西部高校“電磁場(chǎng)與電磁波”課程可視化教學(xué)的探索和實(shí)踐——以吉首大學(xué)為例＊

唐炳

西部高校“電磁場(chǎng)與電磁波”課程可視化教學(xué)的探索和實(shí)踐——以吉首大學(xué)為例＊

唐炳

（吉首大學(xué)物理與機(jī)電工程學(xué)院，湖南 湘西土家族苗族自治州 416000）

“電磁場(chǎng)與電磁波”這一課程本身內(nèi)容晦澀難懂，概念抽象，數(shù)學(xué)公式復(fù)雜繁多，加上西部高校師資力量不足，導(dǎo)致西部高校老師對(duì)這一課程難教、學(xué)生對(duì)這一課程難學(xué)。以吉首大學(xué)為例，通過與廣州粵嵌公司合作開展了對(duì)“電磁場(chǎng)與電磁波”這一課程的可視化教學(xué)研究。將課程中的理論知識(shí)與現(xiàn)代流行的科學(xué)計(jì)算軟件相結(jié)合，利用科學(xué)計(jì)算軟件強(qiáng)大的計(jì)算功能和可視化功能，讓學(xué)生加深對(duì)理論知識(shí)背后物理圖像的認(rèn)識(shí)。課后讓學(xué)生自己編程，做與課堂知識(shí)有關(guān)的實(shí)驗(yàn)，提高學(xué)生的編程能力和創(chuàng)造力，讓他們得到多方面的發(fā)展。

“電磁場(chǎng)與電磁波”；可視化教學(xué)；現(xiàn)代科學(xué)計(jì)算軟件；教學(xué)研究

1 引言

“電磁場(chǎng)與電磁波”是我校電科專業(yè)本科生一門必修課程。其所涵蓋的基本理論是很多交叉學(xué)科的生長(zhǎng)點(diǎn)和新興邊緣學(xué)科發(fā)展的基礎(chǔ)[1]。通過對(duì)該課程的學(xué)習(xí)，有助于電子信息類本科生完善自身科學(xué)素養(yǎng)，以適應(yīng)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。但是要學(xué)好“電磁場(chǎng)與電磁波”這一課程是比較艱難的，因?yàn)樗婕傲烁叩葦?shù)學(xué)與物理學(xué)兩方面的知識(shí)，歷來被稱為教師難教、學(xué)生難學(xué)的課程[2]。

對(duì)于西部地區(qū)高校而言，盡管國(guó)家出臺(tái)并實(shí)施了一系列措施來促進(jìn)和提高西部地區(qū)高校教育發(fā)展水平，但是由于長(zhǎng)期以來受地理位置和交通等的影響，西部地區(qū)師資力量薄弱，高校教育發(fā)展水平相對(duì)而言比較落后[3]。因此，在西部高校地區(qū)要教好“電磁場(chǎng)與電磁波”這門課程顯得更為困難。校企合作教育是實(shí)現(xiàn)高校教育人才培養(yǎng)模式的有效手段，是實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才培養(yǎng)的一種有效途徑[4]。課堂上教師將課程中的理論知識(shí)與現(xiàn)代流行的科學(xué)計(jì)算軟件相結(jié)合教學(xué)，利用科學(xué)計(jì)算軟件強(qiáng)大的計(jì)算功能和可視化功能，讓學(xué)生從繁雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)中解放，讓他們的思維不停留在理論知識(shí)的表面，而是擴(kuò)展到對(duì)理論知識(shí)背后物理圖像的認(rèn)識(shí)。課堂外通過企業(yè)教師對(duì)學(xué)生進(jìn)行適合培訓(xùn)，讓學(xué)生能自己動(dòng)手編程，做與課堂知識(shí)有關(guān)的實(shí)驗(yàn)，對(duì)書中理論知識(shí)進(jìn)行深入的理解和掌握。

