新工科背景下“電磁場理論”課程的教學與實踐

賈雁飛，劉柏生，劉 巖，鄒青宇，邢礫云

（北華大學 電氣與信息工程學院，吉林 吉林 132012）

與傳統的工科人才相比，未來新興產業更需要實踐和創新能力強的高素質復合型新工科人才[1]，“電磁場理論”與電子信息工程專業的許多核心課程均有緊密的相關性，是培養新工科人才必不可少的一門重要課程，通過該課程的學習，學生可以為畢業后從事相關工作打下一定的理論及實踐基礎[2-4]。但是該課程的學習講究抽象思維和邏輯推理兩者的結合，不僅概念抽象、公式復雜多變，而且需要一定的數學推理過程，學生往往不易理解掌握。因此，需要采取適當并有效的方法來提高該課程的教學質量和效果[5-6]。本研究從教學內容、教學方法、教學手段和考核方式4個方面闡述對該門課程進行教學改革和實踐的具體措施。該課程的教學改革措施框架如圖1所示。

圖1 電磁場理論教學改革措施框架

1 教學內容

“電磁場理論”的主要內容包括：矢量分析、靜電場、恒定磁場、恒定電場、時變電磁場、均勻平面波的傳播、電磁輻射等。課程內容包括繁多抽象的概念、定理和定律，講授過程中又不可避免地要向學生介紹涉及的公式推導和計算。傳統的教學過程往往是直接向學生灌輸事實性知識，教學過程過多偏重理論，對理論的實際應用介紹相對較少。針對以上問題，本專業對該門課程的教學內容進行了相應調整，弱化理論講解，重視實際應用，確定實際教學的實施方案。對教學大綱和教學計劃進行一定的調整和修訂，注重案例教學，多講解重點理論的相關案例，注重理論的實際應用。例如，在講解高斯定理時，弱化該定理的推導過程，對于如何得到這一定理的相應內容進行簡要介紹，不講解詳細的公式推導過程，重點講解該定理的應用條件和應用場合，進行案例教學，多例舉與該定理相關的應用實例。比如：導體球、電荷均勻分布的帶電球體等周圍空間電場的分布情況，只有這些電荷源呈對稱分布的電場問題才可以應用高斯定理來進行分析和求解。在這個過程中讓學生能夠熟練運用高斯定理來求解相關的電場分布問題。還有在講解安培環路定理時也是同樣的道理，該定理的應用前提也是要求電流源滿足對稱分布，其他情況是不可以應用該定理來求解相應磁場問題的。教師將涉及該定理的各種情況多給學生進行介紹，包括什么情況適用，什么情況不適用，在場的求解過程中需要注意什么等。這樣學生就能十分清楚老師所講授的內容到底是什么、用在哪、怎樣用。沒有實際的案例做支撐，再經典的理論也只是紙上談兵。所以，本課題在教學內容上增加了很多案例講解，讓學生在學中做，在做中學。

2 教學方法

以往大多數課程都是一門課程教師從頭講到尾，學生完全被動接受。有些學生在課堂上疲于記筆記和接受老師所講的內容，沒有一個人能系統地去理解思考。有些學生則直接放棄學習這門課程，結果導致教與學過程嚴重分離，非常不利于學生原創性思維的有效發展。為了解決這一問題，筆者建議適當設置一些思考題組織學生分組討論問題、分析問題，最后解決問題。學生可以進行自由分組，分組后組內成員共同商議每個組員的分工，大家集思廣益，一起找到解決問題的方法，給出問題的最終答案，改變以往教師獨自講授的實際情況，調動學生的積極性，讓學生參與到課堂教學環節中，提高學生分析問題、解決問題、與人溝通、團隊協作等能力。

3 教學手段

通過對幾屆該專業學生的問卷調查發現，學生在學習過程中，除了反映電磁場相關理論太抽象，無法想象出實際當中看不見摸不到的電磁場外，還反映課程內容多、理論性強、公式多等問題。對于上述問題，本專業充分發揮多媒體課件的優勢，以多媒體形式解讀微觀抽象的電磁理論，將晦澀難懂的電磁現象直觀生動地展現出來，同時，適當運用Matlab等仿真軟件配合相關理論的講解。例如，在講解電磁波的輻射這一部分內容時，可以用幾條簡單的Matlab語句仿真出對稱天線的三維輻射方向，如圖2所示。學生看到仿真圖會很容易理解教師所講解的內容，從而拉近學生與電磁場這門課程的距離，讓學生體會到這門課程沒有想象中那么難。這樣做的另一好處是，可以節省大量課堂講授時間，用新知識、新技術充實課堂教學內容。

4 考核方式

課程原有的考核方式也存在弊端，學生的總成績大多由出勤和期末考試兩部分成績決定。有些學生為了達到較高的出勤率，明明聽不懂、學不會，還勉強坐在教室里當觀眾。可見這種考核方式缺乏全面性與科學性，沒有反映出每個學生真實的學習水平。為了使該課程的考核方式更加科學合理，必須引入新的考核辦法，采用平時測驗、課堂討論和期末考試等幾部分的成績進行綜合評定，從而客觀真實地反映學生的綜合素質。

圖2 半波對稱天線輻射方向

5 結語

本研究對本校電子信息工程專業本科學生的電磁場理論課程進行教學改革，調整了教學內容，轉變了教學方法，運用了多種教學手段，采用了比較全面的考核方式，在該門課程改革實踐過程中取得了良好的教學效果，有效提高了電磁場理論課程的教學質量。