高等電磁場理論教學(xué)中物理思維培育的探索

丁亮 鄭月軍 肖科

摘要：高等電磁場理論是研究生專業(yè)核心課程，是本科電磁場理論課程的深化和拓展。為了提高學(xué)生學(xué)習(xí)該課程的積極性，提高教學(xué)效果，在課堂教學(xué)中盡可能地采用物理模型、物理現(xiàn)象對概念和公式進(jìn)行講解，從而使學(xué)生對電磁場理論的概念理解可以更加深刻、更加物理。通過初步實踐該課堂教學(xué)方法，發(fā)現(xiàn)該教學(xué)方法能提高教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：高等電磁場理論；物理思維；研究生

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）24-0124-02

研究生課程《高等電磁場理論》是在本科生電磁場理論的基礎(chǔ)上將學(xué)生的電磁場理論水平提高一步，使其電磁理論知識進(jìn)一步系統(tǒng)化，為學(xué)生修習(xí)其他課程（如《計算電磁學(xué)》、《高等天線》和《導(dǎo)波場論》等）打好基礎(chǔ)，是一門承上啟下的專業(yè)核心課程。因此，在內(nèi)容安排上，以加強(qiáng)電磁理論的基礎(chǔ)為主，兼顧電磁領(lǐng)域的一些最新發(fā)展和一些最新概念。國內(nèi)大學(xué)一般具有較好的課程體系，教學(xué)內(nèi)容集中充足。《高等電磁場理論》課程學(xué)習(xí)需要鞏固基礎(chǔ)知識，同時需要在若干部分進(jìn)行深化和拓展，例如基本電磁理論中的本構(gòu)關(guān)系、電磁能量與功率的概念等。課程內(nèi)容較多，并且課程實施過程中有大量的公式推導(dǎo)，使用傳統(tǒng)的教學(xué)方法不能達(dá)到很好的效果，容易導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)熱情和積極性較低，課堂氣氛低沉[1]。為了確保授課效果，讓學(xué)生掌握知識點的同時，能夠盡可能地理解授課內(nèi)容，同時調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和學(xué)習(xí)興趣，我們需要在教學(xué)過程中重視電磁場理論中基礎(chǔ)的、重要的物理意義和物理本質(zhì)講解。將冗長的公式推導(dǎo)、復(fù)雜的理論“嚼碎”，在正常教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上增加物理本質(zhì)的介紹，可以使學(xué)生形成物理思維，從最底層的物理意義出發(fā)學(xué)習(xí)和思考，為后續(xù)的科學(xué)與工程問題研究打好基礎(chǔ)。

一、基本概念的物理解釋

電磁場理論課程中有許多抽象、易混淆的概念，學(xué)生接受課堂講授之后往往會處于比較迷惑的狀態(tài)。將這類概念通過從更加一般性的物理意義出發(fā)開始講解，對抽象的、易混淆的概念進(jìn)行解釋，往往會達(dá)到較好的效果。例如波導(dǎo)傳輸中的相速度和群速度，以及能速度這三個概念。首先相速度和能速度是針對單一頻率的概念，而群速度是包含一個頻點附近的一個頻段。

以上通過將均勻矩形波導(dǎo)中的波傳播問題分解成兩個方向的平面波，然后針對平面波進(jìn)行分析，使用投影的方法即可求得相速度和群速度。這是一種先使用歐拉公式，將模式場方程分解成兩個方向的平面波，然后再進(jìn)行分析的方法。另外還有一種直接用鏡像原理進(jìn)行等效，直接分析的方法。

首先假設(shè)一個波導(dǎo)截面，電場在Y方向上沒有變化，因此我們可以忽略波導(dǎo)的頂部和底部，將波導(dǎo)簡化成為間距為a的兩塊金屬板，波導(dǎo)中存在激勵S0。[3]

應(yīng)用鏡像原理，即可將問題轉(zhuǎn)化為

二、結(jié)束語

對理論性較強(qiáng)且應(yīng)用面很廣的專業(yè)核心課程，如電磁場理論，一般是涉及許多領(lǐng)域，例如雷達(dá)、遙感、地理勘探、生物電磁效應(yīng)、天線、無線通信、光子技術(shù)及高頻電路等[2]，教師局限于自身的知識面，課堂講授內(nèi)容很難覆蓋那么廣的領(lǐng)域，較好的教學(xué)方法是將底層的物理原理講透，這有助于適應(yīng)不同知識背景、不同理論基礎(chǔ)、不同應(yīng)用方向?qū)W生的需求。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱安福.“電磁場與電磁波”課程教學(xué)實踐與探討[J].中國電力教學(xué)，2013，（26）：45-46.

[2]Jian-Ming Jin，Theory and Computation of Electromagnetic Fields[M].John Wiley & Sons，Inc.，2015.

[3]Richard Feynman，Robert B.The Feynman lectures on physics.Pearson Education，Inc.，1989.