《電磁場與電磁波》和《大學(xué)物理·電磁學(xué)》教學(xué)探討

劉詠梅

【摘 要】《大學(xué)物理》和《電磁場與電磁波》都是電子信息類各專業(yè)的必修課程，這兩門課程在電磁學(xué)部分有一定重疊。本文針對兩門課程的特點，結(jié)合學(xué)生的實際情況，從分析方法的引入、教學(xué)內(nèi)容銜接、教學(xué)方法建議等方面對這兩門課程進(jìn)行教學(xué)探討。

【關(guān)鍵詞】大學(xué)物理；電磁學(xué)；電磁場與電磁波

0 引言

《大學(xué)物理》和《電磁場與電磁波》是電子信息類各專業(yè)的必修課程，在教學(xué)環(huán)節(jié)中起著非常重要的作用。

兩門課程在電磁學(xué)部分有一定重疊，但不是簡單的重復(fù)，前者為后者的先修課程，后者以前者為基礎(chǔ)，對電磁學(xué)理論及應(yīng)用進(jìn)行深入研究與探討。

1 課程性質(zhì)不同

《大學(xué)物理》是理工科各專業(yè)必修的基礎(chǔ)課，受眾面廣，內(nèi)容為力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)和原子物理五部分，為后續(xù)專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課程的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)；《電磁場與電磁波》是電子信息類各專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，是后續(xù)專業(yè)課（如《微波技術(shù)與天線》等）的理論基礎(chǔ)，其主要分為電磁場（靜態(tài)場）與電磁波（時變場）部分，其中靜態(tài)場部分與《大學(xué)物理》電磁學(xué)部分內(nèi)容有一定重疊，但不是簡單的重復(fù)，內(nèi)容的深度和廣度都有較大的拓展。

2 理論和分析方法區(qū)別

《大學(xué)物理》作為基礎(chǔ)課程，引入知識由學(xué)生容易接受的物理現(xiàn)象入手，通過實驗得到相關(guān)理論，以電磁學(xué)理論的開篇——點電荷之間的作用力為例，直接引用實驗結(jié)果描述庫侖定律：

其他重要定理如：安培力定律、電磁感應(yīng)定律等，也都是直接引用實驗結(jié)果描述相關(guān)理論公式；比較起來，《電磁場與電磁波》的理論性更強(qiáng)，首先以一定篇幅講述矢量分析方法，引入電磁學(xué)內(nèi)容時，從電磁場的“源”—電荷與電流出發(fā)，特別注重以散度源和旋度源區(qū)分靜電場和恒定磁場：

圖1 電磁場典型散度源與旋度源矢量線分布

引入理論計算公式時，理論更為嚴(yán)謹(jǐn)。

《大學(xué)物理·電磁學(xué)》中解決問題的方法，較多以積分形式表示，比如通過上式（1），得到真空中的高斯定理：

可以看出，《電磁場與電磁波》更注重理論公式的推導(dǎo)，一般理論均以積分和微分兩種形式提出，其中微分形式更能體現(xiàn)矢量場與源的關(guān)系。在矢量運算時， 《大學(xué)物理·電磁學(xué)》一般以直角坐標(biāo)進(jìn)行描述；而《電磁場與電磁波》更多在圓柱坐標(biāo)系和球坐標(biāo)系中進(jìn)行矢量運算。

3 基本內(nèi)容的區(qū)別

《大學(xué)物理·電磁學(xué)》分別對靜電場和恒定磁場進(jìn)行說明后，引入電磁感應(yīng)定律和位移電流密度概念，以麥克斯韋方程組的建立作為結(jié)束：

并以麥克斯韋方程組為出發(fā)點，展開理論的應(yīng)用，研究時變電磁場的特性：建立無源區(qū)的波動方程；研究平面波在介質(zhì)和導(dǎo)電媒質(zhì)中的傳播、均勻平面波的反射與透射等；研究導(dǎo)行電磁波、電磁輻射等。在靜態(tài)場部分，《電磁場與電磁波》通過求解二階微分方程：

以標(biāo)量電位作為中間量，通過電場強(qiáng)度與電位的梯度關(guān)系求解電場。以唯一性定理為依據(jù)，用鏡像法、分離變量法、有限差分法等多種方法解決靜態(tài)場邊值問題。

