電磁場原理的實驗課程改革探索

陳建軍 辜永紅 于彥濤

摘 要：通過分析對電磁場原理的實驗課程存在問題，根據(jù)實驗的目的和難易程度不同，設計利于提高學生綜合應用能力的三級實驗體系，并根據(jù)實驗內(nèi)容的不同，設立交叉并行的實驗考核體系，同時建立有效的考核評價機制，與教師項目驅(qū)動機制相結(jié)合，不斷更新教學內(nèi)容，提高電磁場原理的教學質(zhì)量。

關鍵詞：電磁場原理；教學體系；評價機制

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2017）02-0065-03

Abstract： The problems of experimental course of electromagnetic field theory are discussed in this paper. The three level experimental systems are proposed according to the purpose of the experiment and the difficulty degree of different experimental course. We want to improve the comprehensive application ability of the students by setting up cross parallel experimental evaluation system. We establish effective evaluation mechanism and update the contents of experimental course. We improve the course quality of the electromagnetic field though reforming the curriculum.

Keywords： electromagnetic field theory； teaching system； evaluation mechanism

一、概述

電磁場原理課程是電氣工程、電子信息工程和通信工程專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎課，主要研究電磁場與電磁波的基本原理、電磁波與物質(zhì)的相互作用，電磁波的傳播特性及應用等。隨著社會對電子信息產(chǎn)業(yè)高級人才要求的提高，本文以重慶大學的電磁場原理課程為探討對象，探索電磁場原理課程教學方法的改革和創(chuàng)新。

二、電磁場原理課程存在的問題

電磁場原理課程的應用前景非常廣泛，如電子標簽設計（RFID），物聯(lián)網(wǎng)中的遠程智能遙控技術(shù)，高速寬帶無線接入方法，遠程無線定位等領域中都得到廣泛且迅速的應用。但是受到軟硬件條件的影響，理論教學和實驗教學都不能及時跟蹤最新技術(shù)的發(fā)展，與社會對人才的需求有一定的脫節(jié)，因此對課程的改革勢在必行[1-4]。

雖然前期也進行了一些必要的改革，但是改革過程中也出現(xiàn)了一些新的問題，而這些新的問題也是國內(nèi)高校教學改革的關注焦點。就目前而言，電磁場與電磁波課程存在的主要問題集中在以下幾個方面：

（一）電磁場原理教學內(nèi)容需要進一步更新

電磁場原理教學內(nèi)容需要不斷更新，主要原因有以下幾方面：一方面電磁場原理課程內(nèi)容與新技術(shù)結(jié)合不夠緊密。電磁場原理課程中需要用麥克斯韋方程解析電磁場的現(xiàn)象，但是現(xiàn)有教學內(nèi)容與電磁場技術(shù)結(jié)合比較少，特別是相關的應用技術(shù)結(jié)合較少，使得學生的學習目標不明確，不知道學習這些內(nèi)容今后在哪些技術(shù)領域得到應用，學習主動性不足。二是部分學生在電磁場數(shù)值分析上不足。電磁場課程本身需要學生熟練運用數(shù)學方法分析和計算，對于電磁場的分布和傳播特性，特別是要求學生熟練運用矢量分析方法進行電磁場特性的分析，但部分學生受制于數(shù)學基礎知識和運用數(shù)學知識的能力，難以掌握電磁場的相關矢量計算方法，以至于覺得學習較為困難。第三方面是教學內(nèi)容和教學手段結(jié)合不夠緊密。隨著科技的發(fā)展，電磁場原理相關的分析和計算軟件也得到了發(fā)展，除了可以計算的Matlab，Ansoft，Hfss和ADS等電磁場分析軟件[5，6]，到近幾年分析多物理場的Comsol和Ansys軟件等，都可以為電磁場原理提供較為形象化的教學效果，但是現(xiàn)在這方面結(jié)合的教學內(nèi)容還較少，缺少這些形象化或動態(tài)化的演示，部分學生難以理解電磁場的傳播本質(zhì)和相關特性。

（二）實驗教學環(huán)節(jié)存在的問題

除了電磁場原理的理論教學存在一些問題，電磁場原理的理論課程對應的實驗課程也是困擾各高校的一個難點問題。

一方面在實驗平臺上存在軟硬件實驗條件不足的問題。無論是基礎實驗還是專業(yè)型實驗的開設，都涉及到電磁場測量和分析相關的設備，而這些設備的科技技術(shù)含量都非常高，而且?guī)缀醣粐鈮艛啵瑑r格昂貴，如果讓所有學生都能夠進行操作實驗儀器，需要配置較多設備，那么需要投入大量的資金，這對于很多高校來說都是難以承受的。