2 “電磁場(chǎng)與電磁波”教學(xué)介紹

我校所使用本課程教材為謝處方、饒克謹(jǐn)教授編寫的《電磁場(chǎng)與電磁波》第四版本，全書共有八章節(jié)，包括矢量分析、電磁場(chǎng)和電磁波三大部分。該課程的教學(xué)有幾大的難點(diǎn)：①數(shù)學(xué)公式多，理論性強(qiáng)，求解電磁場(chǎng)問題復(fù)雜，教師在教授這門課程的過程中需要用大量的時(shí)間來完成公式運(yùn)算與推導(dǎo)，在課時(shí)有限的情況下影響了該課程的教學(xué)進(jìn)度和效果，要求學(xué)生有較強(qiáng)的數(shù)學(xué)功底和理性思維能力；②物理模型抽象，書中缺乏相應(yīng)的物理圖像的建立，要求學(xué)生要有良好的抽象思維能力。對(duì)于西部高校來說，要教好“電磁場(chǎng)與電磁波”這一課程，探索一個(gè)新的教學(xué)方案是勢(shì)在必行的。通過與粵嵌公司的合作，開展可視化教學(xué)的探索與實(shí)踐是一個(gè)很好的途徑。近年來，計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)蓬勃發(fā)展，具有強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算能力和強(qiáng)大的繪圖功能的軟件越來越流行，如MATLAB和Python等軟件。它們幾乎能滿足所有現(xiàn)代數(shù)學(xué)計(jì)算，課堂上可以減輕教師的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)壓力，讓學(xué)生從初始條件中快速得到結(jié)果，不用花大量時(shí)間在數(shù)學(xué)公式的推導(dǎo)上，可以利用節(jié)省的時(shí)間理清知識(shí)框架結(jié)構(gòu)。

3 “電磁場(chǎng)與電磁波”課程可視化教學(xué)的探索和實(shí)踐

借助科學(xué)計(jì)算軟件來進(jìn)行“電磁場(chǎng)與電磁波”課程的可視化教學(xué)，目的是提高課堂效率，利于教師對(duì)課程知識(shí)內(nèi)容的講解和學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，用生動(dòng)形象的圖片或者動(dòng)畫來提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，課后讓學(xué)生們自己動(dòng)手，用軟件對(duì)書中的例題進(jìn)行計(jì)算和繪圖來加深他們對(duì)書本知識(shí)的理解，同時(shí)提高他們的動(dòng)手能力。通過與廣州粵嵌公司合作，由雙方共同完成該課程的教學(xué)。院校教師通過引入科學(xué)計(jì)算軟件教學(xué)，增加實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和習(xí)題設(shè)計(jì)，在原有的習(xí)題基礎(chǔ)上，布置關(guān)于利用軟件仿真的習(xí)題，使教學(xué)內(nèi)容更加形象生動(dòng)，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，改善了教學(xué)效果。下面是幾個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)例。

3.1 實(shí)驗(yàn)一：帶電粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)仿真

3.1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

掌握帶電粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是非常重要的，利用科學(xué)計(jì)算軟件模擬帶電粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)，能夠很好地幫助學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握相關(guān)的理論知識(shí)。

3.1.2 實(shí)驗(yàn)原理

假設(shè)有一均勻電場(chǎng)，有一電子的質(zhì)量為，電荷為 ﹣，它以速度0垂直射進(jìn)均勻電場(chǎng)中。利用軟件進(jìn)行編程模擬電子的運(yùn)動(dòng)軌跡，可以直觀地得到不同電場(chǎng)或者不同初速度的情況下的運(yùn)動(dòng)軌跡。變化電場(chǎng)下的電子運(yùn)動(dòng)軌跡如圖1所示。

3.1.3 仿真結(jié)果

圖1中變化電場(chǎng)下的電子運(yùn)動(dòng)軌跡生動(dòng)形象，但是如果沒有這個(gè)仿真，單靠想象力很難想象到該帶電粒子在電場(chǎng)中是這樣的一個(gè)運(yùn)動(dòng)軌跡，如果用儀器做實(shí)驗(yàn)也是很難實(shí)現(xiàn)。但是依靠可視化編程軟件，卻能夠非常直觀地得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，而且隨時(shí)可以改變初始條件得到不同的運(yùn)動(dòng)軌跡，這樣的仿真實(shí)驗(yàn)只需要一臺(tái)安裝好的現(xiàn)代科學(xué)計(jì)算軟件就行，不受時(shí)間、設(shè)備儀器的影響。這樣生動(dòng)形象的實(shí)驗(yàn)仿真圖能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

