“電磁場與電磁波”課程教學(xué)改革思考與探索＊

王波云

（湖北工程學(xué)院物理與電子信息工程學(xué)院，湖北孝感432000）

1 引言

“電磁場與電磁波”課程是電子信息類學(xué)生必修的技術(shù)基礎(chǔ)課程，是電氣工程師必備的基礎(chǔ)知識，是電磁理論的重要組成部分，并且“電磁場與電磁波”課程理論知識非常系統(tǒng)完備，應(yīng)用技術(shù)非常廣泛實(shí)用，學(xué)好這門課程有助于增強(qiáng)學(xué)生利用電磁場和電磁波的理論知識解決實(shí)際電磁工程問題的創(chuàng)新能力。

電磁理論在麥克斯韋方程組建立后的一百多年里，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電磁理論得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。電磁理論在生產(chǎn)生活的各個方面得到廣泛應(yīng)用，尤其近三十年來，隨著無線電電子學(xué)、計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，生物電磁學(xué)、環(huán)境電磁學(xué)和電磁兼容等學(xué)科的建立，電磁理論產(chǎn)生了許多新的前沿研究課題。但是，要學(xué)好“電磁場與電磁波”這門課程，需要非常扎實(shí)的數(shù)學(xué)物理基礎(chǔ)，由于多數(shù)學(xué)生“高等數(shù)學(xué)”“數(shù)學(xué)物理方法”和“大學(xué)物理”學(xué)習(xí)不扎實(shí)，導(dǎo)致學(xué)習(xí)這門課程的難度很大，學(xué)生在課堂上覺得聽不懂，在平時學(xué)習(xí)的過程中感覺太難。其實(shí)“電磁場與電磁波”這門課程知識內(nèi)容比較系統(tǒng)全面，知識主線比較清晰，只要掌握了這門課程的學(xué)習(xí)規(guī)律，掌握了利用數(shù)學(xué)方法解決實(shí)際電磁工程問題的一般步驟，掌握了分析、解決和歸納問題的一般方法，學(xué)習(xí)起來并不困難。

2 “電磁場與電磁波”課程教學(xué)存在的問題

目前我校光電信息科學(xué)與工程、電子信息工程、電子信息科學(xué)與技術(shù)、電氣工程及其自動化4 個本科專業(yè)開設(shè)了“電磁場與電磁波”這門課程，均安排在大二下學(xué)期，學(xué)生在大一、大二上學(xué)期完成了“高等數(shù)學(xué)”“數(shù)學(xué)物理方法”“大學(xué)物理”等課程的學(xué)習(xí)，為“電磁場與電磁波”課程的學(xué)習(xí)儲備了必要的數(shù)學(xué)物理知識。但是，由于主觀和客觀的原因，使得學(xué)生在學(xué)習(xí)這門課程時遇到了很多困難。

首先，部分學(xué)生的數(shù)學(xué)物理基礎(chǔ)不夠扎實(shí)。學(xué)生學(xué)完數(shù)學(xué)、物理等基礎(chǔ)課程之后，再學(xué)習(xí)這門課程，中間間隔了一年左右的時間，利用數(shù)學(xué)物理知識解決實(shí)際電磁問題不夠熟練。

其次，“電磁場與電磁波”這門課程理論性強(qiáng)、知識抽象、公式方程繁多，課程的性質(zhì)就決定了學(xué)生學(xué)習(xí)起來具有難度。需要掌握的重要定理和定律包括散度定理、斯托克斯定理、電荷守恒定律、庫侖定律、電磁感應(yīng)定律、安培環(huán)路定理、坡印廷定理等20 個以上，重要的公式方程包括梯度、散度、旋度、麥克斯韋方程組、電位、磁矢位、磁標(biāo)位、波動方程、達(dá)朗貝爾方程等40 個以上。另外，通過分析時變電磁場，得到電磁波的性質(zhì)及應(yīng)用。在分析推導(dǎo)的過程中，學(xué)生不僅要熟練掌握電磁理論知識，而且需要靈活運(yùn)用高等數(shù)學(xué)和數(shù)學(xué)物理方程中的一些經(jīng)典性的解法，例如靈活運(yùn)用鏡像法、分離變量法、時域有限差分法求解電磁場問題。

