電磁場課程教學改革探索

郭玲 何鋒 黃新

摘要：電磁場是一門重要的，難度較大的專業基礎課程。通過總結電磁場課程的特點，從教學內容和方法上對課程進行教學改革探索。引導學生更容易理解電磁場的相關概念、定律和公式，提高學生的學習積極性和學習效果，進而能夠更好地掌握其應用。

關鍵詞：工科課程;教學改革;電磁場;教學方法;科學方法

中圖分類號：G642 ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）35-0194-02

Exploration of Reforms Teaching of the Electromagnetic Field Course

GUO Ling， HE Feng， HUANG Xin

（Guilin University of Electronic Technology， Guilin 541004，China）

Abstract： Electromagnetic field is an important and difficult professional foundation course. By analyzing the characteristics of electromagnetic field course， this paper explores the teaching reform of the course from the teaching content and methods. By guiding students to understand the relevant concepts， laws and formulas of electromagnetic field more easily， students' learning enthusiasm and learning effect can be improved， and then the students are able to better grasp the application.

Key words： engineering courses; educational reform; electromagnetic field; teaching method; scientific method

1 引言

電磁場是我校測控技術與儀器專業本科生的專業基礎必修課，也是電子信息科學與技術專業、通信專業的主干課程，對后續課程的學習具有重要意義。該課程包含了矢量分析、靜電場、恒定電流、靜磁場、時變電磁場、平面電磁波的傳播、導行電磁波等內容[1-2]，具有概念抽象，數學公式和推導多、邏輯連貫性強等特點[3-5]。這些特點使得學生感覺電磁場難以理解，云里霧里，積極性受到嚴重打擊，更別說進行工程應用了。因此，針對《電磁場與電磁波》課程普遍存在的問題，本課程需在如何調動學生積極性，提高學生理解和能力等方面進行改革。

2 課程特點

電磁場對學生來說是難以理解的一種物質，因為它看不見，摸不著，所以在相關概念和定理上比較抽象，學生很難理解。比如說，電場是什么？磁場又是什么，它們之間有什么關系？又是怎么傳播的，電磁波如何產生，極化如何理解，又如何判斷極化方式等。這些概念和特性由于“看不見，摸不著”，及其考驗學生的空間想象力，所以，概念抽象是電磁場課程的一個主要特點。

為了能夠定性定量地描述“看不見”的電磁場，只能采用數學的方式來表達。并且，因為電磁場本身的特性，很多物理概念和推導涉及了矢量運算，微分、積分等，再與電磁場結合在一起。對于數學較好的學生，需要學生從數學方法到物理概念的過度;而對于數學基礎差的學生，其困難就不僅僅是概念的過渡了，還有對數學本身的理解和應用。比如說，為了解釋時變電磁場的特性，就必須要理解麥克斯韋方程組，而麥克斯欸方程組涉及了數學上的標量、矢量、梯度、旋度、微分、積分的概念，如果不理解數學上的這些概念，就無法理解其在電磁場中描述的是什么特性。因此，煩瑣的數學公式和推導成了電磁場的另一個重要特點。

數學本身是一門邏輯性強的科目，電磁場涉及大量數學推導，因此，電磁場也成為一門邏輯連貫性強的課程。這說明，如果課程的某一個知識點學生沒有掌握好，會影響接下來牽涉到這個知識點的所有章節內容。

基于上述特點，電磁場這門課對學生的抽象理解能力、數學能力和邏輯能力提出了較高的要求，也對教師如何選取合適的教學方法幫助學生更好地掌握這門課發起了挑戰。

3 電磁場教學內容改革措施

3.1 夯實數學基礎

數學是電磁場的基礎。對于電磁場的規律定理，很多都是使用數學表達式來說明的，比如哈密頓算符，行列式，矩陣等。因此，在講解電磁場之前，必須要“喚起”學生對于這些數學符號和計算方法的記憶。這些知識雖然學生以前學習過，但是大多數學概念學生早已有些模糊，因此需要學生將相關的數學知識進行“復習”和理解，以便將數學和物理結合起來，進一步理解電磁場的特性。

3.2 追本溯源

對于電磁場的各種定理，比如高斯定理，安培環路定理等，都是前人通過推導和總結得到的，而不是憑空出現。只有知道電磁場的定理公式是如何推導和證明的，才能進一步理解這些公式的運用和局限性。這里所說的“推導講解”重在方法上的連貫和推演，而不是具體到每一個步驟和公式，因為這些追本溯源的講解最終是為了學生能夠更好地應用，而不是讓學生運用數學知識再證明一次，這個講解需要把控好過程，否則容易將電磁場這門課講成“數學課”。

3.3 課內實驗

課內實驗是電磁場的一個重要內容，它能夠幫助學生更直觀地理解電磁場，也是培養學生實際動手能力的一種手段。實驗一般根據專業的不同，設置1～3個實驗較為合適，本校測控專業為了幫助學生更好地理解電磁場特性，設置了三個實驗，分別是波的干涉和極化現象的觀察，矩形波導（同軸線）中導行電磁波的觀測和微波阻抗的測量，這些儀器設備都是在電磁場的實際應用中所使用的，能夠讓學生將理論和實際結合起來。

