電磁場(chǎng)原理的實(shí)驗(yàn)課程改革探索

陳建軍 辜永紅 于彥濤

摘 要：通過分析對(duì)電磁場(chǎng)原理的實(shí)驗(yàn)課程存在問題，根據(jù)實(shí)驗(yàn)的目的和難易程度不同，設(shè)計(jì)利于提高學(xué)生綜合應(yīng)用能力的三級(jí)實(shí)驗(yàn)體系，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的不同，設(shè)立交叉并行的實(shí)驗(yàn)考核體系，同時(shí)建立有效的考核評(píng)價(jià)機(jī)制，與教師項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)機(jī)制相結(jié)合，不斷更新教學(xué)內(nèi)容，提高電磁場(chǎng)原理的教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：電磁場(chǎng)原理；教學(xué)體系；評(píng)價(jià)機(jī)制

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-000X（2017）02-0065-03

Abstract： The problems of experimental course of electromagnetic field theory are discussed in this paper. The three level experimental systems are proposed according to the purpose of the experiment and the difficulty degree of different experimental course. We want to improve the comprehensive application ability of the students by setting up cross parallel experimental evaluation system. We establish effective evaluation mechanism and update the contents of experimental course. We improve the course quality of the electromagnetic field though reforming the curriculum.

Keywords： electromagnetic field theory； teaching system； evaluation mechanism

一、概述

電磁場(chǎng)原理課程是電氣工程、電子信息工程和通信工程專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，主要研究電磁場(chǎng)與電磁波的基本原理、電磁波與物質(zhì)的相互作用，電磁波的傳播特性及應(yīng)用等。隨著社會(huì)對(duì)電子信息產(chǎn)業(yè)高級(jí)人才要求的提高，本文以重慶大學(xué)的電磁場(chǎng)原理課程為探討對(duì)象，探索電磁場(chǎng)原理課程教學(xué)方法的改革和創(chuàng)新。

二、電磁場(chǎng)原理課程存在的問題

電磁場(chǎng)原理課程的應(yīng)用前景非常廣泛，如電子標(biāo)簽設(shè)計(jì)（RFID），物聯(lián)網(wǎng)中的遠(yuǎn)程智能遙控技術(shù)，高速寬帶無線接入方法，遠(yuǎn)程無線定位等領(lǐng)域中都得到廣泛且迅速的應(yīng)用。但是受到軟硬件條件的影響，理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)都不能及時(shí)跟蹤最新技術(shù)的發(fā)展，與社會(huì)對(duì)人才的需求有一定的脫節(jié)，因此對(duì)課程的改革勢(shì)在必行[1-4]。

雖然前期也進(jìn)行了一些必要的改革，但是改革過程中也出現(xiàn)了一些新的問題，而這些新的問題也是國(guó)內(nèi)高校教學(xué)改革的關(guān)注焦點(diǎn)。就目前而言，電磁場(chǎng)與電磁波課程存在的主要問題集中在以下幾個(gè)方面：

（一）電磁場(chǎng)原理教學(xué)內(nèi)容需要進(jìn)一步更新

電磁場(chǎng)原理教學(xué)內(nèi)容需要不斷更新，主要原因有以下幾方面：一方面電磁場(chǎng)原理課程內(nèi)容與新技術(shù)結(jié)合不夠緊密。電磁場(chǎng)原理課程中需要用麥克斯韋方程解析電磁場(chǎng)的現(xiàn)象，但是現(xiàn)有教學(xué)內(nèi)容與電磁場(chǎng)技術(shù)結(jié)合比較少，特別是相關(guān)的應(yīng)用技術(shù)結(jié)合較少，使得學(xué)生的學(xué)習(xí)目標(biāo)不明確，不知道學(xué)習(xí)這些內(nèi)容今后在哪些技術(shù)領(lǐng)域得到應(yīng)用，學(xué)習(xí)主動(dòng)性不足。二是部分學(xué)生在電磁場(chǎng)數(shù)值分析上不足。電磁場(chǎng)課程本身需要學(xué)生熟練運(yùn)用數(shù)學(xué)方法分析和計(jì)算，對(duì)于電磁場(chǎng)的分布和傳播特性，特別是要求學(xué)生熟練運(yùn)用矢量分析方法進(jìn)行電磁場(chǎng)特性的分析，但部分學(xué)生受制于數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)和運(yùn)用數(shù)學(xué)知識(shí)的能力，難以掌握電磁場(chǎng)的相關(guān)矢量計(jì)算方法，以至于覺得學(xué)習(xí)較為困難。第三方面是教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)手段結(jié)合不夠緊密。隨著科技的發(fā)展，電磁場(chǎng)原理相關(guān)的分析和計(jì)算軟件也得到了發(fā)展，除了可以計(jì)算的Matlab，Ansoft，Hfss和ADS等電磁場(chǎng)分析軟件[5，6]，到近幾年分析多物理場(chǎng)的Comsol和Ansys軟件等，都可以為電磁場(chǎng)原理提供較為形象化的教學(xué)效果，但是現(xiàn)在這方面結(jié)合的教學(xué)內(nèi)容還較少，缺少這些形象化或動(dòng)態(tài)化的演示，部分學(xué)生難以理解電磁場(chǎng)的傳播本質(zhì)和相關(guān)特性。

