“信通類專業”背景下“電磁場與電磁波”課程改革創新的研究

凌濱　宋夢實　張耀生　王鐵濱

摘 要：目前全國各個大學正在逐步實施“相近專業類”的招生和培養。文章從“信通類專業”建設的現狀出發，提出對“電磁場與電磁波”課程的教學內容改革、教學方法改革和實驗課程改革，并對改革進行分析和實踐驗證。實踐證明，這些改革，提高了教師的教學質量和學生的學習效率，有助于“信通類專業”的改革創新。

關鍵詞：電磁場與電磁波； 信通類專業；相近專業類；改革創新

“電磁場與電磁波”是“信通類專業”的一門重要的專業基礎必修課。隨著計算機技術和電類技術的快速發展，這方面的工程師對“電磁場與電磁波”理論知識的需求越來越高。近幾年，科技的不斷進步與發展，新理論和新技術的不斷出現，寬口徑科技人才的需求越來越高。為了適應時代的發展，給其他新出現的課程騰出時間，該課的課時一直在減少，所以需要調整該課的教學內容、教學方法和實驗課程。

1 課程現狀分析

“電磁場與電磁波課程教學方法創新的研究”是東北林業大學教改課題。“電磁場與電磁波”課程是東北林業大學機電工程學院 “信通類專業”（電子信息工程與通信工程）的一門專業必修課，現需要將64 學時減為40學時理論課和8學時實驗課。在40學時內完成理論知識的教學，對老師而言，必須采用精簡滿堂灌輸教學模式；對學生而言，上課時間必須一直保持專心聽課的狀態，很少有時間當場理解所聽內容，并且因為電磁場與電磁波的公式、定義等較為抽象，難以理解，因此，學習效果非常不好。雖然在學習電磁場與電磁波之前，學過大學物理、電路和高等數學，已經有了一定的基礎知識，但是大強度的理論知識和實驗知識的灌輸，讓學生學習起來難度加大，這樣不利于“信通類專業”的建設和長遠發展。

2 教學內容、方法的改革

2.1 教學內容的改革

2.1.1 矢量分析內容改革

矢量分析主要包括：梯度、旋度、格林定理等內容。由于這章內容簡單，容易理解，因此將這章的學時減為4學時，其中，課后習題等內容的答疑在“數字東林”上進行。

2.1.2 電磁學基本定律、靜態電磁場和時變電磁場的內容改革

靜態場、恒定場、時變場為電磁場的三大場量。傳統教學模式是按照靜電場、恒定電場與恒定磁場、時變電磁場這樣的順序進行授課，這樣的授課方式較為耗時。麥克斯韋方程組囊括了靜態場、恒定場、時變場的電磁基本特性，是研究宏觀電磁場現象的理論基礎，是電磁學理論的核心。學生在學習電磁場之前已經學習了大學物理，這門基礎課含有電磁學的基礎知識。因此為了節省學時，同時增加學生對電磁學理論的掌握，采用在講解麥克斯韋方程組理論的過程中穿插講解靜電場、靜態電磁場和邊值問題的方法。

課程教學的大致方向為：首先系統地講解電磁場理論的一些基礎知識；接著由電磁場的基本方程導出麥克斯韋方程組，并進行分析；最后對電磁場運動的基本規律和基本定律進行分析，了解電磁場的主要內容。

具體的課程教學順序為：首先講解電荷守恒定律及相關知識、靜電場的基本規律及相關知識、恒定磁場的基本規律及相關知識、媒介的電磁特性及相關知識；接著講解法拉第電磁感應定律和位移電流等理論知識；然后綜合以上電磁場理論知識，導出麥克斯韋方程組，并進行講解；最后講解電磁場的邊界條件及相關知識。該部分課程內容擬安排12 學時。電磁場規律可用表1表示。

時變電磁場這部分的課程講解相比傳統教學變更不大。該部分主要講解波動方程、電磁場的位函數及相關知識、電磁能量守恒定律、唯一性定理、時諧電磁場及相關知識。該部分課程內容擬安排8 學時。

2.1.3靜態電磁場及其邊值問題解的內容改革

關于靜電場、恒定電場、恒定磁場的靜態電磁場的分析和其邊值求解問題在實際工程項目中有著廣泛的應用。因為這部分內容較難理解，單獨將其作為麥克斯韋方程組的一個特殊形式進行授課。該部分課程內容擬安排4學時。為了節省課堂的教學時間，對于該部分的鏡像法，通過“數字東林”的習題答疑進行講解。

