 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）36-0129-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.36.055

0 前言

《電磁場與電磁波》這門課程是電類專業（如電子科學技術和通信工程等）必修的專業基礎課。該門課程的內容是在高等數學、線性代數等基礎上，圍繞麥克斯韋方程的求解，學習電磁場與電磁波的基本特性、分析方法，此外，《電磁場與電磁波》也是電類專業學生進行后續“微波技術”、“射頻通信”以及“計算電磁學”等領域學習和研究的基礎，是一門起著承上啟下的作用的重要課程。這門課程與大部分基礎課程相比，其課程理論性很強、概念較為抽象、數學推導繁多復雜，使得學生在學習過程中心生畏懼，產生不良的厭學情緒[1]。如何改進教學方法，提高學生的學習興趣成了該門課程教學的當務之急。

1 《電磁場與電磁波》教學現狀

《電磁場與電磁波》課程涉及知識廣，以高等數學、大學物理、復變函數等課程為基礎，要想學好這門課，必須有很好的數學和物理基礎。《電磁場與電磁波》涉及的公式和推導數量多且計算難度大，許多結論是由推導總結而得到的。公式推導需要用到大量的矢量運算、微分方程、積分方程等，求解的過程非常復雜，讓學生望而生畏。

另外一方面，這門專業基礎課又十分重要，學生被迫需要重視這么課程的學習，但最終只是體現在努力完成學習任務，而對于學習的內容無法產生興趣。

2 《電磁場與電磁波》教學特點及難點

《電磁場與電磁波》是學生認為難學的一門課程，也是教師教學中需要花費大量時間與精力的一門課程，主要原因如下：

（1）這么課程對學生的數學基礎要求高，在微積分、線性代數等工程數學知識的基礎上，數學公式繁多、理論公式復雜。如果學生前期的數學課程沒有掌握好，后期學習就會很吃力[2-3]。

（2）理論性較強，抽象的概念較多。電磁場本身就是看不到、摸不到的，其物理規律的研究又建立在許多數學模型之上，使得學習和研究的難度較大。

（3）教學的內容比較多，課程時間緊湊。這門課程通常有64個學時（4個學分），屬于課時量較大的課程了，但是相比較其大量的教學內容而言，課時量比較緊湊。花費大量課時過多地對定理和繁瑣的數學公式進行推導證明。

（4）教學方法較為單一。教學方法主要集中在理論教學，以老師講授為主，而且前后內容銜接比較緊密，一旦有知識點沒有銜接上，就很容易無法繼續學習[4]。

3 《電磁場與電磁波》教學方法改革

3.1 反復類比、對照知識點

由于課程的課時較長，每一章節的內容都非常多，章節之間的間隔時間長，學生對前面學過的知識很容易遺忘，因此要經常從這門課程框架體系的角度出發，理清前后知識的邏輯關系，便于學生對課程的內容有一個整體的把握。

此外，課程的內容前后有著非常強的邏輯對應關系，例如：靜電場與恒定磁場，恒定電磁場與時變電磁場，時變電磁場與時諧電磁場等。在場的基本特征、滿足的物理規律，以及衍生出的其他物理概念中，這些內容都存在著一一對應關系。因此，需要在學習新的內容時，將以往的知識拿來對照和類比，加強學生的理解和記憶，同時也提高學生的邏輯思維能力。

3.2 制作生動的多媒體課件

多媒體課件是一種有效地輔助傳統板書的教學手段。但在實際的教學過程中，部分教師僅僅是把書本上的文字、公式推導和圖片等固定的內容搬到課件中，并沒完全發揮其作用。多媒體課件中，還可以增加許多趣味和生動的內容，吸引學生的注意力，幫助學生學習。

例如，對于電磁場的傳播、電振子的輻射等問題，可以通過展示動態圖像和動畫，例如圖1所示，將原本枯燥并且抽象的問題變得生動形象，十分有助于學生對這些內容的理解。

3.3 緊密結合理論與實際應用

新時代下互聯網計算機技術迅速發展，借助新時代的產物能更好地具體化該課程的物理概念以及簡化計算等，有助于提高同學們的學習效果，因此進一步夯實課程內容，利用HFSS、ADS等商用的軟件來演示，在軟件中建模、仿真，得到一些具體的計算結果。

以天線為例，在課程教學中，課本中講述了天線的二維輻射方向圖，如圖2（c）所示，但是僅憑著這樣一條曲線，學生很難將其與天線的電磁輻射相聯系。因此，可以在HFSS這個全波電磁仿真軟件中，建立一個簡單的天線模型，如圖2（a）所示，并且通過仿真得到天線的三維仿真圖，如圖2（b）所示。這樣一來，學生對于天線輻射電磁波就有了更加深刻的理解，并且能夠讀懂二維方向圖了。

3.4 本科教學與科研相結合

不少學生在大二、大三就已經開始為考研做準備，想要繼續在本專業深造。因此，在本科教學中，也可以多向學生介紹一些這么課程目前的一些新方向、科研的新動態。

電磁場與電磁波的理論體系已經建立了幾十年，但是隨著科技的發展，在這套理論體系上的前沿研究卻層出不窮。除了向學生教授教材中早已成熟的基礎理論外，也可以多介紹現階段的一些前沿課題的新動態，鼓勵學生多參與此相關的電子競賽、科研訓練。例如，在學習基本的電振子天線理論后，多介紹一些目前的柔性天線、相控陣天線等技術的研究和應用背景，一方面激勵學生學習理論課程的興趣，另一方面也引發學生對前沿科學問題的好奇，從而引導他們為科學研究和科技進步貢獻力量。

4 結語

《電磁場與電磁波》作為電子信息類、通信工程類本科專業的一門專業基礎課，具有十分重要的核心地位。基于這門課程的理論教學特點，筆者提出了一系列的改進措施。實踐表明，從初步的實踐結果表明，這些改革對提升學生的學習興趣、提高邏輯思維能力有非常大的幫助，更提高了教學效果。

【參考文獻】

[1]賀明妍.基于成果導向及評量的《電磁場與電磁波》課程教學探討[J].科技創新導報，2017，14（19）：226-227.

[2]時晶晶.應用型高校“電磁場與電磁波”教學研究[J].合肥師范學院學報，2016，34（06）：75-77.

[3]張鋼.新時代《電磁場與電磁波》課程教學改革研究[J].山東工業技術，2018（24）：242.

[4]周焱.《電磁場與電磁波》課程教學改革研究[J].當代教育實踐與教學研究，2018（09）：91-92.