（二）實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)存在的問題

除了電磁場(chǎng)原理的理論教學(xué)存在一些問題，電磁場(chǎng)原理的理論課程對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)課程也是困擾各高校的一個(gè)難點(diǎn)問題。

一方面在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上存在軟硬件實(shí)驗(yàn)條件不足的問題。無論是基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)還是專業(yè)型實(shí)驗(yàn)的開設(shè)，都涉及到電磁場(chǎng)測(cè)量和分析相關(guān)的設(shè)備，而這些設(shè)備的科技技術(shù)含量都非常高，而且?guī)缀醣粐?guó)外壟斷，價(jià)格昂貴，如果讓所有學(xué)生都能夠進(jìn)行操作實(shí)驗(yàn)儀器，需要配置較多設(shè)備，那么需要投入大量的資金，這對(duì)于很多高校來說都是難以承受的。

另一方面實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目存在更新不足問題?，F(xiàn)有課程實(shí)驗(yàn)許多是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和演示型實(shí)驗(yàn)，缺少多專業(yè)應(yīng)用背景的融合。由于電磁場(chǎng)系列實(shí)驗(yàn)面向各工科專業(yè)，不同專業(yè)、不同背景，對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的要求就有所不同，以往的實(shí)驗(yàn)體系只針對(duì)通信工程或電子信息工程專業(yè)的學(xué)生，沒有考慮其它專業(yè)的應(yīng)用背景，隨著電磁場(chǎng)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，以往的實(shí)驗(yàn)體系已經(jīng)不能適應(yīng)各專業(yè)人才培養(yǎng)的目標(biāo)。在實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ缴?，缺少?duì)學(xué)生設(shè)計(jì)能力、創(chuàng)新精神的培養(yǎng)機(jī)制。電磁系列實(shí)驗(yàn)在綜合設(shè)計(jì)、分析方法上盡管已有不少改革成果，但仍有相當(dāng)多的實(shí)驗(yàn)還局限于驗(yàn)證原理和訓(xùn)練操作技術(shù)，學(xué)生只是看現(xiàn)象，而對(duì)實(shí)驗(yàn)思路、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)綜合分析能力重視不足，需要對(duì)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)綜合、分析方法進(jìn)行研究和改革。

三、電磁場(chǎng)原理實(shí)驗(yàn)課程改革的探索

加強(qiáng)電磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)是升華電磁場(chǎng)原理的理論教學(xué)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。需要從實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)方式和實(shí)驗(yàn)考核評(píng)價(jià)方式三個(gè)方面進(jìn)行系統(tǒng)的建設(shè)。

（一）需要理論教學(xué)結(jié)合實(shí)踐，完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

在電磁場(chǎng)原理課程教學(xué)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步根據(jù)實(shí)際開發(fā)實(shí)驗(yàn)新課程，將現(xiàn)有的無線電技術(shù)結(jié)合進(jìn)來，提高學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)理論知識(shí)的理解和掌握水平。同時(shí)需要進(jìn)一步豐富現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，從設(shè)計(jì)能力和工程開發(fā)能力的兩個(gè)方面入手，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度與廣度。以電磁場(chǎng)原理的理論為基礎(chǔ)，根據(jù)不同專業(yè)性質(zhì)的不同，設(shè)置不同應(yīng)用方向的實(shí)驗(yàn)，并根據(jù)學(xué)科交叉，設(shè)置交叉性綜合實(shí)驗(yàn)方案。