最后，由于實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件的限制，電磁場的基本規(guī)律和電磁波的技術(shù)應(yīng)用無法通過實(shí)驗(yàn)手段形象地展示給學(xué)生，使得許多學(xué)生無法理解抽象的物理概念、物理內(nèi)容和物理過程，不能建立一個很清晰的物理圖像，理論知識與實(shí)驗(yàn)實(shí)踐脫離，從而影響整個課程的學(xué)習(xí)。

總之，“電磁場與電磁波”這門課程對學(xué)生來說難度很大，學(xué)生學(xué)習(xí)起來覺得很枯燥，不能有效地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和提高學(xué)生的學(xué)習(xí)質(zhì)量，導(dǎo)致考試不及格率較高，學(xué)生利用電磁場與電磁波的理論知識解決實(shí)際電磁工程問題的能力不強(qiáng)，尤其是解決電磁技術(shù)難題的實(shí)際動手能力不強(qiáng)。

3 課程教學(xué)改革探索與實(shí)踐

3.1 理論聯(lián)系實(shí)際激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

“電磁場與電磁波”這門課程理論知識深奧，公式方程晦澀難懂，我們可以通過講解一些電磁場與電磁波在生活中的應(yīng)用，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深學(xué)生對知識的理解。在講到電磁場理論的發(fā)展歷史時，會出現(xiàn)很多物理中耳熟能詳?shù)拿?，通過講解這些名人重大發(fā)現(xiàn)的勵志故事，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，同時對學(xué)生的學(xué)習(xí)也是一種激勵。在講到電磁感應(yīng)定律時，回顧法拉第如何由一個木匠家庭出身的輟學(xué)少年，通過自己的刻苦努力，最終發(fā)現(xiàn)了著名的法拉第電磁感應(yīng)定律，法拉第的勵志故事對學(xué)生的學(xué)習(xí)和以后的成長都具有激勵作用。講到手機(jī)通信、電視、廣播、衛(wèi)星通信、GPS定位與導(dǎo)航、磁懸浮列車、隱形飛機(jī)等技術(shù)，能夠使學(xué)生產(chǎn)生濃厚的興趣。講到電介質(zhì)的極化時，可以舉例說明家用電器微波爐就是利用電介質(zhì)極化的原理加熱食物。講到電磁波的極化時，為了實(shí)現(xiàn)信號的最佳接收，收音機(jī)和廣播天線要與地面垂直放置，電視天線與大地平行放置。講到半波長介質(zhì)窗時，氣象站的雷達(dá)天線罩就是利用半波長介質(zhì)窗原理設(shè)計而成。理論聯(lián)系實(shí)際不僅能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且能夠使學(xué)生對所學(xué)知識融會貫通。

3.2 多媒體授課與板書結(jié)合創(chuàng)新課堂教學(xué)模式

教材中關(guān)于矢量分析、矢量的線積分和面積分、鏡像法、均勻平面波在無界空間中的傳播、電磁波的極化等內(nèi)容，相對來說比較抽象，學(xué)生很難想象。利用多媒體課件具有生動、直觀、形象的優(yōu)點(diǎn)，用動畫、圖片的形式將靜態(tài)抽象的內(nèi)容變得形象生動，使復(fù)雜的電磁原理變得簡單直觀，這樣大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。但是，如果整堂課都采用多媒體授課，不僅授課內(nèi)容知識量大，而且授課方式單調(diào)枯燥，學(xué)生容易產(chǎn)生疲勞的心態(tài)和枯燥的情緒，學(xué)生可能就會分散注意力，大大降低了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。為了緩解學(xué)生聽課的緊張度和疲勞度，教師可以采用示范法、教練法、講授法、課堂討論互動等各種教學(xué)技能去配合多媒體課件的使用。板書內(nèi)容可以是授課章節(jié)的內(nèi)容框架，也可以是授課內(nèi)容的重難點(diǎn)知識，一方面學(xué)生可以很清晰地掌握教師的授課思路和重點(diǎn)，另一方面為學(xué)生做好課堂筆記贏取時間?？傊處熎綍r要注意加強(qiáng)形象化知識的積累，比如收集圖表、動畫，制作Flash 動畫，錄制視頻，不斷豐富完善多媒體課件，同時要采取靈活多樣的黑板板書，使得課堂教學(xué)形式變得豐富多樣，有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高課堂教學(xué)質(zhì)量。