4 電磁場教學方法改革措施

4.1 引入及時反饋方式

電磁場的特性以及相關公式很多，由于課時的限制，老師認為較簡單的一些公式就講得比較少，但是某些基礎差的學生就可能會卡在這里，又不好意思打斷上課進程，最后困惑越來越多，課后無從問起，以致失去了學習興趣。因此，及時掌握學生的情況是至關重要的。但是傳統課堂有上百位學生，一一知曉每個學生的情況是很困難的，這就需要學生及時向老師反饋，通過課堂互動來實現。目前將傳統課堂與線上結合得較好的一個PPT插件是雨課堂，通過雨課堂的彈幕功能，能夠在上課的時候及時看到學生發出的“求助”信息，老師可以通過這些信息了解學生的困惑，及時交流和解答。同時，手機上能夠顯示PPT，避免了后排學生看不清黑板的難題。

4.2 引入回放機制

在課堂上學生很難保持長時間的專注力，而且每個學生的專注程度也不一樣，有經驗的老師可以根據學生的專注程度調整講課的節奏，但也只能照顧大部分學生。為了讓學生能夠在課后回顧上課時老師講的內容，這里我們引入了線上授課時采用的回放機制。在線下講授PPT時使用雨課堂的直播功能或者騰訊課堂，就能夠將上課的視頻存放在網上，學生能夠隨時回看，進而幫助學生及時查缺補漏，也對那些課程沖突的重修生提供了學習的途徑。

4.3 三維動畫模型的建立

電磁場和電磁波牽涉到偏振方向、傳播方向、能流方向以及在不同坐標系下各個坐標軸分量等，但是對于學生來說，這些表達式和符號很容易混淆，而且如何選擇合適的坐標系也理解得不夠深刻。這就需要建立具體的三維動畫模型來幫助學生理解電磁場究竟處于什么狀態，如何判定這些情況，行波、駐波的波形是什么樣的，隨時間和空間是如何變化的，從而推出它們的特性，進而對電磁場建立起正確、穩定的模型。

4.4 公式具象化

理解電磁場的公式是一個關鍵問題，而正是因為公式的抽象性使得電磁場的學習變得困難重重。因此將電磁場課程變得可視化是一個趨勢[6]。比如積分、微分、矩陣、行列式，還有電磁波的時域和復數表達式等，學生對公式如果不夠理解，就不會運用相關定理列出積分式或微分式等。為了讓學生進一步理解公式，對公式進行具象化是一個方法。通過Matlab將公式具象化變成圖，或者動態圖，讓學生知道公式的各個變量對結果產生了怎樣的影響。

4.5 引入直播答疑

傳統電磁場的答疑方式是課后固定時間固定地點答疑，一周大約一次，這顯然是不夠的。因此，現在我校大多數課程與時俱進地建立了QQ答疑或微信答疑等。但是直群里在群里答疑顯然不像線下答疑那樣自由地寫畫。為了克服這個問題，我們引入了直播答疑來對線下答疑進行補充。除了線下答疑的時間，我們還增加了一個固定的線上答疑時間，通過雨課堂或騰訊課堂的白板功能進行直播答疑，加強與學生的交流，重構教師與學生之間的關系，使學生學習更具有主動性[7-8]。

5 結論

通過分析電磁場課程的特點，從教學內容和方法上對課程進行教學改革探索。將這些教學改革應用到教學活動中，引導學生更容易理解電磁場的相關概念、定律和公式，提高學習效果，進而能夠更好地掌握其應用。

參考文獻：

[1] Bhag Singh Guru，Huseyin R. Hiziroglu.電磁場與電磁波（第2版） [M].周克定，等譯. 北京：機械工業出版社，2006.

[2] 謝處方，饒克謹. 電磁場與電磁波[M].第 4 版. 北京： 高等教育出版社， 2006.

[3] 石艷梅，郭映，秦娟，等.電磁場與電磁波課程教學方法探索[J].中國現代教育裝備，2020（11）：96-97.

[4] 李若舟，方玉明，于映，等.比較教學法在電磁場理論教學中的應用[J].科技視界，2020（7）：3-4.

[5] 李小燕，鄭金魁.電磁場與電磁波課程的教學探索[J].教育現代化，2019，6（79）：277-279.

[6] 馬天磊，曾慶山，羅勇，等.基于可視化案例的“電磁場”課程教學改革與實踐[J].電氣電子教學學報，2020，42（3）：30-33，40.

[7] 趙玉榮，姚玲，王亓劍.基于“雨課堂”的《電磁場與電磁波》課程教學改革研究[J].電子測試，2020（21）：112-113，90.

[8] 陳義明，傅自鋼，張林峰，等.基于雨課堂的深度學習教學模式——以離散數學為例[J].計算機教育，2020（8）：117-121.

【通聯編輯：王力】