電磁場(chǎng)與電磁波的教學(xué)改革實(shí)踐

仲愛民

[摘 要] 電磁場(chǎng)與電磁波課程概念抽象、理論性強(qiáng)、公式計(jì)算復(fù)雜，一直被認(rèn)為是電類專業(yè)教師不好講授、學(xué)生難以聽懂的課程之一。但是該課程又是電子大類學(xué)生必修的專業(yè)基礎(chǔ)課，學(xué)科地位十分重要。近年來，從應(yīng)用型本科的教學(xué)特點(diǎn)出發(fā)，對(duì)電磁場(chǎng)與電磁波教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，教學(xué)中嘗試了主線教學(xué)法等一系列的方法改革，調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性，在教學(xué)效果方面取得了一定的成績(jī)。

[關(guān) 鍵 詞] 電磁場(chǎng)與電磁波；主線教學(xué)法；教學(xué)改革

[中圖分類號(hào)] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A [文章編號(hào)] 2096-0603（2017）22-0134-02

一、電磁場(chǎng)課程特點(diǎn)與教學(xué)中容易出現(xiàn)的問題

（一）課程特點(diǎn)

電磁場(chǎng)與電磁波是一門理論性很強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課，目前，全國(guó)的本科院校中，電子信息、通信工程等電專業(yè)都將其作為基礎(chǔ)必修課程。這門理論課數(shù)學(xué)知識(shí)運(yùn)用較多、理論也較抽象。如果不能很好地將數(shù)學(xué)工具、物理概念及原理結(jié)合起來，學(xué)生很難理解知識(shí)的內(nèi)涵。電磁場(chǎng)與電磁波包括矢量分析、靜電場(chǎng)、恒定磁場(chǎng)、時(shí)變電磁場(chǎng)、均勻平面電磁波、導(dǎo)行電磁波、電磁輻射等內(nèi)容。雖然它們之間既有共性又有個(gè)性。但是在學(xué)習(xí)中要求將抽象思維和邏輯推理相結(jié)合，學(xué)生往往不容易掌握。

（二）教學(xué)中容易出現(xiàn)的問題

（1）老師在教學(xué)中認(rèn)為該課程太難，與學(xué)生互動(dòng)務(wù)必效果不佳，因而采用傳統(tǒng)的“填鴨式”的教學(xué)方法，課程內(nèi)容只是介紹定義是什么、公式哪里來的，缺少推導(dǎo)的詳細(xì)過程和理論的實(shí)際應(yīng)用，學(xué)生聽半天，重點(diǎn)和難點(diǎn)不知在哪里。甚至出現(xiàn)老師滔滔不絕，學(xué)生昏昏欲睡的情況。（2）學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中反映需要記憶的公式和概念太多，而電磁場(chǎng)屬于看不見摸不著的物質(zhì)存在，大小和方向還在不斷地變化，不像電路、模擬電子技術(shù)那樣分析有思路就可以進(jìn)行直接理論計(jì)算，所以課堂上只能被動(dòng)地記筆記、看書上的例題和老師的PPT。（3）以前的考核內(nèi)容是授課老師習(xí)慣按照總共10道題，每題10分的形式，這樣既沒有照顧學(xué)生的基礎(chǔ)差異，又偏向于數(shù)學(xué)理論計(jì)算，學(xué)生學(xué)完后，好多概念沒有理解透徹，考試過了也不知道學(xué)得什么。

二、課程教學(xué)改革方法

（一）實(shí)施主線教學(xué)法

在教學(xué)中，筆者將電磁場(chǎng)與電磁波內(nèi)容進(jìn)行了總結(jié)、歸納，實(shí)施了主線教學(xué)法，取得了不錯(cuò)的效果。所謂主線教學(xué)是指根據(jù)電磁場(chǎng)課程特點(diǎn)和學(xué)生需求，理出整體解讀的視點(diǎn)，并據(jù)此分層布點(diǎn)、逐點(diǎn)融通、層層推進(jìn)，力求教學(xué)點(diǎn)之間內(nèi)通外聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了局部教學(xué)目的與整體教學(xué)目標(biāo)相契合，進(jìn)而明晰了學(xué)習(xí)思路，引導(dǎo)學(xué)生與教師高效對(duì)話的一種教學(xué)方式。

