“工程電磁場理論”課堂教學實踐探索

李海 于文莉 王平建 魏書田

摘 要 “工程電磁場理論”是高校電子信息類專業的一門重要專業基礎課程，重點闡述宏觀電磁場和電磁波的基本概念規律、基本性質等理論及在工程中的應用。結合該課程特點以及教學中存在的實際問題，我們探索出一套行之有效的課堂教學模式。在實際的教學中起到了較好的教學效果。

關鍵詞 工程電磁場 教學方法 教學改革

中圖分類號：G424 ? 文獻標識碼：A?? DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2015.09.063

Research and Practice on the Theory of Engineering Electromagnetics

LI Hai[1]， YU Wenli[2]， WANG Pingjian[1]， WEI Shutian[1]

（[1] College of Information and Electronic Engineering，

Shandong Institute of Business & Technology， Yantai， Shandong 264005;

[2]College of Computer Science and Technology，

Shandong Institute of Business & Technology， Yantai， Shandong 264005）

Abstract "Theory of Engineering Electromagnetics" is a major basic course for electronic information specialty in high school， which mainly introduces the basic concepts， rules and the properties of electromagnetic field on the engineering applications. Combed with the features of discipline and the problems existing in the teaching practice we find an effective classroom teaching pattern which could improve the teaching quality highly.

Key words Engineering Electromagnetics; teaching methods; teaching reform

0 引言

關于電磁現象及其電磁理論的研究最早可以追溯至18世紀。隨著麥克斯韋電磁理論的建立以及現代科技的發展，電磁場理論已越來越廣泛地滲透到了通信、醫療、科學研究等人類生活的各個方面。因此，“工程電磁場理論”被物理、通信、控制、光電、遙感等眾多理工類專業列為專業基礎課而開設。

“工程電磁場理論”課程主要涵蓋宏觀電磁場的基本性質和變化規律、電磁場與物質間的相互作用以及場的基本分析方法。通過對本課程的學習，希望使學生掌握電磁理論基本概念與規律，為后續課程如電磁兼容，天線理論等學習奠定基礎;同時，培養學生利用場的思維方式去分析和解決一些實際工程問題的能力。然而，在我們的實際教學過程中卻碰到了各種問題，影響著教學質量的提高。如何能有效地提高工程電磁場理論課程的教學質量一直是許多高校教師關注的課題。經過多年的教學探索實踐，我們找到了一些有益的教學經驗與方法對提高教學質量非常有效。

1 工程電磁場理論課堂教學問題分析

在工程電磁場的實踐教學過程中，我們發現對課程教學形成壓力和問題的因素大體可歸納為以下幾個方面：（1）當前課程改革引起教學課時大幅減少的壓力。根據我校課程改革計劃工程電磁場理論課程教學課時設置為32學時。如何在這么少的課時內完成本課程的教學任務并使學生有效地掌握各知識點，這一直是許多教師面臨的問題;（2）本課程教學內容的特點給學生順利學習帶來的壓力和問題。與大學物理和電路等課程相比，本課程具有涉及數學知識較多，理論推導復雜以及物理概念更抽象等特點。①②③因此，在學習的過程中許多學生有種畏懼的心理，特別是對數學基礎掌握的不扎實的學生會感到本課程越學越難并很容易中途產生放棄繼續學習的想法;（3）學生對本課程重要性認識不足以及在學習過程中積極性的缺乏。一些學生經常片面地認為課時少的課程一般不重要，往往表現出思想渙散、課堂上注意力不集中以及不認真完成課后作業等問題;（4）傳統單一的教學模式和教學方法未能有效激發學生學習的興趣。經過多年的不斷探索實踐，我們發現在工程電磁場教學的過程中沿用傳統的教學方式如僅僅采用粉筆加黑板或多媒體課件教學方式，往往給學生學習帶來不同的困難。前者容易使學生陷入繁雜數學的推導中從而忽略對物理圖像以及實際應用的直觀認識;后者則由于教學速度快，信息量大以及教學內容多等特點，使得許多學生在課堂上的思路跟不上教師從而嚴重影響課堂教學效果。此外，采用多媒體授課由于包含更多的授課內容和信息量，若處理不當很容易給學生消化所學內容帶來困難。以上這些是我們在實際課堂教學過程中經常碰到的問題。

2 課堂教學方法探索與改革

基于以上課堂教學中存在的各種困難與問題，我們重點圍繞學生、教學內容和教學手段和模式等幾個個角度進行了探索與改革。

（1）調動學生學習的興趣，充分重視第一次課堂教學。基于電磁場理論這門課程的最突出的特點：數學與物理高度結合、物理概念較為抽象且物理圖像不易建立等，我們應充分備好第一次課，包括查閱電磁場研究進展文獻、收集電磁場在工程以及生活中各方面的應用實例和視頻材料等并精心組織材料、撰寫講稿和制作多媒體課件。通過對電磁場理論發展歷史和趣事講解、電磁場在工程和科技應用中的視頻動畫演示（如靜電噴涂、避雷針的實際安裝、高壓作業、磁懸浮技術應用以及電磁彈射與微波武器等）、課堂交流互動等多種有趣的形式將電磁場理論在我們日常生活以及科學研究中的重要性最大程度地展現給學生，讓學生感受到電磁場的有趣性和重要性并初步形成對電磁場整體的感性認識。通過第一次課堂教學，我們要實現的目標不僅僅是讓學生簡單理解電磁理論發展歷史，更重要的是充分激發學生對電磁場的興趣，為學生在后續知識學習中提供足夠的動力。正如人們常說的“一日之際在于晨，一年之際在于春”，那么要使學生保持一種持續良好的學習勢頭，第一次課堂教學則顯得更加重要。

