“電磁場理論”課程教學(xué)方法探討

朱凡

摘要：本文討論了“電磁場理論”課程教學(xué)的現(xiàn)狀，針對課程在以往教學(xué)中存在的概念理論抽象、教學(xué)內(nèi)容零散、計算繁多、基礎(chǔ)知識與實際應(yīng)用聯(lián)系存在缺失這幾個問題，進(jìn)行了深入的理論分析和探討，以教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化融合為主線，轉(zhuǎn)變教學(xué)觀念，提出了基于MATLAB的可視化教學(xué)、基于模塊化的教學(xué)和增加以往知識的復(fù)習(xí)與總結(jié)等教學(xué)方法，通過精心組織安排教課內(nèi)容，讓學(xué)生積極參與到教學(xué)過程中，旨在使抽象的理論變得可視化，提高授課效果，實際教學(xué)實踐表明該教學(xué)方法充分激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高課堂效率，獲得很好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：電磁場;教學(xué)現(xiàn)狀;教學(xué)內(nèi)容;教學(xué)方法

中圖分類號：G642.41 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2015）23-0271-02

隨著以4G為代表的新通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，該產(chǎn)業(yè)對電子信息類專業(yè)人才的需求也呈逐年遞增的趨勢，“電磁場理論”課程作為電子信息工程專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，也是微博技術(shù)與天線、通信原理等后續(xù)課程的基礎(chǔ)[1-3]。在教學(xué)方式上也需要隨時代進(jìn)步，同時，對教師教學(xué)質(zhì)量和效果上的要求也越來越高。

一、對我校“電磁場理論”課程教學(xué)現(xiàn)狀的分析

本課程以物質(zhì)存在的一種特殊方式——電磁場為基礎(chǔ)，講述了電磁場基本規(guī)律、靜態(tài)場（包括靜電場、恒定電場、恒定磁場）平面波、電磁波的反射和折射、電磁輻射等基礎(chǔ)理論問題[4，5]，涉及到的概念、理論較多。本課程是用高等數(shù)學(xué)的方法來研究磁場（包括恒定磁場、時變磁場），涉及到較多的高等數(shù)學(xué)的知識，公式推導(dǎo)較多，計算復(fù)雜，需要學(xué)生具備堅實的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。此外，電磁場不僅涉及時域、頻域，還涉及空域等，要求學(xué)生具有良好的空間想象能力、抽象思維能力和邏輯推理能力。這些對于少數(shù)由于數(shù)學(xué)基礎(chǔ)不牢固的學(xué)生，導(dǎo)致其入門學(xué)習(xí)困難、無法深入的理解掌握本課程知識。隨著教學(xué)改革的不斷深入和發(fā)展，以及信息時代培養(yǎng)寬口徑人才的需要，要求學(xué)生學(xué)習(xí)的課程門數(shù)呈現(xiàn)不斷增加的趨勢，在總學(xué)時不變的情況下，也必然使每門課程的平均學(xué)時有所下降，在教學(xué)內(nèi)容不變的情況下就只有增加每節(jié)課的授課內(nèi)容，這樣在一定程度上加重了學(xué)生的學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)。根據(jù)近三年學(xué)生的學(xué)習(xí)時間的分配來看，學(xué)生對本課程的有效學(xué)習(xí)時間的投入也是非常有限的，因此如何更有效地利用課堂50分鐘時間，提高課堂授課質(zhì)量，這對教師教課水平提出了更高的挑戰(zhàn)。綜上所述，“電磁場理論”課程具有數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求高、公式繁多和理論性強(qiáng)、概念抽象等特點。課本上繁多的公式也給很多學(xué)生的學(xué)習(xí)帶來很大的困難，學(xué)生不清楚哪些公是重要的，或者哪些需要熟練記憶的。另外，由于受傳統(tǒng)教學(xué)手段的限制，電磁場的三維特性和電磁波的波動性等抽象內(nèi)容無法生動、形象地展示給學(xué)生，使得許多學(xué)生無法理解從這些模型中建立起來的許多概念，從而影響對整個課程的學(xué)習(xí)。

二、教學(xué)內(nèi)容及方法的改革

1.課程設(shè)置方面的改革。學(xué)科教研組針對以往教學(xué)中的經(jīng)驗和教訓(xùn)，參考其他兄弟院校的課程設(shè)置，總結(jié)“電磁場理論”所需的基礎(chǔ)知識主要包括：電路分析、高等數(shù)學(xué)（微積分、齊次方程部分）、線性代數(shù)、大學(xué)物理（電磁學(xué)部分）等，后續(xù)課程主要包括：“微波技術(shù)”、“無線通信”等。考慮到“電磁場理論”也是一門重要的研究生入學(xué)考試的專業(yè)課程，因此，將本課程安排有原來的大學(xué)本科四年級下學(xué)期調(diào)整到大學(xué)本科三年級下學(xué)期，此時學(xué)生也已經(jīng)修完相關(guān)的基礎(chǔ)課程，能夠更好地接受本課程的內(nèi)容，也為大四考研的學(xué)生提供了另外的考研方向課程選擇與指導(dǎo)。