教學(xué)中，筆者將電磁場(chǎng)與電磁波課程的主線具體定為“三度三大一組四傳播”，即為：三度（梯度、散度、旋度）基礎(chǔ)；三大實(shí)驗(yàn)定律（庫(kù)侖定律、安培定律和法拉第電磁感應(yīng)定律）；一組積分與微分方程（麥克斯韋方程組的積分和微分形式）；四種傳播（均勻平面波在無界空間的傳播、多層媒介中的電磁波傳播、導(dǎo)波系統(tǒng)中的電磁波傳播與天線向空間的電磁波傳播）。這樣一來，學(xué)生在學(xué)習(xí)中任務(wù)非常明確，哪個(gè)部分自己掌握了，哪些部分還需要重點(diǎn)攻關(guān)都能心中有數(shù)。比如，在矢量分析一章中，要求學(xué)生在理解標(biāo)量和矢量的基礎(chǔ)上，更要理解梯度、散度和旋度的意義，三度在直角坐標(biāo)系中的計(jì)算。在此基礎(chǔ)上，由其定義和數(shù)學(xué)表達(dá)式，推導(dǎo)出散度定理、斯托克斯定理，結(jié)合電磁場(chǎng)內(nèi)容，理解無旋場(chǎng)、無散場(chǎng)以及拉普拉斯運(yùn)算和亥姆霍茲定理。

（二）強(qiáng)化公式的推理分析

電磁場(chǎng)中所有的公式和結(jié)論都來自于前面知識(shí)的推理和總結(jié)，講課中應(yīng)環(huán)環(huán)相扣，來龍去脈交代清楚才能吸引學(xué)生，老師也好講。如在介紹靜態(tài)電磁場(chǎng)時(shí)，應(yīng)明確靜態(tài)電磁場(chǎng)是電磁場(chǎng)的一種特殊形式，當(dāng)場(chǎng)源即電荷量不隨時(shí)間變化時(shí)所激發(fā)的電場(chǎng)、磁場(chǎng)也不隨時(shí)間變化稱為靜態(tài)電磁場(chǎng)。這樣一介紹，學(xué)生首先明確了靜電場(chǎng)的概念。由麥克斯韋方程組推出靜電場(chǎng)的基本方程，強(qiáng)調(diào)其重要性是靜電場(chǎng)的基本方程揭示了靜電場(chǎng)的基本性質(zhì)，是分析計(jì)算靜電場(chǎng)問題的基礎(chǔ)。再通過設(shè)疑問引出高斯定理對(duì)靜電場(chǎng)雖然適用，但是對(duì)電場(chǎng)分布具有某種對(duì)稱性的電場(chǎng)才能應(yīng)用此定律來計(jì)算電場(chǎng)分布，也是計(jì)算這類對(duì)稱性電場(chǎng)的重要方法。

同樣，在場(chǎng)源隨時(shí)間變化的情況下，電場(chǎng)和磁場(chǎng)相互激勵(lì)在空間形成電磁波。時(shí)變電磁場(chǎng)的能量以電磁波的形式進(jìn)行傳播。在時(shí)變電磁場(chǎng)中引入矢量位和標(biāo)量位兩個(gè)位函數(shù)的目的是能簡(jiǎn)化波動(dòng)方程的求解過程。均勻平面電磁波在無界理想媒質(zhì)中傳播時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度矢量和磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量的振幅不變，它們?cè)跁r(shí)間上同向，在空間上互相垂直并與電磁波傳播方向垂直，三者構(gòu)成右手螺旋關(guān)系。這樣介紹能激發(fā)學(xué)生興趣，期望進(jìn)一步了解后面相關(guān)內(nèi)容。