（2）合理選擇教材、有效組織教學內容。面對教學改革帶來的較短授課時數的壓力，如何協調授課內容和課時量之間矛盾是我們必須考慮的問題。首先，在教材選取方面要結合所教授專業和授課學時數量對教材進行合理選擇。教材選擇要重點考慮幾個方面：（1）教材重點教學內容設置是否與所教專業更吻合;（2）教材結構安排和知識點闡述等是否清晰簡潔便于學生自學;（3）教材中重點內容設置是否完整且合適相應學時的授課等。其次，在教學過程中，我們一般選擇一些比較經典的電磁場理論方面的教材如《電磁場與電磁波》（謝處方、饒克謹著），④《工程電磁場原理》（倪光正著），⑤《工程電磁場（英文版）》（Hayt，W.H，Buck，J.A）⑥和《Elements of Engineering Electromagnetics》（Rao， N. N， 6th Ed）⑦等作為參考，對課堂教學中的部分知識點進行擴充，促進學生對某些概念、規律更加深入的認識;同時，我們也通過網絡搜索和查閱一些相關電子期刊文獻了解電磁場在工程應用中的最新進展，并將其在相應的理論學習中引入介紹，不僅有助于學生對理論知識的深入認識、開闊他們的視野而且也有助于理論與實踐結合提高他們學習的興趣。最后，結合教材和參考資料認真撰寫講義，列出每節課的教學重點和難點并根據教學內容設計相應的教學方法。此外，為便于學生學習和理解，有時需要根據自己對教學內容的理解適當調整和重新組合各知識點的教學次序。如在介紹麥克斯韋微分方程組時多數教材都將四個方程分別作為獨立的內容引出，這樣顯得有些零散;我們發現：如果在講授完通量和環量積分以及散度和旋度定理之后就可以在引導的基礎上讓學生從兩個積分公式（通量積分和環量積分）出發自己來導出麥克斯韋方程組，然后再對各方程暗含的電磁特性進行分析說明則效果更好。這不僅讓學生體驗了麥克斯韋方程組如何得來而且也使重點內容更加突出利于學生對麥克斯韋方程組的深刻理解。

（3）結合教學內容教學方法多樣化。在教學的過程中，如果我們一味地采用傳統的板書教學或過分依賴多媒體全部內容都采用PPT進行講授則很容易讓學生感到枯燥并產生畏難情緒。因此，為調動學生的學習積極性，充分發揮課堂教學的效率，我們需根據各部分教學內容的特點設計相應的教學方法，如在講授電磁場的“場”和“源”的關系、靜電場和恒定磁場的特性時，我們可以運用“比擬法”和“類比法”進行講解;關于電磁波傳播特性的講授中，可以充分利用視頻演示與理論推導結合的方法進行：在首先提出問題（電磁波在不同介質中有何特性？）的基礎上，進行電磁波在不同媒質中傳播的視頻演示（如高頻淬火、微波爐加熱和海水中通信等），最后進行傳播特性的理論推導說明;在講授利用鏡像法和分離變量法求解工程問題中，除通過板書推導展示問題的處理方法外，最好利用 Matlab 或 Mathematic 軟件進行問題仿真以展示和分析場的分布特征等;此外，基于問題的啟發式教學也是我們常用的一種教學方法，此方法針對某具體問題的拓展模型教學中特別適用，如點電荷或線電荷分布對不同特征的金屬導體球與面的鏡像以及點位、電場分布特征的討論等。在教學方法的設計上，沒有固定形式但要遵循幾點原則：（1）講授的知識要點突出，比擬、類比運用恰當;（2）對于需要進行理論推導的部分盡力簡潔并重點注重對所推導數學表達式反映的物理含義以及表達式適用范圍和條件的闡述與說明;（3）在教師引導下能有效調動學生的積極性，使課堂能體現“學生為主體”的指導思想。

3 結束語

工程電磁場理論在電子信息類專業中占據著非常重要的地位，如何能夠有效地提高工程電磁場理論的教學質量——為相關專業學生打好理論基礎并提高他們分析、解決實際問題的能力，這一直是許多高校教師不斷探索實踐的一個問題。本文通過對電磁場理論課堂教學實踐的歸納與總結，希望能為提高高校工程電磁場理論課堂教學提供有益的參考。

基金項目：山東省自然基金項目（編號：ZR2013AQ013，ZR2013AL014）;山東工商學院博士啟動項目（編號：BS201418）

注釋

① 田雨波，張貞凱.“電磁場理論”教學改革初探[J].電氣電子教學學報，2008.30（1）：11-13.

② 張華美，徐立勤.“電磁場理論”課程教學的幾點認識[J].科技信息，2010（14）：3.

③ 彭麟，姜興.中美高校電磁場教學比較研究[J].中國電力教育，2014（17）：73-74.

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

⑤ 倪光正.工程電磁場原理（第2版）[M].北京：高等教育出版社，2009.

⑥ Hayt，W.H，Buck，J.A.工程電磁場（英文版）（第7版）[M].北京：清華大學出版社，2009.

⑦ Rao， N. N. Elements of Engineering Electromagnetics[M].6th Ed. Pearson Prentice Hall;Upper Saddle River，NJ，2004.