對(duì)于相同專業(yè)的學(xué)生，根據(jù)實(shí)驗(yàn)的難易程度不同，設(shè)計(jì)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)為提高學(xué)生創(chuàng)新能力，綜合性實(shí)驗(yàn)為提高學(xué)生綜合應(yīng)用能力的三級(jí)實(shí)驗(yàn)體系。根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的不同，設(shè)立交叉并行的實(shí)驗(yàn)考核體系。同時(shí)結(jié)合教師的研究項(xiàng)目和學(xué)生的競(jìng)賽項(xiàng)目，形成完善的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，建立如圖1所示的電磁場(chǎng)原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。

首先根據(jù)不同專業(yè)，在教學(xué)方式上進(jìn)行改革。不同專業(yè)的學(xué)生，學(xué)習(xí)電磁場(chǎng)知識(shí)的應(yīng)用目的不同，可以根據(jù)應(yīng)用目標(biāo)進(jìn)行不同的實(shí)驗(yàn)方案。如生物工程專業(yè)的學(xué)生學(xué)習(xí)生物電磁學(xué)，可以將生物研究和電磁場(chǎng)研究結(jié)合起來，考慮新的生物控制和測(cè)量機(jī)制。通信工程專業(yè)的學(xué)生學(xué)習(xí)無線控制技術(shù)，可以將具有電磁接收或發(fā)射機(jī)制的物體與現(xiàn)代控制技術(shù)緊密結(jié)合，實(shí)現(xiàn)新的控制方式。電氣工程專業(yè)的學(xué)生學(xué)習(xí)電磁控制技術(shù)，可以將電機(jī)的控制和電磁場(chǎng)的結(jié)構(gòu)結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)機(jī)電結(jié)構(gòu)的自動(dòng)控制。

對(duì)于相同專業(yè)的學(xué)生，需要以電磁場(chǎng)與電磁波為基礎(chǔ)，根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)條件，設(shè)置交叉性綜合實(shí)驗(yàn)方案，以及設(shè)置驗(yàn)證型/設(shè)計(jì)型/綜合型三級(jí)實(shí)驗(yàn)方案，同時(shí)進(jìn)行交叉性實(shí)驗(yàn)考核和綜合考核方式。將學(xué)生的競(jìng)賽項(xiàng)目和教師研究項(xiàng)目進(jìn)行適當(dāng)分解和組合，結(jié)合到電磁場(chǎng)與電磁波的理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中。如果推廣成功的案例，那么繼續(xù)深化推廣，反之，結(jié)合新的教學(xué)內(nèi)容和方式，加以改進(jìn)，達(dá)到繼續(xù)提高電磁場(chǎng)與電磁波的教學(xué)質(zhì)量的目的。在實(shí)際教學(xué)過程中，即使實(shí)現(xiàn)同一個(gè)目標(biāo)，也可以選擇不同的軟件，應(yīng)用不同知識(shí)，參考不同的期刊和文獻(xiàn)資料，設(shè)計(jì)完全不同的解決方案。

（二）需要根據(jù)設(shè)置實(shí)驗(yàn)的不同，設(shè)立有效的評(píng)價(jià)機(jī)制

對(duì)于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，可以采用實(shí)驗(yàn)報(bào)告的形式進(jìn)行評(píng)價(jià)，主要是從理論分析角度，對(duì)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的結(jié)論進(jìn)行分析，得到驗(yàn)證效果的好壞。教師對(duì)學(xué)生的評(píng)價(jià)可以從學(xué)生分析過程的思路和分析的詳細(xì)過程進(jìn)行考核。對(duì)于設(shè)計(jì)型的實(shí)驗(yàn)，同樣可以采用實(shí)驗(yàn)報(bào)告的形式進(jìn)行考核，但是重點(diǎn)是過程考核。對(duì)于不同的設(shè)計(jì)思路，不同的設(shè)計(jì)結(jié)果，設(shè)計(jì)過程一般是不一樣的，但是這個(gè)設(shè)計(jì)過程是最能體現(xiàn)學(xué)生創(chuàng)新能力，所以不能以實(shí)驗(yàn)報(bào)告的結(jié)果作為評(píng)判。對(duì)于綜合性的實(shí)驗(yàn)，更是需要體現(xiàn)過程考核和應(yīng)用能的考核。特別是對(duì)于一些應(yīng)用，需要采用交叉學(xué)科的特點(diǎn)，設(shè)置交叉學(xué)科的實(shí)驗(yàn)。如電氣工程學(xué)院的老師在研究腦電波項(xiàng)目過程中，可以分別設(shè)置腦電波讀取的實(shí)驗(yàn)和電磁場(chǎng)分析的實(shí)驗(yàn)，其中腦電波讀取的實(shí)驗(yàn)有還可以分為傳感器讀取大腦皮層電磁脈沖的實(shí)驗(yàn)和傳感器陣列數(shù)據(jù)的處理實(shí)驗(yàn)，而電磁場(chǎng)分析的實(shí)驗(yàn)也可以分為電磁計(jì)算實(shí)驗(yàn)和電磁與生物電波的相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)。