（三）選取典型例題進(jìn)一步加深對(duì)概念的理解

在教學(xué)中，通過一系列典型題目將復(fù)雜的問題簡(jiǎn)化。如在介紹梯度的概念時(shí)，舉例有一座山，高度80米，山頂與山腳下的溫差為30℃，三個(gè)人登山，坡度較小的為200米，較大的為100米，而垂直攀巖的是80米，計(jì)算一下三個(gè)人運(yùn)動(dòng)中的溫度變化率，這樣引入梯度概念學(xué)生感覺非常自然。再如介紹趨膚深度概念，為什么潛艇在海底通信時(shí)使用聲吶而不用無線電，通過引入海水的媒質(zhì)參數(shù)和預(yù)設(shè)無線電頻率，代入相關(guān)公式運(yùn)算，電磁波在海水中的衰減一目了然。這樣的例題還有好多。總之，講例題，必須精雕細(xì)選，而不是有一題就講一題。

（四）運(yùn)用多媒體形象化教學(xué)

多媒體教學(xué)不能簡(jiǎn)單地理解為用PPT代替?zhèn)鹘y(tǒng)的粉筆+黑板，而是在可能的情況下，將圖片、視頻、動(dòng)畫、仿真等引入教學(xué)過程中，使教學(xué)內(nèi)容豐富、形象。如合理運(yùn)用Matlab軟件，課堂上編寫較為簡(jiǎn)單的Matlab程序，進(jìn)行小規(guī)模電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算。又如用動(dòng)畫演示平面電磁波在多種媒質(zhì)交界面形成反射和透射過程，TE10波在矩形波導(dǎo)內(nèi)電磁場(chǎng)的傳播，開路或短路條件下平行線上電壓和電流駐波的形成和變化等。

（五）注重與實(shí)際應(yīng)用結(jié)合

電磁場(chǎng)與電磁波課程為什么重要，原因之一就是在工程上獲得廣泛的應(yīng)用。金屬外殼的汽車為什么能夠防止雷擊？可結(jié)合靜電場(chǎng)的原理解釋。屏蔽室金屬厚度如何計(jì)算？良導(dǎo)體中的均勻平面波傳播常數(shù)可以計(jì)算獲得。天線為什么設(shè)計(jì)成各種形狀？因?yàn)樘炀€傳播的極化形式不同。類似的應(yīng)用還有很多，需要老師的知識(shí)積累和不斷的學(xué)習(xí)。

（六）考試內(nèi)容改革

應(yīng)用型本科教育強(qiáng)調(diào)能力的培養(yǎng)、知識(shí)的掌握和應(yīng)用，現(xiàn)行學(xué)生學(xué)業(yè)成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)重理論輕實(shí)踐、重記憶輕實(shí)用必須改變。筆者在考試內(nèi)容上，概念部分占20%、證明題占10%、計(jì)算題占30%、實(shí)踐應(yīng)用題占40%。同時(shí)平常測(cè)試、作業(yè)、課堂提問占30%，結(jié)束考試成績(jī)占70%。結(jié)果證明，考試能有效拉開檔次，平時(shí)不注意聽講的學(xué)生，僅靠考試之前的突擊并沒有多大效果，而那些喜歡課堂和課后提問的，常到圖書館查資料的學(xué)生則成績(jī)均優(yōu)異。

三、教學(xué)改革效果分析

電磁場(chǎng)與電磁波教學(xué)改革已先后在兩個(gè)年級(jí)九個(gè)班共430名學(xué)生的教學(xué)過程中實(shí)施，均取得預(yù)期的教學(xué)效果。經(jīng)民主測(cè)評(píng)，學(xué)生的滿意度達(dá)到了91%，其做法也已受到學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)充分的肯定。2016年和2017年該課程結(jié)束考試成績(jī)分布如圖1和圖2所示。

四、結(jié)語(yǔ)

電磁場(chǎng)與電磁波的教學(xué)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。不同學(xué)科、不同課程都有自身不同的特點(diǎn)，不能單純依靠簡(jiǎn)單的教學(xué)模式和手段，必須在保證教學(xué)質(zhì)量的前提下，對(duì)教學(xué)方法進(jìn)行不斷探索和創(chuàng)新，更需要在教會(huì)學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)的基礎(chǔ)上，充分讓學(xué)生體驗(yàn)新的技術(shù)和新的科學(xué)，使他們能適應(yīng)社會(huì)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

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