《電磁場與電磁波》課程教學(xué)思考

管愛紅

摘要：《電磁場與電磁波》課程是電子信息類學(xué)生專業(yè)基礎(chǔ)課，針對這門課程難學(xué)又難教的現(xiàn)狀，文章分析了目前《電磁場與電磁波》教學(xué)中存在的問題，針對這些問題，提出了幾條課程改革思路，以便學(xué)生更好更快地掌握《電磁場與電磁波》的基本理論、基本規(guī)律，訓(xùn)練分析問題、歸納問題的科學(xué)方法，培養(yǎng)用數(shù)學(xué)方法解決實際問題的能力。

關(guān)鍵詞：電磁場與電磁波；電子信息工程；教學(xué)改革

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）14-0227-02

一、引言

《電磁場與電磁波》這門課程是電類專業(yè)學(xué)生必修的技術(shù)基礎(chǔ)課，是電氣工程師必備的基礎(chǔ)知識，而且《電磁場與電磁波》這門課程知識非常系統(tǒng)，學(xué)好這門課程對學(xué)生分析問題解決問題的能力有很好的訓(xùn)練作用，培養(yǎng)學(xué)生用數(shù)學(xué)方法解決實際問題的能力。電磁理論在我們生活中各個方面有廣泛的應(yīng)用，電磁場作為能量的一種形式，是當(dāng)今世界最重要的能源，電磁波作為信息傳輸?shù)妮d體，成為當(dāng)今人類社會發(fā)布和獲取信息、探測未知世界的重要手段。但是要學(xué)好這門課程要求學(xué)生的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要好，由于很多同學(xué)高等數(shù)學(xué)和數(shù)學(xué)物理方程的基礎(chǔ)太差，導(dǎo)致他們在學(xué)習(xí)這門課程時難度很大，以至于大多數(shù)同學(xué)感覺這門課程太難，被同學(xué)們稱為理工科學(xué)生的“四大名補”之一。實際上這門課程知識非常系統(tǒng)，掌握住課程的主線，掌握住解決問題的固定步驟，學(xué)習(xí)起來并不難。

二、《電磁場與電磁波》教學(xué)存在問題

目前我校電子信息工程和電子科學(xué)與技術(shù)兩個專業(yè)開設(shè)《電磁場與電磁波》這門課程，安排的大三上學(xué)期，學(xué)生大一、大二兩年學(xué)完了高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、復(fù)變函數(shù)與積分變換、數(shù)學(xué)物理方程等課程，為學(xué)習(xí)《電磁場與電磁波》這門課程儲備了一定的數(shù)學(xué)和物理知識。但是由于部分學(xué)生數(shù)學(xué)基礎(chǔ)打得不牢固，而且又間隔了一年左右的時間，造成再用這些知識的時候不能得心應(yīng)手?！峨姶艌雠c電磁波》這門課程理論性強、概念抽象、公式繁多，需要掌握的定理和定律20個以上，重要公式40個以上，這些公式和定理如果不掌握，《電磁場與電磁波》的題目就無從下手，而且教材上電磁場的基本規(guī)律都是嚴格意義上的數(shù)學(xué)推導(dǎo)而得到的物理場的數(shù)學(xué)規(guī)律，繼而對數(shù)學(xué)物理模型的解析解和數(shù)值解進行定性、定量分析，最終得出電磁場的物理性質(zhì)。在推導(dǎo)過程中，不僅要求具有基本的物理知識，還要能靈活地運用高等數(shù)學(xué)、復(fù)變函數(shù)和數(shù)學(xué)物理方程中的一些經(jīng)典性的解法。此外，由于傳統(tǒng)教學(xué)手段的限制，電磁場的三維特性和電磁波的波動性等抽象內(nèi)容無法生動、形象地展示給學(xué)生，使得許多學(xué)生無法理解從這些模型中建立起來的許多概念，從而影響整個課程的學(xué)習(xí)?？傮w說來，這門課程對學(xué)生來說難度很大，造成學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)興趣，考試不及格率較高。

