“電磁場與電磁波”教學方法再探索

蔡 奇 呂文俊 呂云鵬

(南京郵電大學 通信與信息工程學院， 南京 210003)

“電磁場與電磁波”是電子、通信類專業學生必修的專業基礎課，為學生后續學習“微波技術”“天線技術”“無線通信”等課程打下重要的理論基礎，對廣播、衛星通信、雷達等領域有重要指導作用[1]。利用電磁場理論方法和計算機輔助軟件分析解決實際問題也是電子、通信類專業學生不可或缺的能力儲備。由于該課程需要深刻洞察物理現象的數學本質，熟練使用微分方程、矢量分析等工具方法進行建模分析，因此對學生的數理基礎要求較高。此外，“電磁場與電磁波”各章節之間邏輯嚴密、環環相扣，從矢量分析到麥克斯韋方程組，再到靜態電磁場、時變電磁場、電磁波傳播等，學生很容易因為其中一環的概念沒理解透徹，或前期數理基礎欠缺而導致后續課程如同聽“天書”，出現學習效率低下、積極性下降甚至厭學畏學等一系列教學質量欠佳問題。

針對上述存在問題，如何增強學習興趣，充分調動學習積極性和原動力，緩解學生的抵觸心理、全面培養學生綜合素質，成為促進“電磁場與電磁波”課程教學質量提高的重要研究問題。以下將圍繞上述問題，立足課程教學現狀，結合教學實踐過程，從教學方法和課程思政兩方面展開探討。

1 “電磁場與電磁波”教學現狀

“電磁場與電磁波”是一門學生難學并且教師難教的課程，學習難度偏大，主要有以下原因：

1.1 教學方法枯燥單一

目前，該課程主要依靠課堂授課，強調授課教師的主導地位。這種授課模式不利于培養學生的學習興趣和積極性，容易產生“難學、枯燥”等消極情緒。加上各章節知識點多、邏輯性強、前后內容聯系緊密，學生會由于前面的知識點沒學好而導致后續知識點逐步脫節，從而降低學習積極性，產生厭學情緒。

1.2 理論教學與實踐教學脫節

“電磁場與電磁波”理論具有深刻的物理意義，然而受限于實驗條件和平臺，本課程很少有配套的實踐教學課時，較難做到理論聯系實踐。缺少對基本概念的直觀詮釋，就會導致數理內涵理解不深、死記硬背公式，無法活學活用。這容易使學生產生疑問：“學習這門課程有什么用？如何解決實際問題？”

1.3 學時緊張

“電磁場與電磁波”教學內容較多，然而只有48-56學時，這其中又有相當時間用于必要的公式推導證明。既要深刻詮釋物理概念、補充實踐環節，又要保持一定的習題課時，在課時受限的情況下顯然難以做到二者兼顧。

1.4 對數學要求較高

“電磁場與電磁波”的基本數學工具包括矢量分析、偏微分方程、積分方程、復變函數等，推導過程相對復雜，需要學生有較好的數學基礎和邏輯推導能力，因此普遍存在困難。

2 “電磁場與電磁波”教學方法

2.1 探究式教學

針對上述現狀，我們優化了教學模式，試圖充分發掘學生在教師引導下的自主學習潛能，能夠增強學生在學習中的參與感和學習興趣，培養解決實際問題的能力。例如在講解采用高斯定理計算均勻對稱分布電場的電場強度時，除了在課堂上對學生講解如何構建高斯面，還可以設計課后項目，提示學生利用庫侖定律、點電荷的電場強度及其疊加原理來計算已知電荷分布條件下的電場強度，進而引導學生探索球面非均勻分布時的電場強度如何求解[2]。這樣不僅可以讓學生對學習的新課及時復習，還可以對舊課進行回顧，串聯前后知識，形成學習遷移。

1.2 類比教學

類比法是物理類課程的重要教學手段之一，通過展示數理方程的齊次比擬關系，充分詮釋不同物理現象的共同數學本質(即：一套泛定方程可被分別用于描述完全不同的物理現象)，不僅生動形象、直觀易懂，而且對提高學習效率、提升邏輯思維能力極為有效[3]。例如，機械彈簧振子和LC諧振回路的類比，靜電場與恒定電場的類比、勻速圓周運動與時諧電磁場類比、二次曲線方程和二階線性偏微分方程類比、電磁學與經典力學類比、疊加原理在電磁理論和電路分析中的類比，等等。這些類比都有明確的數學模型和物理背景，兼顧定性比擬和定量分析，不僅有助于啟發學生鞏固已有的物理概念，而且為更透徹洞悉數理方程的物理含義，為掌握電磁場解析方法并靈活運用作了有益鋪墊，可以顯著提高學習興趣和積極性[4]。

1.3 計算機輔助教學

電磁場與電磁波理論對空間想象能力要求較高。在教學環節中引入Matlab、HFSS、CST等專業軟件，有助實現理論公式的可視化、形象化，例如：通過計算機輔助仿真手段展示電磁場和電磁波的三維分布情況，演示其動態傳播過程，讓學生直觀領會邊界條件、介質條件、電磁波傳播方向等帶來的影響，強化學生的理解[5-6]。特別地，以均勻平面電磁波的傳播、垂直極化波入射到兩種介質面、圓極化波等環節，可以采用Matlab繪制如圖1所示的動畫將物理現象直觀展示給學生，達到理解概念、洞察規律的目的，提高教學效果[7]。在此基礎上可進一步引導學生運用仿真軟件自行仿真濾波器、貼片天線等，培養運用所學理論解決實際工程問題的能力。

