《電磁場與電磁波》和《大學物理·電磁學》教學探討

劉詠梅

【摘 要】《大學物理》和《電磁場與電磁波》都是電子信息類各專業的必修課程，這兩門課程在電磁學部分有一定重疊。本文針對兩門課程的特點，結合學生的實際情況，從分析方法的引入、教學內容銜接、教學方法建議等方面對這兩門課程進行教學探討。

【關鍵詞】大學物理；電磁學；電磁場與電磁波

0 引言

《大學物理》和《電磁場與電磁波》是電子信息類各專業的必修課程，在教學環節中起著非常重要的作用。

兩門課程在電磁學部分有一定重疊，但不是簡單的重復，前者為后者的先修課程，后者以前者為基礎，對電磁學理論及應用進行深入研究與探討。

1 課程性質不同

《大學物理》是理工科各專業必修的基礎課，受眾面廣，內容為力學、熱學、電磁學、光學和原子物理五部分，為后續專業基礎課和專業課程的學習打下基礎；《電磁場與電磁波》是電子信息類各專業的專業基礎課，是后續專業課（如《微波技術與天線》等）的理論基礎，其主要分為電磁場（靜態場）與電磁波（時變場）部分，其中靜態場部分與《大學物理》電磁學部分內容有一定重疊，但不是簡單的重復，內容的深度和廣度都有較大的拓展。

2 理論和分析方法區別

《大學物理》作為基礎課程，引入知識由學生容易接受的物理現象入手，通過實驗得到相關理論，以電磁學理論的開篇——點電荷之間的作用力為例，直接引用實驗結果描述庫侖定律：

其他重要定理如：安培力定律、電磁感應定律等，也都是直接引用實驗結果描述相關理論公式；比較起來，《電磁場與電磁波》的理論性更強，首先以一定篇幅講述矢量分析方法，引入電磁學內容時，從電磁場的“源”—電荷與電流出發，特別注重以散度源和旋度源區分靜電場和恒定磁場：

圖1 電磁場典型散度源與旋度源矢量線分布

引入理論計算公式時，理論更為嚴謹。

《大學物理·電磁學》中解決問題的方法，較多以積分形式表示，比如通過上式（1），得到真空中的高斯定理：

可以看出，《電磁場與電磁波》更注重理論公式的推導，一般理論均以積分和微分兩種形式提出，其中微分形式更能體現矢量場與源的關系。在矢量運算時， 《大學物理·電磁學》一般以直角坐標進行描述；而《電磁場與電磁波》更多在圓柱坐標系和球坐標系中進行矢量運算。

3 基本內容的區別

《大學物理·電磁學》分別對靜電場和恒定磁場進行說明后，引入電磁感應定律和位移電流密度概念，以麥克斯韋方程組的建立作為結束：

并以麥克斯韋方程組為出發點，展開理論的應用，研究時變電磁場的特性：建立無源區的波動方程；研究平面波在介質和導電媒質中的傳播、均勻平面波的反射與透射等；研究導行電磁波、電磁輻射等。在靜態場部分，《電磁場與電磁波》通過求解二階微分方程：

以標量電位作為中間量，通過電場強度與電位的梯度關系求解電場。以唯一性定理為依據，用鏡像法、分離變量法、有限差分法等多種方法解決靜態場邊值問題。

4 改進教學方法之探討

《大學物理》是學生學習的第一門與專業直接相關的基礎課，學生學習熱情較高，加之大學物理涉及的物理現象在中學階段基本有所了解，電磁學部分以靜態場分析為主，學時設置較充足，學生接受起來比較容易；《電磁場與電磁波》是在學生已具備矢量分析與靜態場基本計算的前提下，對電磁場進行深入的分析，特別是對時變場進行分析運算，學生需要更深入的數學知識：空間分析能力與矢量微積分運算、二階微分運算與微分方程求解能力；理論難度相應增加，作為專業基礎課，面臨難度大、課時少等問題，同時學生反映理論枯燥、推導繁瑣，難以接受。

在教學中，課堂教學是最重要的環節。課堂教學必須以學生為主體、教師為主導，師生互動，知識傳授與能力培養相結合。在《電磁場與電磁波》課程的教學中，不一定總是從理論推導入手，也可以從實際問題或實驗演示引入問題，或者以《大學物理》已有的結論作為出發點，應用理論知識進行推導和演繹并進行歸納總結，得到相應的結論，如上述真空中高斯定理，可以直接引述式（2），通過矢量散度定理：

同樣得到上述式（6）。對于與后續課程（《微波技術與天線》等）有內容重疊的導行電磁波、電磁輻射等部分，可以只選講部分內容，留待后續課程進行深入探討。這樣既可以突出重點、節約理論課程的時間，又能使學生鞏固先期理論，對理論的發展和應用有更為深入的認識，使得教學達到更好的效果。

在實際教學中，根據學生的實際情況和對理論的掌握程度，《大學物理》和《電磁場與電磁波》兩門課程不斷進行教學改革，總的改革思想為打好基礎和提高實踐教學學時的比例。大學物理設置了單獨的實驗課程。《電磁場與電磁波》也探討減少理論學時、增設實驗實踐內容等改革措施。針對《電磁場與電磁波》理論抽象、計算難度大等特點，探索采用仿真軟件（如Matlab等）進行輔助教學，豐富教學手段，提升學生的學習興趣；計劃建設相關專業實驗室，使學生通過實踐教學，直觀認識電磁現象并進行專業操作與測試，使得電磁學相關課程教學銜接更為順暢，更為學生今后從事相關技術工作打下基礎。

5 結語

《大學物理》和《電磁場與電磁波》都是電子信息類專業的必修課程。本文針對兩門課程的特點，結合學生的實際情況，從分析方法的引入、教學內容銜接、教學方法建議等方面對這兩門課程進行教學探討。課程改革是一項長期的任務，任課教師必將克服困難、開拓創新，進一步完善教學手段、實踐環節等諸多要素，以期達到更好的教學效果，為培養技術應用型綜合人才貢獻力量。

【參考文獻】

[1]譚朝陽，高玉梅.大學物理學[M].1版.武漢：武漢大學出版社，2015：65-156.

[2]謝處方，饒克謹.電磁場與電磁波[M].4版.北京：高等教育出版社，2006：20-70.

[責任編輯：楊玉潔]