“電磁場與電磁波”教學改革探索和實踐

摘要：“電磁場與電磁波”課程是高校電子信息類專業必修的一門重要專業基礎課，主要闡述宏觀電磁場和電磁波的基本規律、基本性質等理論及在工程中的應用。針對該課程教學中存在的問題及目前課程學時縮減的現實，從教學內容、科研課題引入課堂教學、教學手段、開設實驗、考評機制等方面提出了一系列的改革思路。重點討論了科研課題引入課堂教學的可行性，并結合研究方向給出了實例，希望通過課程改革能進一步提高教學效果，增強學生學習興趣，提高學生創新與創業的能力。

關鍵詞：電磁場與電磁波；教學改革；科研促教學

作者簡介：馬鳳英（1975-），女，河南濮陽人，鄭州大學物理工程學院，副教授。（河南 鄭州 450001）

基金項目：本文系國家自然科學基金（項目編號：60907046）、河南省教育廳自然科學研究計劃項目（項目編號：2009A140008）、鄭州市科技局項目（項目編號：121ppTGG360-7）的研究成果。

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）36-0099-02

“電磁場與電磁波”是鄭州大學（以下簡稱“我校”）電子信息類、通信工程、電子科學與技術、電氣工程及自動化等專業學生必修的一門重要專業基礎課，主要研究電磁場的基本屬性及其運動規律、波與物質相互作用及信息的提取、電磁場系統的計算方法及仿真技術和工程技術應用中的電磁理論問題等。它和電磁干擾與電磁兼容、射頻及高速電路設計與開發等課題緊密聯系，是一些交叉領域的學科生長點和新興邊緣學科發展的基礎。同時，電磁場與電磁波作為能量的一種形式、信息傳輸的載體和探測未知世界的一種重要手段，在通信、雷達、醫療保健、導航、軍事、能源和環境檢測等領域中得到了廣泛的應用。但是由于電磁場與電磁波概念抽象、理論深奧、應用數學知識多、分析推導繁瑣等，使該課程歷來被認為是教師難教、學生難學的課程之一，甚至有學生私下里稱電磁場這門課為“火葬場”。隨著“寬口徑、輕專業、重基礎”本科培養理念的出現，各高校開設基礎課程門類增多，我校自2009年來將該課程的課時數由64學時減少為48學時。這樣一來，要在教學計劃學時內完成教學內容，每節課的上課內容就會增加，滿堂灌的教學方式勢必會導致學生疲倦，不利于學生自主學習能力和自我發展能力的培養。另外，針對我校光學、光學工程碩士專業方向和電子科學與技術、電子信息科學與技術兩個本科專業就業的需要，對教學內容需進行適當調整。因此，為了適應這種情況，對于課程講授內容適當增減，教材的重新選擇及教學方法的改革勢在必行。

一、教學內容的改革

新的教學計劃修訂之前，這門課采用的教材是馬海武教授編寫的《電磁場理論》，該書基礎性較強，偏重于理論，教授這門課的老師也是我校物理專業的教師。而電子信息、電子科學與技術這兩個專業畢業生，無論深造還是就業，均偏重于電磁場的應用——解決工程類電磁場問題。因此，教學計劃修訂后，這兩個專業的教材換為謝處方、饒克謹教授編寫的《電磁場與電磁波》。教學內容上也進行適當優化，比如大學物理中電磁學部分已經對真空和介質中的靜態場以及電磁感應現象和位移電流假設進行了詳細的講解，也簡單介紹了麥克斯韋方程組。在教授“電磁場與電磁波”這門課時對靜態場的特性和分析就可以用較少的學時，以學生為中心，多以提問的形式進行講授。而對時變電磁場的分析方法、電磁波的反射與透射以及波導與諧振腔相關章節的講授就要用較多的學時。另外在講授這部分內容時要增加一些工程實例，加深學生對知識的理解并提高應用能力。如在講授“均勻平面波對多層介質分界面的垂直入射”時，引入濾光片、介質高反膜和增透膜的設計原理及應用，使學生對課程的背景、研究領域、主要技術、發展方向有大致的了解，培養學生在此領域的興趣和深入研究的愿望。

二、教學方法與教學手段的改革

1.將科研課題引入課堂教學，提高學生對基礎研究的興趣和關注

早在2005年教育部發布的教高[2005]001號文中就強調“積極推動研究性教學，提高大學生創新能力”。探索性是本科研究性教學的主要特征之一，不但要傳授知識，還要培養學生探求未知的能力。因此，高校教師不但要講好書本知識，還要做好科研，大量查閱文獻資料，實時關注本專業方向的最新發展動態，有針對性由淺入深地將最新科研成果引入到教學中以激發學生的求知欲，使學生主動參與到科研中來。例如筆者結合研究方向微腔器件與物理，在講解“均勻平面波反射與透射”時，只帶領學生推導導電媒質分界面的垂直入射，根據電磁邊界條件得出分界面上電場振幅反射和透射系數，強調入射介質中的電場為入射波和反射波的疊加，把具體的科研問題——平面微腔器件結構設計引入課堂教學。平面微腔是典型的集成光電子器件，而光電子集成又是信息技術的發展新方向。平面微腔（尤其是光學微腔）結構設計中，比較重要的一個參數是有效腔長的確定。有效腔長的大小不但包括兩反射鏡之間的光學距離，還應包含兩端反射鏡的相位穿透深度。以電磁波在介質/金屬界面反射為例，讓學生了解相位穿透深度的概念。