三、課堂教學(xué)改革探索

1.聯(lián)系實際生活激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。這門課程的第一節(jié)課我都要先講一個緒論，講這門課程的用處，講電磁場理論的發(fā)展歷史，講電磁場電磁波在生活中的應(yīng)用。講電磁場理論的發(fā)展歷史的時候，講到學(xué)生曾經(jīng)在中學(xué)物理和大學(xué)物理中見過的很熟悉的名字，他們會覺得很有意思，名人重大發(fā)現(xiàn)的經(jīng)歷同時也是對學(xué)生的很大的激勵。講電磁場理論的應(yīng)用時，講到電話、電報、電視、廣播、衛(wèi)星通信、GPS定位、3D電影等技術(shù)，更是和我們的生活息息相關(guān)，同學(xué)們很容易產(chǎn)生濃厚的興趣。講到第二章中一節(jié)媒質(zhì)的電磁特性時，我們生活中的電器微波爐就是利用電介質(zhì)的極化特性實現(xiàn)食物的加熱，理論聯(lián)系實際一方面激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，另一方面加深了其對內(nèi)容的理解。

2.及時總結(jié)發(fā)現(xiàn)規(guī)律。《電磁場與電磁波》里有太多的定理和公式需要記憶，這也是同學(xué)們學(xué)不好這門課程的重要原因，如果這些定理和公式根本都記不住就更不要提應(yīng)用，大學(xué)生們到了大三，都對自己的將來有了規(guī)劃——考研或者工作，考研的學(xué)生對考研的課程學(xué)習(xí)非常認真深入，其他課程過關(guān)就好，找工作的學(xué)生更多關(guān)注學(xué)什么能對找到好工作有幫助，考研的課程里面考《電磁場與電磁波》這門課程的專業(yè)很少，所以大部分同學(xué)學(xué)習(xí)這門課程的目的都是為了學(xué)分，不愿意下很大的功夫深入學(xué)習(xí)。所以要求老師對基礎(chǔ)知識及時總結(jié)，通過不斷地總結(jié)發(fā)現(xiàn)里面的規(guī)律。比如真空中電磁場的基本規(guī)律和媒質(zhì)中電磁場的基本規(guī)律，方程的形式類似，有了這些基本規(guī)律得出麥克斯韋方程順理成章。

《電磁場與電磁波》中的習(xí)題都有一定的難度，但里面都有規(guī)律可循，比如已知電荷分布求電場，經(jīng)常要用到高斯定理，找到電場分布的對稱性，找到高斯面，問題的求解迎刃而解。第五章均勻平面波在無界空間中的傳播中，解決問題的時候也是，首先寫出波函數(shù)的一般表達式，然后根據(jù)條件分別求出電場的振幅、初位相和傳播因子，根據(jù)電場和磁場的關(guān)系求出相伴的磁場。

3.多媒體授課結(jié)合板書。電磁場的量大部分都是矢量，有大小又有方向，大小和方向隨空間和時間變化，對矢量的數(shù)學(xué)處理復(fù)雜度遠遠超過標量，遇到矢量的面積分、線積分學(xué)生無從下手。教材中關(guān)于均勻平面波在無界空間中的傳播、波的極化和駐波、行波等，對于學(xué)生來講是很抽象和難想象的。利用多媒體課件具有生動、直觀、形象的優(yōu)點，以動畫、圖形的形式將抽象枯燥的內(nèi)容變得形象生動，使復(fù)雜的物理過程變得更加簡單直觀，這樣大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。多媒體授課作為一種新技術(shù)有很多的優(yōu)勢，每堂課的知識量大，授課方式較為單調(diào)。不知不覺老師就講了太多的知識，學(xué)生長時間連續(xù)聽講，易形成枯燥的情緒和疲勞的心態(tài)，為緩解學(xué)生聽課的緊張度和疲勞度，不僅要求教師授課運用豐富的教學(xué)技能和教學(xué)語言，同時也要求教師用課堂教學(xué)常用的示范法、教練法等各種教學(xué)技能去配合多媒體課件的使用。做好多媒體授課和黑板板書的合理結(jié)合。采用黑板板書的形式，板書課堂教學(xué)內(nèi)容的框架及重點，同時為學(xué)生做好課堂筆記贏取時間。并通過生動、富有感染力的教學(xué)語言去激發(fā)、引導(dǎo)和配合學(xué)生的思維活動，既鍛煉學(xué)生的基礎(chǔ)思維，又注意培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維和批判性思維。所以教師平時要注意加強形象化知識的積累，比如收集圖表、動畫，制作Flash動畫，不斷豐富完善多媒體課件。endprint