3.2 實(shí)驗(yàn)二：點(diǎn)電荷在x、y平面電勢(shì)分布的仿真

3.2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

點(diǎn)電荷的電場(chǎng)就是一個(gè)矢量場(chǎng)，模擬其電力線的分布就可以得到電場(chǎng)的空間分布，利用軟件畫出點(diǎn)電荷在、平面電勢(shì)的分布情況。

3.2.2 實(shí)驗(yàn)原理

假設(shè)真空中一對(duì)正負(fù)電荷，正電荷位于（﹣1，0），負(fù)電荷位于（1，0）。先解析計(jì)算出出、平面上的電勢(shì)，再利用可視化軟件畫出電勢(shì)在、平面上的電勢(shì)分布圖，如圖2所示。

圖2 點(diǎn)電荷在x、y平面電勢(shì)分布圖

3.2.3 仿真結(jié)果

如圖2所示，該圖生動(dòng)形象地展現(xiàn)了兩個(gè)正負(fù)點(diǎn)電荷在、平面上的電勢(shì)分布圖，把學(xué)生從抽象的物理概念和數(shù)學(xué)公式帶入直觀的物理圖像中來，增加了學(xué)習(xí)的趣味性，便于學(xué)生理解電勢(shì)相關(guān)知識(shí)，為后續(xù)學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)。

4 結(jié)語

本文根據(jù)西部高校對(duì)“電磁場(chǎng)與電磁波”這一課程難學(xué)、難教和師資力量不足的特點(diǎn)，以吉首大學(xué)為例，通過與粵嵌合作，將目前十分流行的科學(xué)計(jì)算軟件運(yùn)用到電磁場(chǎng)與電磁波的教學(xué)中來。利用科學(xué)計(jì)算軟件的可視化功能，將抽象的物理概念或者數(shù)學(xué)公式以生動(dòng)形象的圖畫顯示出來，讓學(xué)生不再覺得學(xué)習(xí)這門課程是枯燥無味的，并激發(fā)他們的學(xué)習(xí)積極性。事實(shí)證明，這一教學(xué)模式取得了良好的教學(xué)效果。

［1］張正峰，那薇.新中國(guó)西部高等教育的發(fā)展歷程、邏輯與未來路徑［J］.教育與教學(xué)研究，2020，34（9）：87-95.

［2］徐國(guó)雄.信息類本科專業(yè)“電磁場(chǎng)理論”的教學(xué)難點(diǎn)與解決方法探討［J］.科教導(dǎo)刊（上旬刊），2019，388（10）：115-116.

［3］周雪芳，錢勝，李齊良.“電磁場(chǎng)與電磁波”精品課程建設(shè)的探索與實(shí)踐［J］.中國(guó)電力教育，2011（4）：68-69.

［4］郭晉.創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式的有效途徑——校企合作［G］//深化校企合作促進(jìn)科技創(chuàng)新學(xué)術(shù)論壇暨博士后科技成果洽談會(huì)論文集，2011.

2095－6835（2021）06－0091－02

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10.15913/j.cnki.kjycx.2021.06.033

唐炳（1986—），男，湖南益陽人，吉首大學(xué)物理與機(jī)電工程學(xué)院副教授，主要研究方向?yàn)槔碚撐锢怼?/p>

教育部2018年第一批產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目“電磁場(chǎng)與電磁波教學(xué)改革項(xiàng)目”（編號(hào)：201801193025）；吉首大學(xué)學(xué)位與研究生教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目（編號(hào)：JG2018B06)；湖南省錳鋅釩產(chǎn)業(yè)技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心教學(xué)改革研究項(xiàng)目（4）

〔編輯：丁琳〕