工程認證背景下“電磁場與電磁波”教學改革與實踐

錢 俊

（梧州學院電子與信息工程學院 廣西 梧州 543002）

電磁場與電磁波這門課程是各學校理工電類的專業(yè)基礎(chǔ)課程，它的內(nèi)容涉及非常廣泛，在學習過程中不僅要用到高等數(shù)學的基本矢量分析、微積分、正交曲線坐標系的應(yīng)用等知識，同時還要用到普通物理學關(guān)于電磁現(xiàn)象的一些基礎(chǔ)知識，由于該課程理論性強，所需要的基礎(chǔ)知識廣泛，為了把這門課程講授好，各個高校的任課老師都在進行各種對應(yīng)的改革。工程專業(yè)認證不僅能夠為教學質(zhì)量提供保障，而且能夠為電類工程專業(yè)修訂培養(yǎng)目標、重組課程體系、深化課堂改革、明晰教師責任、健全評價機制等教學工作的開展提供支持。隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，培養(yǎng)實踐能力較強、理論知識扎實的專業(yè)人才是高等院校電類工程專業(yè)教學改革的主要目的。

1 現(xiàn)狀分析

“電磁場與電磁波”是梧州學院（以下簡稱“我院”）通信工程、電子信息工程、光電信息科學與工程等相關(guān)專業(yè)的必修課。該課程講述了電磁場、電磁波的基本特性及規(guī)律，給出了解決實際問題的分析、計算方法，為相關(guān)專業(yè)的后續(xù)課程，如通信專業(yè)的“微波原理”，光電信息科學與工程班“信息光學”等打好基礎(chǔ)，其地位非常重要。由于該課程涉及的公式多，推導(dǎo)也多，且多數(shù)都比較復(fù)雜，多用到如高等數(shù)學、復(fù)變函數(shù)等知識。另外，這門課程中描述電磁場的所有場量均是矢量，概念抽象，學生不僅對用矢量描述場量難以理解和想象，且電磁場電磁波中矢量運算的應(yīng)用也不熟練。同時還要加上許多電磁學中的基礎(chǔ)內(nèi)容，在這樣的前提下，教師在課堂上要花大量的時間進行數(shù)學推導(dǎo)及演算，以及復(fù)習電磁學的相關(guān)內(nèi)容。近些年，為了適應(yīng)社會發(fā)展的需要，我院逐漸向應(yīng)用型大學轉(zhuǎn)型，在符合國家標準的基礎(chǔ)上，電磁場與電磁波的教學時數(shù)也在減少。基于以上各方面的原因，怎樣在所需基礎(chǔ)知識面廣、推導(dǎo)多、計算難、課時少、內(nèi)容多的條件下滿足當前“新工科”背景模式下的課程改革要求，使該課程的教學向簡單化，學生的學習向容易化轉(zhuǎn)化，是本門課程教學改革首先要解決的問題。

2 教學改革的探索與實踐

我院電類專業(yè)的學生選用的教材是謝處方的“電磁場與電磁波”（第4 版），該課程由矢量分析、電磁場基本理論、電磁波基本理論及電磁波傳導(dǎo)基本理論四大部分組成。對本課程的教學內(nèi)容進行改革，在教學過程中，對于數(shù)學運算問題，采用精簡繁難的理論推導(dǎo)過程，重視對理論推導(dǎo)結(jié)論的理解和應(yīng)用；針對公式多、難理解問題，采用重點內(nèi)容精講細講，突出關(guān)鍵點，并注重知識點間的關(guān)聯(lián)和方法的掌握，具體陳述如下。

2.1 數(shù)學矢量運算的問題

顯然矢量的運算最后都可轉(zhuǎn)化為各個方向的標量運算，對于學生來說就容易處理多了。另外本章中公式多，推導(dǎo)多，且復(fù)雜、煩瑣，本校是一所應(yīng)用型本科院校，許多學生數(shù)理基礎(chǔ)不夠扎實，具體講解的話，不僅占用大量的教學時間，大大壓縮后續(xù)電磁場與電磁波的教學課時數(shù)，而且學生熟練掌握也有一定的難度，因此，結(jié)合本校學生和課程設(shè)置要求的考慮，在講授這一章時，重點突出梯度、散度和旋度的計算和其代表的意義，對其公式的推導(dǎo)可采取介紹其證明的要點或不講，突出其計算的方法和結(jié)論的應(yīng)用，如散度定理、斯托克斯定理，還有在不同坐標系下梯度、散度、旋度和拉普拉斯的運算公式都可采取這種方式，對于后面章節(jié)有的理論推導(dǎo)部分也可采取這種方式進行教學。針對這種教學改革方式，課程組進行了大膽的嘗試，發(fā)現(xiàn)既節(jié)約了一定的課時，也可讓學生直接獲取解決問題的能力，效果較好。