（三）需要不斷充實(shí)理論和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

電磁場(chǎng)原理的相關(guān)技術(shù)在不斷的發(fā)展，教學(xué)內(nèi)容也需要不斷地變更和充實(shí)。一些理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目需要通過各種途徑緊跟技術(shù)發(fā)展的步伐，滿足社會(huì)對(duì)人才技術(shù)方面的越來越高的要求。如有些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可以通過學(xué)生參加相關(guān)專題的競(jìng)賽，不斷充實(shí)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。教師方面也可以將自己的項(xiàng)目進(jìn)行分解，形成不同難度的設(shè)計(jì)項(xiàng)目，讓學(xué)生參與項(xiàng)目的研發(fā)，提高學(xué)生的分析和解決問題的能力。也可以通過精品課程的建設(shè)和參加相關(guān)會(huì)議，擴(kuò)大電磁場(chǎng)建設(shè)的思路，結(jié)合其他形式的技術(shù)合作拓寬電磁場(chǎng)原理的理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，不斷地提高教學(xué)質(zhì)量。

（四）教學(xué)效果的好壞需要從學(xué)生和社會(huì)反饋，不斷總結(jié)和更新

實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果的好壞，一方面需要從學(xué)生解讀反饋。學(xué)生能否理解，能否掌握知識(shí)的內(nèi)涵，能否運(yùn)用知識(shí)解決實(shí)際問題，都需要從學(xué)生中反饋回來，讓教師不斷改進(jìn)教學(xué)方法和教學(xué)內(nèi)容。另一方面也需要從社會(huì)的角度進(jìn)行反饋。學(xué)校培養(yǎng)的學(xué)生能否勝任企業(yè)的要求，成為教學(xué)重要的目標(biāo)。如果學(xué)校培養(yǎng)的學(xué)生與社會(huì)需求的脫節(jié)太大，那么說明學(xué)校的教學(xué)是存在問題的。如果把學(xué)生比喻成企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品，是次品還是優(yōu)秀產(chǎn)品，需要社會(huì)和企事業(yè)單位來評(píng)價(jià)。那么學(xué)校培養(yǎng)的學(xué)生的知識(shí)水平和能力是否合作，同樣需要社會(huì)和企事業(yè)單位來評(píng)價(jià)。通過評(píng)價(jià)，改進(jìn)不足之處，發(fā)揚(yáng)優(yōu)點(diǎn)和長(zhǎng)處，不斷提高教學(xué)質(zhì)量。

（五）教學(xué)效果需要不斷總結(jié)和推廣

教學(xué)效果的需要不斷地總結(jié)，對(duì)于較好的理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，需要不斷地充實(shí)到新的教學(xué)內(nèi)容中，而對(duì)于部分電磁場(chǎng)的內(nèi)容，可以考慮精簡(jiǎn)。如電磁場(chǎng)原理中的部分靜電場(chǎng)的知識(shí)，其內(nèi)容與大學(xué)物理的部分磁學(xué)內(nèi)容重疊，可以考慮進(jìn)行精簡(jiǎn)。而對(duì)于通信工程專業(yè)的學(xué)生，其內(nèi)容涉及載波和調(diào)制的內(nèi)容，可以增加電磁波的色散機(jī)制，特別是增加載波和包絡(luò)波的內(nèi)容，同時(shí)增加行波和行駐波傳播機(jī)制相關(guān)的內(nèi)容。

總之，需要從學(xué)生，社會(huì)和教師等多方面共同努力，改革電磁場(chǎng)原理的理論和實(shí)驗(yàn)課程，提高電磁場(chǎng)教學(xué)質(zhì)量。

四、結(jié)束語

文章通過對(duì)電磁場(chǎng)原理課程存在的幾方面進(jìn)行討論，包括電磁場(chǎng)原理的理論課程和實(shí)驗(yàn)課程兩方面存在的問題，提出建立電磁場(chǎng)理論和實(shí)驗(yàn)體系的建議。建議理論教學(xué)結(jié)合實(shí)踐，完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，同時(shí)建立有效的考核評(píng)價(jià)機(jī)制，并將教師項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)機(jī)制結(jié)合，不斷更新教學(xué)內(nèi)容，提高教學(xué)質(zhì)量。

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