電磁場理論教學(xué)中遇到的問題及其改進思路

邱立存 華北理工大學(xué) 信息工程學(xué)院

1 引言

電磁場理論體系是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的重要構(gòu)成，它的每一個定律、定理和公式都對人類社會科技發(fā)展產(chǎn)生了深刻的影響，改變了社會的生活方式。它是人類知識寶庫中的精髓，更是相關(guān)專業(yè)工程技術(shù)人員必須掌握的基礎(chǔ)理論。一直以來，高等院校電子類專業(yè)都將電磁場理論列為最重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。通過此課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生建立較完整的電磁場理論體系架構(gòu)，進一步掌握足夠的電磁場基本理論和應(yīng)用研究方法。能夠用場的理論和波動理論來分析解決所遇到的相應(yīng)的實際問題，并為微波技術(shù)、電磁兼容及光纖技術(shù)等知識的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。但對于電磁場理論課程學(xué)生普遍反映難學(xué)，教師也感到難教，教學(xué)效果不理想。在此，根據(jù)多年的教學(xué)經(jīng)驗，對電磁場理論在教學(xué)中遇到的問題及其改進思路進行介紹。

2 問題

對于電磁場理論教學(xué)中普遍反映的難學(xué)難教的問題原因，可歸納成以下幾點：

2.1 前序課程學(xué)過部分內(nèi)容，這樣，學(xué)生再學(xué)習(xí)電磁場理論課程時，會有似曾相識的感覺，覺得學(xué)過相關(guān)的知識內(nèi)容，從而會對相應(yīng)的課程學(xué)習(xí)產(chǎn)生厭倦情緒，不認真學(xué)習(xí)。

2.2 課程內(nèi)容復(fù)雜抽象，尤其是課程里的數(shù)學(xué)知識大部分是矢量數(shù)學(xué)知識的應(yīng)用，散度、旋度，梯度、拉普拉斯運算等，并且概念抽象，公式繁多，內(nèi)容枯燥，會產(chǎn)生未學(xué)先懼的畏難情緒，從而影響學(xué)生學(xué)習(xí)積極性。

2.3 課程內(nèi)容與實際應(yīng)用結(jié)合不緊密，由于電磁場理論屬于專業(yè)基礎(chǔ)知識，致使其內(nèi)容與現(xiàn)今人們經(jīng)常接觸到的科技應(yīng)用較遠，學(xué)生不了解電磁場理論與實際應(yīng)用的聯(lián)系情況，甚至有許多學(xué)生認為電磁場理論在將來就業(yè)后沒有用處。這種心態(tài)直接影響了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

2.4 學(xué)生學(xué)習(xí)動力不足，由于學(xué)生到大學(xué)后，有一種喘口氣的思想，想緩解一下高中階段學(xué)習(xí)的緊張情況，致使到大學(xué)后學(xué)習(xí)有所松懈，尤其是對電磁場理論這樣公認的難學(xué)課程更是受到影響，顯現(xiàn)出有的學(xué)生學(xué)習(xí)動力不足。

3 解決思路

對于上述問題，根據(jù)多年教學(xué)經(jīng)驗，有針對性地提出以下解決思路：

3.1 課程內(nèi)容進行適度調(diào)整

電磁場理論講述的就是電磁學(xué)的理論知識，而大學(xué)物理中講述的電磁學(xué)，是電磁學(xué)針對所有工科學(xué)生普及性的講解，雖然也是圍繞麥克斯韋方程組展開，但前者更加系統(tǒng)、詳細、全面、深刻。大學(xué)物理電磁部分重點在于概念的介紹，向初學(xué)者講述麥克斯韋方程組的來歷，分析方法雖然引入場論，但是還是以代數(shù)學(xué)為主，而電磁場理論是從場的理論，應(yīng)用大量矢量數(shù)學(xué)進行場的分析的，涉及內(nèi)容也更加豐富全面。

雖然電磁場理論的部分內(nèi)容，在物理課程中進行過一定程度的介紹， 但是，對于工程技術(shù)人員所從事的相關(guān)工程應(yīng)用和理論研究工作，物理課中講述普及性基礎(chǔ)知識是遠遠不夠的。所以電磁場理論的深入學(xué)習(xí)還是十分必要的。

規(guī)則2或3被改變。規(guī)則3本質(zhì)上是由規(guī)則2衍生而來且針對3*3式圖形密碼中心點的規(guī)則。這兩條規(guī)則有兩種方式微調(diào)。一是改變線段本身性質(zhì)，二是改變線段經(jīng)過點的規(guī)則。前者可以改變線段的連貫性，后者改變可以根據(jù)圖形性質(zhì)改變經(jīng)過某些點次數(shù)。本文設(shè)計了以下密碼規(guī)則。

針對學(xué)生在進行電磁場理論學(xué)習(xí)過程中，已有一定的相關(guān)知識基礎(chǔ)，可以略講，一帶而過，避免重復(fù)性大量講解。對于電磁場理論課程中新出現(xiàn)的知識要詳細講解，使學(xué)生了解透徹。這樣既可以減輕學(xué)生的厭倦情緒，又可以將緊張的課時更多的用在需要詳細講解的內(nèi)容上，當(dāng)然對于前序課程涉及到的內(nèi)容究竟略講到什么程度，應(yīng)根據(jù)課堂上與學(xué)生互動時，了解到的學(xué)生掌握程度來加以決定，適當(dāng)進行調(diào)整。