另一方面實驗項目存在更新不足問題。現(xiàn)有課程實驗許多是驗證性實驗和演示型實驗，缺少多專業(yè)應用背景的融合。由于電磁場系列實驗面向各工科專業(yè)，不同專業(yè)、不同背景，對實驗內(nèi)容的要求就有所不同，以往的實驗體系只針對通信工程或電子信息工程專業(yè)的學生，沒有考慮其它專業(yè)的應用背景，隨著電磁場相關技術(shù)的發(fā)展，以往的實驗體系已經(jīng)不能適應各專業(yè)人才培養(yǎng)的目標。在實驗模式上，缺少對學生設計能力、創(chuàng)新精神的培養(yǎng)機制。電磁系列實驗在綜合設計、分析方法上盡管已有不少改革成果，但仍有相當多的實驗還局限于驗證原理和訓練操作技術(shù)，學生只是看現(xiàn)象，而對實驗思路、實驗設計和實驗綜合分析能力重視不足，需要對現(xiàn)有的實驗綜合、分析方法進行研究和改革。

三、電磁場原理實驗課程改革的探索

加強電磁場實驗教學是升華電磁場原理的理論教學的一個重要環(huán)節(jié)。需要從實驗內(nèi)容，實驗方式和實驗考核評價方式三個方面進行系統(tǒng)的建設。

（一）需要理論教學結(jié)合實踐，完善實驗教學體系

在電磁場原理課程教學的基礎上，進一步根據(jù)實際開發(fā)實驗新課程，將現(xiàn)有的無線電技術(shù)結(jié)合進來，提高學生對學習理論知識的理解和掌握水平。同時需要進一步豐富現(xiàn)有的實驗教學內(nèi)容，從設計能力和工程開發(fā)能力的兩個方面入手，提升實驗教學的深度與廣度。以電磁場原理的理論為基礎，根據(jù)不同專業(yè)性質(zhì)的不同，設置不同應用方向的實驗，并根據(jù)學科交叉，設置交叉性綜合實驗方案。

對于相同專業(yè)的學生，根據(jù)實驗的難易程度不同，設計驗證性實驗為基礎，設計型實驗為提高學生創(chuàng)新能力，綜合性實驗為提高學生綜合應用能力的三級實驗體系。根據(jù)實驗內(nèi)容的不同，設立交叉并行的實驗考核體系。同時結(jié)合教師的研究項目和學生的競賽項目，形成完善的實驗教學體系，建立如圖1所示的電磁場原理實驗教學體系。

首先根據(jù)不同專業(yè)，在教學方式上進行改革。不同專業(yè)的學生，學習電磁場知識的應用目的不同，可以根據(jù)應用目標進行不同的實驗方案。如生物工程專業(yè)的學生學習生物電磁學，可以將生物研究和電磁場研究結(jié)合起來，考慮新的生物控制和測量機制。通信工程專業(yè)的學生學習無線控制技術(shù)，可以將具有電磁接收或發(fā)射機制的物體與現(xiàn)代控制技術(shù)緊密結(jié)合，實現(xiàn)新的控制方式。電氣工程專業(yè)的學生學習電磁控制技術(shù)，可以將電機的控制和電磁場的結(jié)構(gòu)結(jié)合起來，實現(xiàn)機電結(jié)構(gòu)的自動控制。

對于相同專業(yè)的學生，需要以電磁場與電磁波為基礎，根據(jù)不同實驗條件，設置交叉性綜合實驗方案，以及設置驗證型/設計型/綜合型三級實驗方案，同時進行交叉性實驗考核和綜合考核方式。將學生的競賽項目和教師研究項目進行適當分解和組合，結(jié)合到電磁場與電磁波的理論和實驗教學過程中。如果推廣成功的案例，那么繼續(xù)深化推廣，反之，結(jié)合新的教學內(nèi)容和方式，加以改進，達到繼續(xù)提高電磁場與電磁波的教學質(zhì)量的目的。在實際教學過程中，即使實現(xiàn)同一個目標，也可以選擇不同的軟件，應用不同知識，參考不同的期刊和文獻資料，設計完全不同的解決方案。