(a) 均勻平面電磁波的傳播動畫截圖

(b)垂直極化波入射到兩種介質面的動畫截圖

(c)左旋圓極化波動畫截圖

(d)右旋圓極化波動畫截圖圖1 計算機輔助教學的Matlab動畫截圖

3 “電磁場與電磁波”課程思政

課程思政建設是新時代教育教學改革的重中之重，習近平總書記強調：“要堅持把立德樹人作為中心環節，把思想政治工作貫穿教學全過程，實現全程育人、全方位育人，努力開創我國高等教育事業發展新局面”[8]。實踐表明，教師在推動課程思政效能提升方面發揮著不可替代的作用，要積極引導當代學生樹立正確的國家觀、民族觀、歷史觀、文化觀。現階段我校的“電磁場與電磁波”課程是通信工程專業學生的必修課程，但通過調查學生對這門課程的看法，發現大多數學生認為課程難度較大、趣味性不強，并且不希望教師介紹太多復雜的公式推導，而是對課程的歷史發展、應用背景、實踐機會等更感興趣。“電磁場與電磁波”課程的專業基礎特點也使其在教學過程中可以挖掘出比較豐富的思政元素和思政背景，從而實現顯性教育和隱性教育相結合，傳授專業知識技能和培養社會主義核心價值觀相結合。

3.1 牢記歷史，培養勇于探索的科學精神

“電磁場與電磁波”理論的發展經歷了從定性到定量、從感性到理性、從經驗、唯象到抽象的認識過程。在教學實踐中，我們在課程緒論采用2個學時左右提綱挈領地給學生梳理電磁學的發展史，從戰國中后期至明代中葉(公元前300年—公元1500年)，古代中國人曾在磁學方面做出了領先世界1000多年的偉大成就。介紹古希臘人發現“摩擦起電”現象的同時，必須強調“四大發明”中的司南(始見于戰國古籍《鬼谷子》)、北宋沈括《夢溪筆談》中的磁偏角測量實驗(人類歷史上首次記載磁北極和地理北極不重合、并提出測量該夾角的方法)以及羅盤(實用化、可用于航海的磁針式指南針，開辟了“海上絲綢之路”，奠定中國航海術領先西方近500年的技術基礎，極大促進了中國東南沿海地區的經濟繁榮)，再銜接到電磁學進入“唯象時期”的庫侖定律、安培定律、法拉第電磁感應定律，再到“統一抽象時期”的麥克斯韋方程組如何預測電磁波存在、如何通過赫茲實驗得以證實；接著，1896年馬可尼、波波夫等先驅實現了無線電報實驗，開啟了無線通信的新時代；最后介紹現代無線通信技術從2G、3G、4G到5G的發展歷程及其成就。通過完整的歷史背景，既向學生全面展示宏觀電磁理論是無線通信技術的基石，清晰揭示其發展歷程，又增強了民族自豪感，從而充分激發和增強學生的求知欲和自信心。

3.2 介紹科技前沿動態，激發投身祖國建設的熱情

除了歷史發展，在后續課程授課中還可以結合教師的科研課題，融入部分前沿技術，給出一些實例引導，特別是工程實際及國防應用實例的介紹，以明確本課程對工程實際和國防工業的巨大作用。例如在講電磁輻射時，可以介紹5G大規模MIMO技術和毫米波技術、北斗導航系統和FAST球面射電望遠鏡；在講解平面波的反射、透射等時可以介紹光纖的全反射原理以及“光纖之父”高錕的貢獻、電磁波的雷達隱身技術等等，讓學生了解本課程的學習前景以及理論知識是如何與實際應用結合。在充分激發民族自信心和自豪感的同時，培養科學精神、創新精神、奮斗精神，積極投身相關行業建設。

3.3 磨礪工匠精神，樹立社會主義核心價值觀

“電磁場和電磁波”作為一門基礎課程，其授課對象是正處于世界觀、人生觀、價值觀形成階段的大一或大二學生，因此教師在授課過程中，還可以適當穿插一些案例，引導學生樹立正確的世界觀和價值觀。例如在講解電磁波理論發展時，可以向學生講述“中國微波之父”林為干院士對中國電磁科學發展做出的開創性貢獻和在微波領域的常年堅守的事跡。在講解電磁波極化時，可以講述銀河號事件中GPS對我們造成的影響，說明北斗導航系統在汶川地震救災和北京奧運會中起到的重要作用，讓學生明白北斗系統的重要意義。上述案例的引入，可以讓學生明白當代大學生肩負的歷史使命，真切理解“科學技術是第一生產力”的含義，為實現中華民族偉大復興的中國夢奮斗。

4 結語

“電磁場與電磁波”是電子信息類專業最重要的專業基礎課之一。根據這門課程的教學現狀和存在難點，結合作者的教學實踐，從教學方法和課程思政兩方面總結并提出一系列改進方法。通過探索教學、類比教學、計算機輔助教學，靈活而充分地融入課程思政要素，不僅幫助學生理論聯系實際，激發學習興趣，而且更注重培養學生的家國情懷、責任意識和工匠精神，助力學生成長為新時代需要的高素質復合型工程人才。