4 改進(jìn)教學(xué)方法之探討

《大學(xué)物理》是學(xué)生學(xué)習(xí)的第一門與專業(yè)直接相關(guān)的基礎(chǔ)課，學(xué)生學(xué)習(xí)熱情較高，加之大學(xué)物理涉及的物理現(xiàn)象在中學(xué)階段基本有所了解，電磁學(xué)部分以靜態(tài)場分析為主，學(xué)時設(shè)置較充足，學(xué)生接受起來比較容易；《電磁場與電磁波》是在學(xué)生已具備矢量分析與靜態(tài)場基本計算的前提下，對電磁場進(jìn)行深入的分析，特別是對時變場進(jìn)行分析運算，學(xué)生需要更深入的數(shù)學(xué)知識：空間分析能力與矢量微積分運算、二階微分運算與微分方程求解能力；理論難度相應(yīng)增加，作為專業(yè)基礎(chǔ)課，面臨難度大、課時少等問題，同時學(xué)生反映理論枯燥、推導(dǎo)繁瑣，難以接受。

在教學(xué)中，課堂教學(xué)是最重要的環(huán)節(jié)。課堂教學(xué)必須以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)，師生互動，知識傳授與能力培養(yǎng)相結(jié)合。在《電磁場與電磁波》課程的教學(xué)中，不一定總是從理論推導(dǎo)入手，也可以從實際問題或?qū)嶒炑菔疽雴栴}，或者以《大學(xué)物理》已有的結(jié)論作為出發(fā)點，應(yīng)用理論知識進(jìn)行推導(dǎo)和演繹并進(jìn)行歸納總結(jié)，得到相應(yīng)的結(jié)論，如上述真空中高斯定理，可以直接引述式（2），通過矢量散度定理：

同樣得到上述式（6）。對于與后續(xù)課程（《微波技術(shù)與天線》等）有內(nèi)容重疊的導(dǎo)行電磁波、電磁輻射等部分，可以只選講部分內(nèi)容，留待后續(xù)課程進(jìn)行深入探討。這樣既可以突出重點、節(jié)約理論課程的時間，又能使學(xué)生鞏固先期理論，對理論的發(fā)展和應(yīng)用有更為深入的認(rèn)識，使得教學(xué)達(dá)到更好的效果。

在實際教學(xué)中，根據(jù)學(xué)生的實際情況和對理論的掌握程度，《大學(xué)物理》和《電磁場與電磁波》兩門課程不斷進(jìn)行教學(xué)改革，總的改革思想為打好基礎(chǔ)和提高實踐教學(xué)學(xué)時的比例。大學(xué)物理設(shè)置了單獨的實驗課程?！峨姶艌雠c電磁波》也探討減少理論學(xué)時、增設(shè)實驗實踐內(nèi)容等改革措施。針對《電磁場與電磁波》理論抽象、計算難度大等特點，探索采用仿真軟件（如Matlab等）進(jìn)行輔助教學(xué)，豐富教學(xué)手段，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；計劃建設(shè)相關(guān)專業(yè)實驗室，使學(xué)生通過實踐教學(xué)，直觀認(rèn)識電磁現(xiàn)象并進(jìn)行專業(yè)操作與測試，使得電磁學(xué)相關(guān)課程教學(xué)銜接更為順暢，更為學(xué)生今后從事相關(guān)技術(shù)工作打下基礎(chǔ)。

5 結(jié)語

《大學(xué)物理》和《電磁場與電磁波》都是電子信息類專業(yè)的必修課程。本文針對兩門課程的特點，結(jié)合學(xué)生的實際情況，從分析方法的引入、教學(xué)內(nèi)容銜接、教學(xué)方法建議等方面對這兩門課程進(jìn)行教學(xué)探討。課程改革是一項長期的任務(wù)，任課教師必將克服困難、開拓創(chuàng)新，進(jìn)一步完善教學(xué)手段、實踐環(huán)節(jié)等諸多要素，以期達(dá)到更好的教學(xué)效果，為培養(yǎng)技術(shù)應(yīng)用型綜合人才貢獻(xiàn)力量。

【參考文獻(xiàn)】

[1]譚朝陽，高玉梅.大學(xué)物理學(xué)[M].1版.武漢：武漢大學(xué)出版社，2015：65-156.

[2]謝處方，饒克謹(jǐn).電磁場與電磁波[M].4版.北京：高等教育出版社，2006：20-70.

[責(zé)任編輯：楊玉潔]