高等電磁場理論教學中物理思維培育的探索

丁亮 鄭月軍 肖科

摘要：高等電磁場理論是研究生專業核心課程，是本科電磁場理論課程的深化和拓展。為了提高學生學習該課程的積極性，提高教學效果，在課堂教學中盡可能地采用物理模型、物理現象對概念和公式進行講解，從而使學生對電磁場理論的概念理解可以更加深刻、更加物理。通過初步實踐該課堂教學方法，發現該教學方法能提高教學質量。

關鍵詞：高等電磁場理論；物理思維；研究生

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）24-0124-02

研究生課程《高等電磁場理論》是在本科生電磁場理論的基礎上將學生的電磁場理論水平提高一步，使其電磁理論知識進一步系統化，為學生修習其他課程（如《計算電磁學》、《高等天線》和《導波場論》等）打好基礎，是一門承上啟下的專業核心課程。因此，在內容安排上，以加強電磁理論的基礎為主，兼顧電磁領域的一些最新發展和一些最新概念。國內大學一般具有較好的課程體系，教學內容集中充足。《高等電磁場理論》課程學習需要鞏固基礎知識，同時需要在若干部分進行深化和拓展，例如基本電磁理論中的本構關系、電磁能量與功率的概念等。課程內容較多，并且課程實施過程中有大量的公式推導，使用傳統的教學方法不能達到很好的效果，容易導致學生學習熱情和積極性較低，課堂氣氛低沉[1]。為了確保授課效果，讓學生掌握知識點的同時，能夠盡可能地理解授課內容，同時調動學生學習積極性和學習興趣，我們需要在教學過程中重視電磁場理論中基礎的、重要的物理意義和物理本質講解。將冗長的公式推導、復雜的理論“嚼碎”，在正常教學內容的基礎上增加物理本質的介紹，可以使學生形成物理思維，從最底層的物理意義出發學習和思考，為后續的科學與工程問題研究打好基礎。

一、基本概念的物理解釋

電磁場理論課程中有許多抽象、易混淆的概念，學生接受課堂講授之后往往會處于比較迷惑的狀態。將這類概念通過從更加一般性的物理意義出發開始講解，對抽象的、易混淆的概念進行解釋，往往會達到較好的效果。例如波導傳輸中的相速度和群速度，以及能速度這三個概念。首先相速度和能速度是針對單一頻率的概念，而群速度是包含一個頻點附近的一個頻段。

以上通過將均勻矩形波導中的波傳播問題分解成兩個方向的平面波，然后針對平面波進行分析，使用投影的方法即可求得相速度和群速度。這是一種先使用歐拉公式，將模式場方程分解成兩個方向的平面波，然后再進行分析的方法。另外還有一種直接用鏡像原理進行等效，直接分析的方法。

首先假設一個波導截面，電場在Y方向上沒有變化，因此我們可以忽略波導的頂部和底部，將波導簡化成為間距為a的兩塊金屬板，波導中存在激勵S0。[3]

應用鏡像原理，即可將問題轉化為

二、結束語

對理論性較強且應用面很廣的專業核心課程，如電磁場理論，一般是涉及許多領域，例如雷達、遙感、地理勘探、生物電磁效應、天線、無線通信、光子技術及高頻電路等[2]，教師局限于自身的知識面，課堂講授內容很難覆蓋那么廣的領域，較好的教學方法是將底層的物理原理講透，這有助于適應不同知識背景、不同理論基礎、不同應用方向學生的需求。

參考文獻：

[1]朱安福.“電磁場與電磁波”課程教學實踐與探討[J].中國電力教學，2013，（26）：45-46.

[2]Jian-Ming Jin，Theory and Computation of Electromagnetic Fields[M].John Wiley & Sons，Inc.，2015.

[3]Richard Feynman，Robert B.The Feynman lectures on physics.Pearson Education，Inc.，1989.