新工科背景下“電磁場理論”課程的教學(xué)與實踐

賈雁飛，劉柏生，劉 巖，鄒青宇，邢礫云

（北華大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，吉林 吉林 132012）

與傳統(tǒng)的工科人才相比，未來新興產(chǎn)業(yè)更需要實踐和創(chuàng)新能力強的高素質(zhì)復(fù)合型新工科人才[1]，“電磁場理論”與電子信息工程專業(yè)的許多核心課程均有緊密的相關(guān)性，是培養(yǎng)新工科人才必不可少的一門重要課程，通過該課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以為畢業(yè)后從事相關(guān)工作打下一定的理論及實踐基礎(chǔ)[2-4]。但是該課程的學(xué)習(xí)講究抽象思維和邏輯推理兩者的結(jié)合，不僅概念抽象、公式復(fù)雜多變，而且需要一定的數(shù)學(xué)推理過程，學(xué)生往往不易理解掌握。因此，需要采取適當(dāng)并有效的方法來提高該課程的教學(xué)質(zhì)量和效果[5-6]。本研究從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段和考核方式4個方面闡述對該門課程進(jìn)行教學(xué)改革和實踐的具體措施。該課程的教學(xué)改革措施框架如圖1所示。

圖1 電磁場理論教學(xué)改革措施框架

1 教學(xué)內(nèi)容

“電磁場理論”的主要內(nèi)容包括：矢量分析、靜電場、恒定磁場、恒定電場、時變電磁場、均勻平面波的傳播、電磁輻射等。課程內(nèi)容包括繁多抽象的概念、定理和定律，講授過程中又不可避免地要向?qū)W生介紹涉及的公式推導(dǎo)和計算。傳統(tǒng)的教學(xué)過程往往是直接向?qū)W生灌輸事實性知識，教學(xué)過程過多偏重理論，對理論的實際應(yīng)用介紹相對較少。針對以上問題，本專業(yè)對該門課程的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了相應(yīng)調(diào)整，弱化理論講解，重視實際應(yīng)用，確定實際教學(xué)的實施方案。對教學(xué)大綱和教學(xué)計劃進(jìn)行一定的調(diào)整和修訂，注重案例教學(xué)，多講解重點理論的相關(guān)案例，注重理論的實際應(yīng)用。例如，在講解高斯定理時，弱化該定理的推導(dǎo)過程，對于如何得到這一定理的相應(yīng)內(nèi)容進(jìn)行簡要介紹，不講解詳細(xì)的公式推導(dǎo)過程，重點講解該定理的應(yīng)用條件和應(yīng)用場合，進(jìn)行案例教學(xué)，多例舉與該定理相關(guān)的應(yīng)用實例。比如：導(dǎo)體球、電荷均勻分布的帶電球體等周圍空間電場的分布情況，只有這些電荷源呈對稱分布的電場問題才可以應(yīng)用高斯定理來進(jìn)行分析和求解。在這個過程中讓學(xué)生能夠熟練運用高斯定理來求解相關(guān)的電場分布問題。還有在講解安培環(huán)路定理時也是同樣的道理，該定理的應(yīng)用前提也是要求電流源滿足對稱分布，其他情況是不可以應(yīng)用該定理來求解相應(yīng)磁場問題的。教師將涉及該定理的各種情況多給學(xué)生進(jìn)行介紹，包括什么情況適用，什么情況不適用，在場的求解過程中需要注意什么等。這樣學(xué)生就能十分清楚老師所講授的內(nèi)容到底是什么、用在哪、怎樣用。沒有實際的案例做支撐，再經(jīng)典的理論也只是紙上談兵。所以，本課題在教學(xué)內(nèi)容上增加了很多案例講解，讓學(xué)生在學(xué)中做，在做中學(xué)。

2 教學(xué)方法

以往大多數(shù)課程都是一門課程教師從頭講到尾，學(xué)生完全被動接受。有些學(xué)生在課堂上疲于記筆記和接受老師所講的內(nèi)容，沒有一個人能系統(tǒng)地去理解思考。有些學(xué)生則直接放棄學(xué)習(xí)這門課程，結(jié)果導(dǎo)致教與學(xué)過程嚴(yán)重分離，非常不利于學(xué)生原創(chuàng)性思維的有效發(fā)展。為了解決這一問題，筆者建議適當(dāng)設(shè)置一些思考題組織學(xué)生分組討論問題、分析問題，最后解決問題。學(xué)生可以進(jìn)行自由分組，分組后組內(nèi)成員共同商議每個組員的分工，大家集思廣益，一起找到解決問題的方法，給出問題的最終答案，改變以往教師獨自講授的實際情況，調(diào)動學(xué)生的積極性，讓學(xué)生參與到課堂教學(xué)環(huán)節(jié)中，提高學(xué)生分析問題、解決問題、與人溝通、團(tuán)隊協(xié)作等能力。

3 教學(xué)手段

通過對幾屆該專業(yè)學(xué)生的問卷調(diào)查發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，除了反映電磁場相關(guān)理論太抽象，無法想象出實際當(dāng)中看不見摸不到的電磁場外，還反映課程內(nèi)容多、理論性強、公式多等問題。對于上述問題，本專業(yè)充分發(fā)揮多媒體課件的優(yōu)勢，以多媒體形式解讀微觀抽象的電磁理論，將晦澀難懂的電磁現(xiàn)象直觀生動地展現(xiàn)出來，同時，適當(dāng)運用Matlab等仿真軟件配合相關(guān)理論的講解。例如，在講解電磁波的輻射這一部分內(nèi)容時，可以用幾條簡單的Matlab語句仿真出對稱天線的三維輻射方向，如圖2所示。學(xué)生看到仿真圖會很容易理解教師所講解的內(nèi)容，從而拉近學(xué)生與電磁場這門課程的距離，讓學(xué)生體會到這門課程沒有想象中那么難。這樣做的另一好處是，可以節(jié)省大量課堂講授時間，用新知識、新技術(shù)充實課堂教學(xué)內(nèi)容。

4 考核方式

課程原有的考核方式也存在弊端，學(xué)生的總成績大多由出勤和期末考試兩部分成績決定。有些學(xué)生為了達(dá)到較高的出勤率，明明聽不懂、學(xué)不會，還勉強坐在教室里當(dāng)觀眾?？梢娺@種考核方式缺乏全面性與科學(xué)性，沒有反映出每個學(xué)生真實的學(xué)習(xí)水平。為了使該課程的考核方式更加科學(xué)合理，必須引入新的考核辦法，采用平時測驗、課堂討論和期末考試等幾部分的成績進(jìn)行綜合評定，從而客觀真實地反映學(xué)生的綜合素質(zhì)。

圖2 半波對稱天線輻射方向

5 結(jié)語

本研究對本校電子信息工程專業(yè)本科學(xué)生的電磁場理論課程進(jìn)行教學(xué)改革，調(diào)整了教學(xué)內(nèi)容，轉(zhuǎn)變了教學(xué)方法，運用了多種教學(xué)手段，采用了比較全面的考核方式，在該門課程改革實踐過程中取得了良好的教學(xué)效果，有效提高了電磁場理論課程的教學(xué)質(zhì)量。