3.3 多講例題和答疑輔導(dǎo)促進(jìn)學(xué)生對知識的消化鞏固

電磁場與電磁波的定理定律、公式方程特別多，學(xué)生多做例題有助于加深理解，有助于熟練地掌握知識，教師多講例題能夠歸納出解題規(guī)律。例如為了加深學(xué)生對電磁波的極化的理解，可以精講一些例題，讓學(xué)生掌握極化的概念和含義，掌握直線極化波、圓極化波、橢圓極化波的條件和特點(diǎn)，能夠準(zhǔn)確地判定一個電磁波的極化狀態(tài)，這類題目的關(guān)鍵就是找到電磁波的瞬時表達(dá)式，得到各分量振幅之間和相位之間的關(guān)系。四分之一波長匹配層和半波長介質(zhì)窗是均勻平面波對多層介質(zhì)分界平面的垂直入射的一個非常重要的內(nèi)容，求解四分之一波長匹配層和半波長介質(zhì)窗的條件，是解這類題目的關(guān)鍵，通過分析規(guī)律，得出四分之一波長匹配層有消除界面反射和電磁波能夠無損耗的通過半波長介質(zhì)窗的結(jié)論。此外，利用課外時間定期對學(xué)生進(jìn)行答疑輔導(dǎo)，輔導(dǎo)學(xué)生不會或者不懂的地方。通過作業(yè)反饋的信息，及時解決部分學(xué)生知識沒有完全掌握的問題。

3.4 嘗試開設(shè)新實(shí)驗(yàn)和虛擬仿真培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力

受實(shí)驗(yàn)條件的限制，我校開設(shè)的“電磁場與電磁波”課程為48 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(shí)驗(yàn)課。通過開設(shè)實(shí)驗(yàn)課，學(xué)生動手機(jī)會多，手腦互動，既能夠加深對理論知識的理解，又能夠鍛煉學(xué)生的實(shí)際動手操作能力，促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。同時，利用FDTD 軟件進(jìn)行靜態(tài)電磁場及其邊值問題的求解等計算，并與理論結(jié)果相比較。我們“電磁場與電磁波”課程建設(shè)的下一步的重點(diǎn)是增設(shè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，主要是增設(shè)FDTD 軟件虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，通過軟件虛擬仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證并鞏固所學(xué)的理論知識，培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題及實(shí)際動手能力，訓(xùn)練學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。

4 結(jié)論

本文通過分析“電磁場與電磁波”課程教學(xué)目前存在的問題，提出了4 條課程教學(xué)改革方案，通過理論聯(lián)系實(shí)際，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，通過多媒體授課與板書結(jié)合創(chuàng)新課堂教學(xué)模式、多講例題和答疑輔導(dǎo)，促進(jìn)學(xué)生對知識的消化鞏固，嘗試開設(shè)新實(shí)驗(yàn)和虛擬仿真培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，最終激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)質(zhì)量。面對“電磁場與電磁波”這門課程學(xué)生難學(xué)、教師難教的現(xiàn)實(shí)，我們更應(yīng)該克服困難，迎難而上，在平時教學(xué)過程中，多實(shí)踐，多探索，多創(chuàng)新，同時要與學(xué)生多交流互動，真正做到教學(xué)相長，真正踐行“不忘初心，教書育人”。