（二）需要根據(jù)設置實驗的不同，設立有效的評價機制

對于驗證性實驗，可以采用實驗報告的形式進行評價，主要是從理論分析角度，對驗證性實驗的結(jié)論進行分析，得到驗證效果的好壞。教師對學生的評價可以從學生分析過程的思路和分析的詳細過程進行考核。對于設計型的實驗，同樣可以采用實驗報告的形式進行考核，但是重點是過程考核。對于不同的設計思路，不同的設計結(jié)果，設計過程一般是不一樣的，但是這個設計過程是最能體現(xiàn)學生創(chuàng)新能力，所以不能以實驗報告的結(jié)果作為評判。對于綜合性的實驗，更是需要體現(xiàn)過程考核和應用能的考核。特別是對于一些應用，需要采用交叉學科的特點，設置交叉學科的實驗。如電氣工程學院的老師在研究腦電波項目過程中，可以分別設置腦電波讀取的實驗和電磁場分析的實驗，其中腦電波讀取的實驗有還可以分為傳感器讀取大腦皮層電磁脈沖的實驗和傳感器陣列數(shù)據(jù)的處理實驗，而電磁場分析的實驗也可以分為電磁計算實驗和電磁與生物電波的相結(jié)合的實驗。

（三）需要不斷充實理論和實驗內(nèi)容

電磁場原理的相關技術(shù)在不斷的發(fā)展，教學內(nèi)容也需要不斷地變更和充實。一些理論知識和實驗項目需要通過各種途徑緊跟技術(shù)發(fā)展的步伐，滿足社會對人才技術(shù)方面的越來越高的要求。如有些實驗項目可以通過學生參加相關專題的競賽，不斷充實實驗項目。教師方面也可以將自己的項目進行分解，形成不同難度的設計項目，讓學生參與項目的研發(fā)，提高學生的分析和解決問題的能力。也可以通過精品課程的建設和參加相關會議，擴大電磁場建設的思路，結(jié)合其他形式的技術(shù)合作拓寬電磁場原理的理論和實驗教學內(nèi)容，不斷地提高教學質(zhì)量。

（四）教學效果的好壞需要從學生和社會反饋，不斷總結(jié)和更新

實驗教學的效果的好壞，一方面需要從學生解讀反饋。學生能否理解，能否掌握知識的內(nèi)涵，能否運用知識解決實際問題，都需要從學生中反饋回來，讓教師不斷改進教學方法和教學內(nèi)容。另一方面也需要從社會的角度進行反饋。學校培養(yǎng)的學生能否勝任企業(yè)的要求，成為教學重要的目標。如果學校培養(yǎng)的學生與社會需求的脫節(jié)太大，那么說明學校的教學是存在問題的。如果把學生比喻成企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品，是次品還是優(yōu)秀產(chǎn)品，需要社會和企事業(yè)單位來評價。那么學校培養(yǎng)的學生的知識水平和能力是否合作，同樣需要社會和企事業(yè)單位來評價。通過評價，改進不足之處，發(fā)揚優(yōu)點和長處，不斷提高教學質(zhì)量。

（五）教學效果需要不斷總結(jié)和推廣

教學效果的需要不斷地總結(jié)，對于較好的理論和實驗教學內(nèi)容，需要不斷地充實到新的教學內(nèi)容中，而對于部分電磁場的內(nèi)容，可以考慮精簡。如電磁場原理中的部分靜電場的知識，其內(nèi)容與大學物理的部分磁學內(nèi)容重疊，可以考慮進行精簡。而對于通信工程專業(yè)的學生，其內(nèi)容涉及載波和調(diào)制的內(nèi)容，可以增加電磁波的色散機制，特別是增加載波和包絡波的內(nèi)容，同時增加行波和行駐波傳播機制相關的內(nèi)容。

總之，需要從學生，社會和教師等多方面共同努力，改革電磁場原理的理論和實驗課程，提高電磁場教學質(zhì)量。

四、結(jié)束語

文章通過對電磁場原理課程存在的幾方面進行討論，包括電磁場原理的理論課程和實驗課程兩方面存在的問題，提出建立電磁場理論和實驗體系的建議。建議理論教學結(jié)合實踐，完善實驗教學體系，同時建立有效的考核評價機制，并將教師項目驅(qū)動機制結(jié)合，不斷更新教學內(nèi)容，提高教學質(zhì)量。

參考文獻

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