4.多講例題加深理解。電磁場與電磁波的基本規(guī)律、公式非常多，為了加深對公式的理解，應(yīng)該多做題加深理解，每個知識點都選擇典型的例題進行詳細的講解，并歸納出解題思路規(guī)律。例如為了加深學(xué)生對高斯定理的理解，這方面的例題一定要精講，讓學(xué)生通過電荷的分布形式找到電場分布的某種對稱性，找到容易進行積分的高斯面，這類題目的關(guān)鍵是找到高斯面，通過解這類題目，學(xué)生更好地理解了電位移矢量對封閉面的通量僅僅和該封閉面所包含的電荷量有關(guān)。恒定磁場中的安培環(huán)路定理也是描述磁場的一個非常重要的規(guī)律，由電流的分布分析磁場分布的某種對稱性，找到所要積分的環(huán)路，這一步是確定磁場的關(guān)鍵，通過積分確定磁場。通過解這類題目，學(xué)生更深刻地理解到磁場強度對閉合曲線的環(huán)流僅僅由該閉合曲線所鉸鏈的電流決定。

另外，利用課外時間定期對學(xué)生進行答疑，電磁場電磁波教材的內(nèi)容非常多，在課堂上能夠講的例題非常有限，基本上每個知識點最多1～2道，僅僅利用上課的90分鐘要讓同學(xué)們都理解很難做到，如果學(xué)生在課下看書或者做題是經(jīng)常會遇到不會或者不懂的地方，如果不及時地解決，學(xué)生慢慢地就會掉隊，導(dǎo)致最后放棄這門課程的學(xué)習(xí)。所以老師應(yīng)該多抽時間采取各種途徑及時解決學(xué)生的疑問，比如電話交流、網(wǎng)上交流或者電子郵件交流等等，加強師生之間的溝通，老師可以及時發(fā)現(xiàn)同學(xué)們的問題，了解他們的學(xué)習(xí)狀態(tài)，鼓勵他們好好學(xué)習(xí)，通過這樣的溝通相信同學(xué)們學(xué)習(xí)這門課程的興趣會更濃厚，老師也能在和同學(xué)們的交流中改進自己的教學(xué)方法，豐富自己的教學(xué)經(jīng)驗，更好地服務(wù)于學(xué)生。

5.嘗試開設(shè)新實驗。受實驗條件的限制，大部分高校都沒有開設(shè)相關(guān)的實驗內(nèi)容，我校開設(shè)的《電磁場與電磁波》課程54個學(xué)時，全部為理論學(xué)時，目前很多高校嘗試開設(shè)《電磁場與電磁波》的實驗。但是硬件實驗設(shè)備大都為單臺套，僅適合實驗演示，實驗過程程序化呆板，學(xué)生動手機會少，缺乏手腦互動，因此雖然投資大，但收益少。利用軟件仿真可以實現(xiàn)“少投入，高收效”的建設(shè)目標，并能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情和興趣，促進學(xué)生自主分析、解決問題能力的培養(yǎng)；比如利用Ansoft Maxwell軟件進行靜電力、靜磁力、電容、電感等的計算，并與理論結(jié)果相比較。學(xué)生可以通過仿真實驗，學(xué)習(xí)邊值問題的求解，學(xué)會如何加載源和邊界條件，從而加深對電磁場的理解。Maxwell軟件提供了非常形象直觀的電力線分布和磁力線分布矢量圖，學(xué)生可以通過自己設(shè)計的仿真程序觀察到電磁場分布的情況。所以我們《電磁場與電磁波》課程建設(shè)的下一步的目標是增加課內(nèi)實驗內(nèi)容，通過實驗驗證并鞏固所學(xué)理論知識，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，進一步增強學(xué)生的創(chuàng)新能力。

四、結(jié)論

通過分析電磁場電磁波這門課程目前存在的問題，提出了幾個教學(xué)改革探索的方向，通過聯(lián)系實際激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、及時總結(jié)發(fā)現(xiàn)規(guī)律、把多媒體教學(xué)和板書有機結(jié)合、多講例題加深理解和開設(shè)實驗，最終讓學(xué)生能夠愿意學(xué)習(xí)這門課程，并且能夠?qū)W好這門課程。面對《電磁場與電磁波》這門公認的難教又難學(xué)的課程，我們要發(fā)揮知難而進的精神，多下功夫，多探索，多創(chuàng)新，相信功到自然成，有付出也必然有收獲，用自己對待工作的精神感悟?qū)W生，所謂教書育人的道理就在這里。

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