電磁場理論教學中遇到的問題及其改進思路

邱立存 華北理工大學 信息工程學院

1 引言

電磁場理論體系是現代科學技術的重要構成，它的每一個定律、定理和公式都對人類社會科技發展產生了深刻的影響，改變了社會的生活方式。它是人類知識寶庫中的精髓，更是相關專業工程技術人員必須掌握的基礎理論。一直以來，高等院校電子類專業都將電磁場理論列為最重要的專業基礎課。通過此課程的學習，使學生建立較完整的電磁場理論體系架構，進一步掌握足夠的電磁場基本理論和應用研究方法。能夠用場的理論和波動理論來分析解決所遇到的相應的實際問題，并為微波技術、電磁兼容及光纖技術等知識的學習打下基礎。但對于電磁場理論課程學生普遍反映難學，教師也感到難教，教學效果不理想。在此，根據多年的教學經驗，對電磁場理論在教學中遇到的問題及其改進思路進行介紹。

2 問題

對于電磁場理論教學中普遍反映的難學難教的問題原因，可歸納成以下幾點：

2.1 前序課程學過部分內容，這樣，學生再學習電磁場理論課程時，會有似曾相識的感覺，覺得學過相關的知識內容，從而會對相應的課程學習產生厭倦情緒，不認真學習。

2.2 課程內容復雜抽象，尤其是課程里的數學知識大部分是矢量數學知識的應用，散度、旋度，梯度、拉普拉斯運算等，并且概念抽象，公式繁多，內容枯燥，會產生未學先懼的畏難情緒，從而影響學生學習積極性。

2.3 課程內容與實際應用結合不緊密，由于電磁場理論屬于專業基礎知識，致使其內容與現今人們經常接觸到的科技應用較遠，學生不了解電磁場理論與實際應用的聯系情況，甚至有許多學生認為電磁場理論在將來就業后沒有用處。這種心態直接影響了學生的學習興趣。

2.4 學生學習動力不足，由于學生到大學后，有一種喘口氣的思想，想緩解一下高中階段學習的緊張情況，致使到大學后學習有所松懈，尤其是對電磁場理論這樣公認的難學課程更是受到影響，顯現出有的學生學習動力不足。

3 解決思路

對于上述問題，根據多年教學經驗，有針對性地提出以下解決思路：

3.1 課程內容進行適度調整

電磁場理論講述的就是電磁學的理論知識，而大學物理中講述的電磁學，是電磁學針對所有工科學生普及性的講解，雖然也是圍繞麥克斯韋方程組展開，但前者更加系統、詳細、全面、深刻。大學物理電磁部分重點在于概念的介紹，向初學者講述麥克斯韋方程組的來歷，分析方法雖然引入場論，但是還是以代數學為主，而電磁場理論是從場的理論，應用大量矢量數學進行場的分析的，涉及內容也更加豐富全面。

雖然電磁場理論的部分內容，在物理課程中進行過一定程度的介紹， 但是，對于工程技術人員所從事的相關工程應用和理論研究工作，物理課中講述普及性基礎知識是遠遠不夠的。所以電磁場理論的深入學習還是十分必要的。

規則2或3被改變。規則3本質上是由規則2衍生而來且針對3*3式圖形密碼中心點的規則。這兩條規則有兩種方式微調。一是改變線段本身性質，二是改變線段經過點的規則。前者可以改變線段的連貫性，后者改變可以根據圖形性質改變經過某些點次數。本文設計了以下密碼規則。

針對學生在進行電磁場理論學習過程中，已有一定的相關知識基礎，可以略講，一帶而過，避免重復性大量講解。對于電磁場理論課程中新出現的知識要詳細講解，使學生了解透徹。這樣既可以減輕學生的厭倦情緒，又可以將緊張的課時更多的用在需要詳細講解的內容上，當然對于前序課程涉及到的內容究竟略講到什么程度，應根據課堂上與學生互動時，了解到的學生掌握程度來加以決定，適當進行調整。