3.2 適當(dāng)簡化數(shù)學(xué)推導(dǎo)內(nèi)容

電磁場理論這門課需要大量的高等數(shù)學(xué)知識進行分析計算，包含大量使用矢量數(shù)學(xué)進行推導(dǎo)分析，公式繁雜眾多，而這正是此課程的難點，也是學(xué)生學(xué)習(xí)此課程最感頭痛的地方。如果能把課程教學(xué)中推導(dǎo)分析進行簡化，就可以一定程度的減少課程的枯燥程度，減少學(xué)生的畏難情緒。但數(shù)學(xué)推導(dǎo)也不能一概簡化，數(shù)學(xué)推導(dǎo)的簡化也要有所取舍，可舍的能簡化學(xué)習(xí)的枯燥程度，但要對電磁場理論整體的理解沒有影響，對于關(guān)系全局的或重要的理論推導(dǎo)一定要講透。基于以上原則對于數(shù)學(xué)推導(dǎo)的簡化思路如下：

3.2.1 結(jié)論不關(guān)系全局的數(shù)學(xué)推導(dǎo)從略

有些理論的數(shù)學(xué)推導(dǎo)十分繁瑣，但得出的結(jié)果僅僅得出一個孤立的結(jié)論，甚至只有定性的意義，不具有定量分析的意義，這樣的數(shù)學(xué)推導(dǎo)可以略講。比如導(dǎo)體系統(tǒng)的電容的講解是從電位系數(shù)、電容系數(shù)到部分電容，推導(dǎo)方程很龐大，內(nèi)容枯燥，最后只是得到自部分電容、互部分電容的概念，并且多導(dǎo)體之間的電容很難進行數(shù)學(xué)分析計算，這樣的推導(dǎo)可以簡化，即電位系數(shù)稍加講解，可盡快給出包含部分電容的方程以及部分電容的概念。

3.2.2 所得結(jié)論僅是為后面分析進行鋪墊的理論推導(dǎo)可從簡

有些理論推導(dǎo)僅僅是為了得到一個數(shù)學(xué)結(jié)論，而這個數(shù)學(xué)結(jié)論也僅是為在其后的理論推導(dǎo)中進行一次引用而已，這樣的推導(dǎo)也可以從簡。比如電偶極子產(chǎn)生的電場，磁偶極子產(chǎn)生的磁場，它們經(jīng)大量推導(dǎo)得到的電位表達式和矢量磁位表達式，僅是在其后介質(zhì)極化、介質(zhì)磁化的相應(yīng)電位、矢量磁位的推導(dǎo)分析中引用一次，其結(jié)論對其它電磁場知識的理解沒有關(guān)系，這樣的數(shù)學(xué)推導(dǎo)可以簡化，盡快給出結(jié)論就可。但對于電偶極子和磁偶極子的引入、定量描述以及物理含義一定要解釋清楚，僅僅是簡化數(shù)學(xué)分析部分。

3.3.3 類似的理論推導(dǎo)可簡化

電磁場理論課程內(nèi)容中不同場的有些推導(dǎo)過程、原理非常相近，這樣的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，在第一次進行詳細講解后，后續(xù)相近的推導(dǎo)可借鑒前面推導(dǎo)的思路或結(jié)果，從而簡化繁瑣的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，簡化數(shù)學(xué)推導(dǎo)并不是完全回避數(shù)學(xué)內(nèi)容，而是要詳略得當(dāng)。只要講清分析思路，將重點放在結(jié)論認識上。

3.3 在理論講解時盡可能聯(lián)系實際

任何理論的發(fā)展都是離不開實際應(yīng)用的，理論與實際應(yīng)用的結(jié)合會提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又可對電磁場理論知識實際應(yīng)用有直觀的理解。但由于電磁場理論的知識特點，造成其與實際應(yīng)用的聯(lián)系不如其它專業(yè)課程緊密，所以電磁場理論課程尤其需要在理論與實際應(yīng)用之間加強聯(lián)系。這就需要在講解理論時，盡量介紹理論在實際中的具體應(yīng)用，尤其是學(xué)生熟悉、感興趣的相關(guān)應(yīng)用。

比如，在講解介質(zhì)極化時涉及到極性分子，可聯(lián)系家庭常用的微波爐，說明微波爐為什么能加熱，因為水為極性分子受電場作用反復(fù)震動發(fā)熱，吸收電場能量，所以加熱食物時水分高的食物先受熱；同時水也可作為微波器件負載。

其次，講解色散時，可結(jié)合色散在數(shù)字通信技術(shù)中對通信容量提高的危害，談光纖通信采用大幅降低色散的單模光纖而提高通信容量的知識。

再次，講解平面電磁波對導(dǎo)體表面的垂直入射時，介紹隱形飛機外形隱身的原理。

3.4 立德樹人教育在課堂中的實施

教育部長陳寶生在新時代全國高等學(xué)校本科教育工作會議上指出，高等學(xué)校的根本標準就是立德樹人的成效。學(xué)校也強調(diào)要在課堂中的實施立德樹人教育。在電磁場理論課程進行專業(yè)知識講授過程中，根據(jù)實際課堂情況，穿插簡短的人文知識介紹可以達到立德樹人教育的目的，又可以避免因長時間專業(yè)知識學(xué)習(xí)給學(xué)生帶來厭倦情緒，從而活躍課堂氣氛。

4 結(jié)語

通過對電磁場理論教學(xué)存在的問題進行歸納，相應(yīng)地采取措施進行針對性的解決，通過課程講授實踐證明，確實起到了降低課程枯燥程度，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，改善教學(xué)效果的目的。