2.2 注重各公式之間的聯(lián)系

除了第一章的數(shù)學準備部分外，后面的章節(jié)可分三大部分，即靜態(tài)場部分、時變場部分以及電磁波傳播及輻射部分。這里主要給出了電磁場和電磁波描述的基本物理量、基本屬性以及運動的規(guī)律，包括它和帶電物質(zhì)之間的相互作用。學生在學習這些章節(jié)時感覺內(nèi)容多、公式多，對各章節(jié)及眾公式之間不知道它們的聯(lián)系，學習上感覺很迷茫，甚至產(chǎn)生厭學情緒，針對這一情況，要求教師在教學環(huán)節(jié)中，突出各章節(jié)及各個知識點之間的聯(lián)系，在強調(diào)這些關(guān)聯(lián)的時候，同時也要給學生講清楚各知識點間的區(qū)別，這樣才能充分有效地進行教學。本教材后面的每一部分都分別用到了場方程，我們以講授電磁場與電磁波的場方程-麥克斯韋方程組為例，通過知識點之間聯(lián)系進行教學這一思想在教學過程中的運用。

我們在本教材的第二章中通過對靜態(tài)電磁場的分析，從而總結(jié)得到了麥克斯韋方程組，它的適用范圍是一切宏觀電磁現(xiàn)象，也就是說后面的時變電磁場、電磁波的運動規(guī)律都可以由它來給出，知道這一點之后，后面為什么又給出了波動方程，亥姆霍茲方程呢，要弄清楚原因，這里就要弄清楚它們之間的聯(lián)系與區(qū)別。對于第四章開頭我們首先推導(dǎo)了在無界空間中理想介質(zhì)的波動方程，它是由麥克斯韋方程組直接推導(dǎo)而來，所以這里的波動方程就是電磁波的場方程，它實際上就是麥克斯韋的另外一種形式，只不過適用于理想介質(zhì)中傳播的電磁波。不難發(fā)現(xiàn)在后面學習亥姆霍茲方程的時候，這兩個方程也是場方程，直接將波動方程轉(zhuǎn)換過來的，只不過它適用的范圍是時諧電磁波。弄清了這些之后學生只需要重點學習一般形式的麥克斯韋方程組及其意義，其他情況下的場方程，教師只需重點強調(diào)各個方程之間的聯(lián)系與區(qū)別，這樣學生便可以從整體上掌握所有的電磁場理論公式，讓他們發(fā)現(xiàn)其實公式也沒那么多，也沒那么難記憶，從而提高他們的學習興趣。

2.3 注重方法的訓(xùn)練

運用上述方法之后，盡管許多學生在此基礎(chǔ)之上已經(jīng)清楚了該課程眾多數(shù)學公式之間的聯(lián)系與區(qū)別，但解決實際問題時，很多學生還存在一定的困難，還是不能很好地運用公式，針對這一情況，為了得到各種情況下所需要的結(jié)論，教師還要強調(diào)對公式、原理推導(dǎo)方法的掌握，這里以“電磁場邊界條件”為例，來體現(xiàn)這一思想在教學過程中的重要應(yīng)用。

邊界條件跟麥克斯韋方程組一樣貫穿整個章節(jié)，對于其學習也很重要。首先我們在第二章中運用積分形式的四個麥克斯韋方程組推導(dǎo)出了電磁場邊界條件：

給出了它們的物理含義及適用范圍，得出邊界條件實際上就是不同介質(zhì)分解面的場方程的結(jié)論。在學習這里時一定要強調(diào)它的適用范圍是一切宏觀電磁現(xiàn)象，所以我們在學習后面的章節(jié)時直接把它拿出來引用，再結(jié)合具體的情況進行推導(dǎo)就可以了，下面以靜態(tài)電磁場中的靜電場邊界條件為例來進行討論。

3 總結(jié)

在新工科背景下，文章對梧州學院電類專業(yè)“電磁場與電磁波”課程的教學現(xiàn)狀進行了討論，提出在學習“電磁場與電磁波”課程中，應(yīng)重視對理論推導(dǎo)結(jié)論的理解和應(yīng)用，忽略繁難的理論推導(dǎo)過程，并注重各公式之間的聯(lián)系，以及推導(dǎo)方法的掌握。通過這種教學方式對該課程進行教學改革，不僅能幫助學生對公式的記憶和理解，提升學習熱情，也讓學生直接獲取解決問題的能力，效果較好。