3.2 適當簡化數學推導內容

電磁場理論這門課需要大量的高等數學知識進行分析計算，包含大量使用矢量數學進行推導分析，公式繁雜眾多，而這正是此課程的難點，也是學生學習此課程最感頭痛的地方。如果能把課程教學中推導分析進行簡化，就可以一定程度的減少課程的枯燥程度，減少學生的畏難情緒。但數學推導也不能一概簡化，數學推導的簡化也要有所取舍，可舍的能簡化學習的枯燥程度，但要對電磁場理論整體的理解沒有影響，對于關系全局的或重要的理論推導一定要講透。基于以上原則對于數學推導的簡化思路如下：

3.2.1 結論不關系全局的數學推導從略

有些理論的數學推導十分繁瑣，但得出的結果僅僅得出一個孤立的結論，甚至只有定性的意義，不具有定量分析的意義，這樣的數學推導可以略講。比如導體系統的電容的講解是從電位系數、電容系數到部分電容，推導方程很龐大，內容枯燥，最后只是得到自部分電容、互部分電容的概念，并且多導體之間的電容很難進行數學分析計算，這樣的推導可以簡化，即電位系數稍加講解，可盡快給出包含部分電容的方程以及部分電容的概念。

3.2.2 所得結論僅是為后面分析進行鋪墊的理論推導可從簡

有些理論推導僅僅是為了得到一個數學結論，而這個數學結論也僅是為在其后的理論推導中進行一次引用而已，這樣的推導也可以從簡。比如電偶極子產生的電場，磁偶極子產生的磁場，它們經大量推導得到的電位表達式和矢量磁位表達式，僅是在其后介質極化、介質磁化的相應電位、矢量磁位的推導分析中引用一次，其結論對其它電磁場知識的理解沒有關系，這樣的數學推導可以簡化，盡快給出結論就可。但對于電偶極子和磁偶極子的引入、定量描述以及物理含義一定要解釋清楚，僅僅是簡化數學分析部分。

3.3.3 類似的理論推導可簡化

電磁場理論課程內容中不同場的有些推導過程、原理非常相近，這樣的數學推導，在第一次進行詳細講解后，后續相近的推導可借鑒前面推導的思路或結果，從而簡化繁瑣的數學推導，簡化數學推導并不是完全回避數學內容，而是要詳略得當。只要講清分析思路，將重點放在結論認識上。

3.3 在理論講解時盡可能聯系實際

任何理論的發展都是離不開實際應用的，理論與實際應用的結合會提高學生的學習興趣，又可對電磁場理論知識實際應用有直觀的理解。但由于電磁場理論的知識特點，造成其與實際應用的聯系不如其它專業課程緊密，所以電磁場理論課程尤其需要在理論與實際應用之間加強聯系。這就需要在講解理論時，盡量介紹理論在實際中的具體應用，尤其是學生熟悉、感興趣的相關應用。

比如，在講解介質極化時涉及到極性分子，可聯系家庭常用的微波爐，說明微波爐為什么能加熱，因為水為極性分子受電場作用反復震動發熱，吸收電場能量，所以加熱食物時水分高的食物先受熱；同時水也可作為微波器件負載。

其次，講解色散時，可結合色散在數字通信技術中對通信容量提高的危害，談光纖通信采用大幅降低色散的單模光纖而提高通信容量的知識。

再次，講解平面電磁波對導體表面的垂直入射時，介紹隱形飛機外形隱身的原理。

3.4 立德樹人教育在課堂中的實施

教育部長陳寶生在新時代全國高等學校本科教育工作會議上指出，高等學校的根本標準就是立德樹人的成效。學校也強調要在課堂中的實施立德樹人教育。在電磁場理論課程進行專業知識講授過程中，根據實際課堂情況，穿插簡短的人文知識介紹可以達到立德樹人教育的目的，又可以避免因長時間專業知識學習給學生帶來厭倦情緒，從而活躍課堂氣氛。

4 結語

通過對電磁場理論教學存在的問題進行歸納，相應地采取措施進行針對性的解決，通過課程講授實踐證明，確實起到了降低課程枯燥程度，提高學生學習興趣，改善教學效果的目的。