2.教學(xué)內(nèi)容的組織。總結(jié)筆者近三年的教學(xué)經(jīng)驗，從教學(xué)大綱出發(fā)，把教學(xué)內(nèi)容分解為以下幾個方面：矢量計算基礎(chǔ)、場論基礎(chǔ)、麥克斯韋方程組、典型靜態(tài)場分析。第一部分的內(nèi)容是課程計算的基礎(chǔ)，在此教學(xué)中盡可能回顧有關(guān)線性代數(shù)和微積分的計算，使學(xué)生在接觸本課程開始有個前期知識的預(yù)備。第二部分是本課程的理論基礎(chǔ)，在講解過程中注重模塊化的講解，讓學(xué)生清晰地看到所學(xué)知識點在整體的場的表述中的位置。使學(xué)生能夠從整體把握所學(xué)到的知識。第三部分是本課程的核心和難點，可以從學(xué)生已學(xué)過的課程中導(dǎo)出麥克斯韋方程組，闡述電場與磁場密不可分的聯(lián)系，最后由麥克斯韋方程組根據(jù)不同場的特點，過渡到靜電場、恒定電場和恒定磁場的相關(guān)計算。以上由已知帶出未知、由淺入深的組織安排教學(xué)內(nèi)容，大大降低了本課程的理論難度和對計算復(fù)雜的接受程度，教學(xué)質(zhì)量大大提高。

3.教學(xué)方法的改進(jìn)。①增加以往知識的復(fù)習(xí)與總結(jié)。針對本課程所公認(rèn)的公式繁多、物理量眾多的特點，筆者在教學(xué)過程中總結(jié)了幾個關(guān)鍵的物理量，例如D（電位移適量）、E（電場強(qiáng)度）、H（磁場強(qiáng)度）、B（磁感應(yīng)強(qiáng)度）、J（電流密度）、A（矢量磁位），并指導(dǎo)學(xué)生在每次上課開始上課前有目的的復(fù)習(xí)這些物理量。根據(jù)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)度，逐步地展開各物理量之間的內(nèi)在聯(lián)系。例如在講解完靜電場的相關(guān)理論之后，讓學(xué)生自己組合討論小組，圍繞靜電場所涉及的各個物理量，由高斯定理出發(fā)，總結(jié)靜電場所涉及的理論及計算公式。在講解麥克斯韋方程組時，通過已經(jīng)學(xué)過的定理和定律來引入該知識點，如圖1示，其中法拉第定律、安培換路定律、高斯定律和磁通連續(xù)性定理都已經(jīng)是學(xué)習(xí)過的理論，所以在此基礎(chǔ)上分析電場—磁場間的內(nèi)在聯(lián)系，對以往零散知識的梳理與總結(jié)，幫助學(xué)生更好地鞏固與掌握所學(xué)的知識。②MATLAB可視化教學(xué)。在電磁場理論的教學(xué)中，基本上是用數(shù)學(xué)語言來描述物理現(xiàn)象，教師在講解內(nèi)容時會用到大量的數(shù)學(xué)知識，如拉普拉斯方程、泊松方程、散度、旋度、矢量運算等，可以利用MATLAB強(qiáng)大的計算及圖形演示功能[6，7]，把它應(yīng)用到本課程教學(xué)中，考慮到大三下學(xué)期已經(jīng)開設(shè)過MATLAB編程課程，其特點是語言簡潔易懂，上手快，用簡單的幾條命令就可以代替煩瑣的計算，并能把計算結(jié)果以圖形形象直觀的顯示出來，為此筆者在教學(xué)過程中考慮對于抽象的物理概念和模型，例如矢量線（電力線、磁力線）及等位線，利用MATLAB強(qiáng)大的圖像演示功能，在MATLAB環(huán)境下繪制電磁場圖，將抽象的電磁場的分布具體化、可視化，能夠直觀地模擬和演示各種電磁現(xiàn)象，給出直觀的圖像，更加形象、精確、可視性很強(qiáng)，從而激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并鍛煉了他們使用計算機(jī)的能力，收到了較好的教學(xué)效果。③模塊化教學(xué)。針對場論理論概念繁多的特點，注重強(qiáng)調(diào)從場的概念出發(fā)，涵蓋本章所有的知識點，如圖2為場論第一章的知識點總結(jié)框圖，使學(xué)生清楚正在學(xué)習(xí)的知識點位于整體場論的位置，是為解決什么問題而提出的。例如：通量是表述場在一個區(qū)域中總的情況，而不能說明該區(qū)域內(nèi)每個點場的性質(zhì)，所以提出了散度的概念，來研究場中任一點矢量場與場源的關(guān)系。這樣的思路使得學(xué)生學(xué)習(xí)的理論有根有據(jù)，增強(qiáng)學(xué)生對整體理論的理解。同時，模塊化的框圖形式也使得零散的知識點變得有聯(lián)系性和系統(tǒng)性，學(xué)生可以從更高層面上整體理解和把握所學(xué)的知識點，加深學(xué)生對理論的掌握，提升教學(xué)效果。

三、結(jié)語

通過對以上教學(xué)內(nèi)容與方法的改進(jìn)，很多枯燥難懂的理論變得較容易接受，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性顯著提高。通過引入MATLAB可視化教學(xué)，提高了講課效率，同時也讓學(xué)生從原來枯燥乏味、復(fù)雜的計算中解脫出來，把重心放在對概念的建立和理解上，以培養(yǎng)學(xué)生對電磁場知識產(chǎn)生濃厚的興趣，激發(fā)他們的積極性和創(chuàng)造性。

另外，對于零散知識的模塊化整合，使課程內(nèi)容變得更有聯(lián)系性和系統(tǒng)性，學(xué)生對基本的理論和分析計算方法掌握情況有了顯著提高，學(xué)生考試不及格人數(shù)控制在5%以下，在近兩年的教學(xué)實踐中，“電磁場理論”課程的教學(xué)質(zhì)量與效果有了很大的提高。

參考文獻(xiàn)：

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