介質/金屬界面的反射系數為。其中和分別為入射和出射介質（金屬）的波阻抗，其中為復數。因此，為復數。一般金屬反射鏡的反射率接近于1，即，為界面上反射波相對入射波的位相延遲。

假定入射電場為，經界面反射后入

射介質中的合成電場為，

即合成電場為行駐波場。

當時，合成電場取最大值；當時，合成電場取最小值。

駐波比，由于接近于1，因此駐波比接近無窮大，即入射介質中的電場接近于駐波場。不同于理想介質/理想金屬界面，此時界面處并不是駐波的波節，其波節位置由合成電場取最小值時所對應的z值確定，如圖1所示。

取n=-1，所對應z值即為金屬的相位穿透深度（如圖1標注）。

2.多媒體與傳統板書相結合的教學手段

多媒體教學相對于傳統板書教學具有自身的優越性，它可以在文字、圖形的基礎上增加圖像、動畫、聲音、影像等，將傳統教學手段很難表達的教學內容或無法觀察到的現象利用視覺和聽覺的形式展現出來，使抽象復雜的問題簡單化，枯燥難懂的知識形象化。比如在分析波從波密媒質到波疏媒質傳播且入射角大于臨界角時透射電場的分布時，如果僅從公式推導得出透射電場的形式，學生很難直觀地理解透射波的傳播情況。此時就可以通過MATLAB編程來再現透射電場，學生就能夠直觀地看到透射波（表面波）沿分界面傳播但其振幅在垂直于分界面方向上按指數規律的衰減情況。這時告訴學生表面波的等幅面和等相面垂直為非均勻波，學生就會產生深刻的理解。多媒體授課可以提高課堂教學效果，提升教學質量，但并不是所有的課程都適用多媒體教學。比如電磁場這門課有很多公式推導，如果一味地依賴多媒體就會造成講課節奏過快，學生理解消化時間減少，反而不利于課堂教學效果的提高。因此，這門課程適合采取多媒體和傳統板書相結合的方式進行授課。

3.嘗試開設相關實驗

“電磁場與電磁波”作為工科電類專業的技術基礎課，具有理論性強、概念抽象、數學基礎要求高等特點。要想提高教學效果，應設法使復雜的問題簡單化，抽象的概念形象化。目前開設的課堂演示實驗有：電（磁）介質的極化（磁化）、均勻平面波在非導電媒質和導電媒質中的傳播、波的極化、均勻平面波在理想介質（導體）界面上的反/透射及表面波等。為了進一步提高學生的動手能力，使他們在實驗中驗證所學理論，筆者正計劃開設實驗課，實驗內容初步定為：電磁信號的波速、波長和相位常數的測量；電磁波的極化；電壓駐波比測量；電磁波的反射與透射；電磁場與電磁波的計算機仿真等。通過實驗教學環節，從測量基本參量入手，利用專業測量儀器研究波的傳播、極化等特性。

4.設置合理的考評機制

課程的考核是督促學生學習、檢驗教學效果的重要手段，其最終目的是使學生更好地掌握專業基礎知識和相關研究領域的應用。這門課的成績取決于學生的綜合表現，包括學生平時出勤情況、作業完成情況、課堂與老師的互動情況以及期末考試成績。每個學期會不定期抽查學生出勤情況，出勤成績占總成績的20%。另外，平時作業占總成績的20%，期末考卷成績占總成績的60%。課后習題讓學生自己在課下練習，而需要交的作業是結合具體工程實例的設計或者論述題，沒有具體的參考答案，避免出現敷衍、互相抄襲的現象。此外，根據學生平時課堂發言以及與老師互動情況，還設立獎勵分，最高10分，這部分直接計入總成績。

5.不斷提高自身素質和教學水平

教學活動中，教師首先要尊重學生，熱愛學生，以學生為中心開展教學工作。課堂上要保持熱情，每次上課之前都要抽出幾分鐘把上節課的主要知識點回顧一下，讓學生輕松過渡到教師接下來要講授的內容。課上列出綱領和精華部分，對有些問題給出思路，然后結合具體的科研和工程問題，讓學生掌握更多新的知識和科研前沿。穿插一些有關人生的感悟和思考，讓學生在輕松的氣氛里學習，培養積極向上的人生觀。除了以滿腔的熱情對待事業和學生外，教師還要自覺高標準地塑造自身的人格，才能以自身健康的人格培養學生的人格。在教學中還要不斷充實自己，完善教學資料，跟蹤最新的教學和科研成果，積極參加高等學校電路和信號系統、電磁場教學與教材研究會，跟兄弟院校電磁場教師進行交流，不斷提高教學水平。

三、總結

針對我校光學、光學工程碩士專業方向和電子科學與技術、電子信息科學與技術兩個本科專業就業的需要，以及目前“電磁場與電磁波”課時大幅縮減的教學現狀，提出了從教學內容、科研促教學到教學手段、實踐教學等一系列的改革思路，目前已取得了初步成效。下一步的目標是增加課外實驗內容，通過實驗驗證并鞏固所學理論知識，激發學生的學習興趣，進一步增強學生的創新能力。

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注：蘇建坡為本文通訊作者。