《電磁場理論》課堂教學實踐

一、引言

《電磁場理論》課程具有特別重要的地位，是通信、光電、電子類、空間物理等專業(yè)的重要基礎(chǔ)理論課，電磁場理論與很多重要基礎(chǔ)學科（如物理學）有交叉，又是現(xiàn)代高科技技術(shù)（如無線電技術(shù)）的理論基礎(chǔ)，隨著科學技術(shù)的發(fā)展，電磁場理論得到越來越廣泛和深入的應用（如微波通信、光纖波導、核磁共振等），因此這門課程得到了各高校的重視，武漢大學電磁場理論在教學名師柯亨玉教授的領(lǐng)導下，經(jīng)過多年的建設(shè)，于2009年被評為國家級精品課程，它也是2011年湖北省教改項目——武漢大學國防特色專業(yè)（電波傳播與天線）的核心建設(shè)課程。

電磁場理論闡述了宏觀電磁場的性質(zhì)、基本規(guī)律和基本分析方法，培養(yǎng)學生運用場的觀點初步分析計算電磁問題的能力。然而該課程物理概念抽象、公式繁多、推導復雜，需要學生有較好的微積分、線性代數(shù)和數(shù)學物理方法基礎(chǔ)，并具有較好的抽象思維和邏輯推理能力，大多數(shù)學生往往對該課程表現(xiàn)出明顯的畏難情緒，覺得該課程太抽象、難懂。

對于教師而言，意識到這些狀況，如果在教學方式上仍然只重視定理、定義和公式的詳細推導和講解，而不結(jié)合實際應用，讓學生了解這些看似枯燥的公式與哪些實際問題相關(guān)聯(lián)，學生們往往就會有印象不深刻，感覺無的放矢，久而久之也就失去了學習的興趣。

另外，現(xiàn)代教學多采用傳統(tǒng)的板書結(jié)合普通多媒體PPT的教學方式，在某種程度上提高了課堂的教學質(zhì)量，然而在講授空間感很強的物理概念（如行駐波、電磁波的極化等）時，如果能充分借助計算機語言實現(xiàn)某些復雜狀態(tài)的動態(tài)展示，一定能提高教學效果，更好的幫助學生理解這些物理概念。

二、結(jié)合科學研究經(jīng)歷提高學生學習興趣

筆者一直從事空間天氣方面的觀測與模擬研究，主持和參與多項國家自然科學基金項目，對該學科的某些前沿科研問題比較了解。了解到學生們對地球空間現(xiàn)象往往抱有獵奇的心理，空間災難和科幻電影更是為這個學科渲染了一種神秘的色彩，因此感覺如果能結(jié)合空間天氣學的一些現(xiàn)象，讓學生們了解這些看似枯燥無用的公式和理論竟能用于解決與人類生存相關(guān)的空間難題，一定能激發(fā)他們對這些基礎(chǔ)理論的學習興趣。

比如電磁場理論中一些很重要的定理，寥寥幾句話，如果老師不從“實用性”出發(fā)，結(jié)合科研經(jīng)歷進行引申拓寬，學生們往往不會留下太多印象。下面舉幾個例子來說明：

1.Helmholtz定理。矢量場只能分為兩種類型，一種為無散場，一種為無旋場。我們將電離層電流系的三維分布圖放給學生們看，并告訴他們，空間科學家們研究電離層水平面內(nèi)的電流系，就是分為兩種電流系分別進行研究，Hall和Pedersen電流系，前者為無散電流，后者為無旋電流，這種研究思路的理論依據(jù)就是Helmholtz定理。

2.電荷守恒定律。電流的散度不為零，必然在該點有電荷的積累。這個定律在空間天氣學有廣泛的用途，比如上面的有散電流Pedersen電流，在它的匯聚或發(fā)散點就會引起電荷在電離層水平面的積累，積累的電荷能夠沿著磁力線跑到很遠的地球空間放電，這是地球空間三維建模的基本公式之一，亦稱連續(xù)性定理。

3.我們在講解靜態(tài)電磁場的求解方法之一鏡像法時，結(jié)合國家的太陽風暴項目告訴學生，科學家預言在2012年將發(fā)生大磁暴，比人類以往所記錄的最大磁暴還要高十幾倍，造成的災難性后果之一就是地面電網(wǎng)的大規(guī)模斷電，如1989年的大磁暴就造成加拿大魁北克省大規(guī)模的停電。究其原因在于變壓器里感應電流過大被燒毀，我們將相關(guān)真實影像資料放給學生們看，活躍了課堂氣氛，提高了學生的學習興趣。然后我告訴學生們?nèi)绾螌Ω袘娏鬟M行預報是各國科學家都很關(guān)心的課題，具體就要用到鏡像法，電力管道中的感應電場源于地面磁場隨時間的改變，而地面磁場的改變源于兩種電流：電離層水平電流和它在地面（導體平面）的鏡像電流，求解地面磁場就是用的鏡像法。

三、結(jié)合計算機編程動畫演示物理概念

除了結(jié)合科研實例來講解理論和公式之外，為了活躍課堂氣氛，充分調(diào)動學生學習熱情，我們還充分利用計算機語言編程技術(shù)，動態(tài)演示一些比較難懂的物理概念。如平面波的極化，我們就利用MATLAB語言編程將左旋、右旋平面波做成三維空間動畫演示，讓同學們通過視覺直觀的了解三維空間電磁波極化狀態(tài)，培養(yǎng)學生空間立體感和想象能力，提高教學效果，達到事半功倍的效果。

四、結(jié)束語

以往有許多專家對《電磁場理論》的教學改革作了研究，并取得了很好的實際效果，筆者根據(jù)電磁場理論課程的自身特點，經(jīng)過幾年的不斷探索與實踐，在教學方法上下功夫，將理論教學結(jié)合科學研究經(jīng)驗，并借助計算機編程語言，對一些較難的概念編程進行三維動態(tài)演示，幫助學生打牢專業(yè)知識基礎(chǔ)，激發(fā)學生學習的主動性和積極性，使他們的學習能力得到顯著提高，為今后其他課程的學習打下了堅實的基礎(chǔ)，目前這些教學方法已經(jīng)在不同的本科生專業(yè)進行實踐，教學效果得到明顯提高。

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