2.1.4均勻平面波的傳播、反射與透射的內容改革

因為學時少，以及后續課程微波與天線會講解有關電磁波的知識，因此這部分的課程教學內容主要為：均勻平面波及其相關知識、電磁波的極化及其相關知識、均勻平面波在導電媒質中的傳播及其相關知識、色散與群速、均勻平面波的反射與透射。該部分課程內容擬安排12 學時。

2.2 教學方法的改革

為了提升教學質量，在教學內容改革的基礎上，優化教學方法，使之更為貼近改革后的教學內容。優化教學方法，主要包括以下三個方面：教材選用、教學方式選擇、考核資源建設。

2.2.1教材選用

選用高等教育出版社出版，謝處方編著的《電磁場與電磁波》作為教材，其內容難度適中，邏輯性好，易于講解，學生容易理解，符合課程改革后教材選用的要求。

2.2.2 教學方式選擇

隨著科技的進步，人的意識發生改變，傳統板書的教學方式不再適合當今課程教學的需要，多媒體與板書相結合的教學方式適應時代的潮流，利于老師課程的講解，也利于同學課上課下的學習。“電磁場與電磁波”課程理論知識多而復雜，并且需要推導的數學公式和定理多，需要耗費老師大量的上課時間進行板書，采用多媒體技術完全可以避免這個現象的發生；一些理論知識抽象，難以理解，如均勻平面電磁波的傳播、極化波等，難以用通俗易懂的語言解釋明白，但是利用多媒體技術通過動畫可以對之進行動態的演示，讓學生更加容易的理解。不過對于課程中的重點、難點，還是采用板書的方式進行授課，放慢速度，重點講解，提高學生的聽課效率。對于課程中的重點難點采用板書授課的教學方式，對于抽象的理論采用多媒體進行演示的教學方式，二者的相互結合方便了老師的授課，提高了學生的學習效率。

2.2.3 考核資源建設

考核資源的建設，指的是建設“電磁場與電磁波”課程相關習題的試題庫。

“電磁場與電磁波”的知識點多而雜，且公式概念等較為抽象，難以理解，僅僅通過課堂老師的講解，是很難掌握的，通過做大量的習題可以提高對公式概念的理解，有助于學習這門課程，因此，我們用網絡“慕課”制作了“電磁場與電磁波”試題庫。習題庫中，結合多本“電磁場與電磁波”課程的相關書籍，針對課程中各個典型的問題，整理了大量的參考習題。每節課結束后，給學生布置相關的課后習題，學生通過“數字東林”進行解答，老師通過“數字東林”進行批改和答疑，并將學生作業中好的習題解法填充到試題庫中。當學生對一個知識點不理解時，可以通過做相關的習題，提高對該知識點的理解程度，方便了學生的學習。本題庫同樣利于教師的教學，教師可以通過這個平臺掌握學生們的學習情況，并且可以通過對習題庫中的習題進行篩選，得出一套可以高質量的試卷。

3 實驗教學的改革

為了讓學生更加容易理解和掌握“電磁場與電磁波”課程的相關知識，必須將理論和實踐結合起來。

各類高校很少開設“電磁場與電磁波”課程的實驗課，目前東北林業大學“信通類專業”的學時要求只能容許開設2個4學時的儀器操作實驗，不能滿足教學大綱的要求。針對該現狀，對實驗教學進行改革，在實驗課程中增加一些Matlab等軟件進行仿真的實驗項目。電磁場與電磁波處于肉眼不可見的狀態，通過抽象的想象和儀器實驗很難理解電磁理論和電磁現象。Matlab是一種科學計算軟件，能夠通過數據對一些現象進行模擬。通過Matlab可以對一些實驗現象在三維空間的分布進行模擬，有助于學生們對電磁理論和電磁現象的理解。通過這樣的實驗學習，學生的觀察學習能力、綜合分析能力、實驗編程能力都會得到大幅度的提高。

4 結束語

對于教學內容的改革，充分考慮前期課程和后續課程的安排，保證“信通類專業”課程設置的系統性。對于課程教學方法的改革，運用了多媒體技術和板書相結合的教學方式。對于實驗教學的改革，增加了 Matlab仿真實驗。這些課程的改革，讓學生更加容易理解和掌握“電磁場與電磁波” 課程的理論知識。通過教學內容、教學方法、實驗課程的改革，激發了學生的學習興趣，提高了學生的學習效率和教師的教學質量。

參考文獻：

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編輯/岳鳳