“電磁場(chǎng)與電磁波”教學(xué)方法再探索

蔡 奇 呂文俊 呂云鵬

(南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院， 南京 210003)

“電磁場(chǎng)與電磁波”是電子、通信類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生必修的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，為學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)“微波技術(shù)”“天線(xiàn)技術(shù)”“無(wú)線(xiàn)通信”等課程打下重要的理論基礎(chǔ)，對(duì)廣播、衛(wèi)星通信、雷達(dá)等領(lǐng)域有重要指導(dǎo)作用[1]。利用電磁場(chǎng)理論方法和計(jì)算機(jī)輔助軟件分析解決實(shí)際問(wèn)題也是電子、通信類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生不可或缺的能力儲(chǔ)備。由于該課程需要深刻洞察物理現(xiàn)象的數(shù)學(xué)本質(zhì)，熟練使用微分方程、矢量分析等工具方法進(jìn)行建模分析，因此對(duì)學(xué)生的數(shù)理基礎(chǔ)要求較高。此外，“電磁場(chǎng)與電磁波”各章節(jié)之間邏輯嚴(yán)密、環(huán)環(huán)相扣，從矢量分析到麥克斯韋方程組，再到靜態(tài)電磁場(chǎng)、時(shí)變電磁場(chǎng)、電磁波傳播等，學(xué)生很容易因?yàn)槠渲幸画h(huán)的概念沒(méi)理解透徹，或前期數(shù)理基礎(chǔ)欠缺而導(dǎo)致后續(xù)課程如同聽(tīng)“天書(shū)”，出現(xiàn)學(xué)習(xí)效率低下、積極性下降甚至厭學(xué)畏學(xué)等一系列教學(xué)質(zhì)量欠佳問(wèn)題。

針對(duì)上述存在問(wèn)題，如何增強(qiáng)學(xué)習(xí)興趣，充分調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)積極性和原動(dòng)力，緩解學(xué)生的抵觸心理、全面培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)，成為促進(jìn)“電磁場(chǎng)與電磁波”課程教學(xué)質(zhì)量提高的重要研究問(wèn)題。以下將圍繞上述問(wèn)題，立足課程教學(xué)現(xiàn)狀，結(jié)合教學(xué)實(shí)踐過(guò)程，從教學(xué)方法和課程思政兩方面展開(kāi)探討。

1 “電磁場(chǎng)與電磁波”教學(xué)現(xiàn)狀

“電磁場(chǎng)與電磁波”是一門(mén)學(xué)生難學(xué)并且教師難教的課程，學(xué)習(xí)難度偏大，主要有以下原因：

1.1 教學(xué)方法枯燥單一

目前，該課程主要依靠課堂授課，強(qiáng)調(diào)授課教師的主導(dǎo)地位。這種授課模式不利于培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，容易產(chǎn)生“難學(xué)、枯燥”等消極情緒。加上各章節(jié)知識(shí)點(diǎn)多、邏輯性強(qiáng)、前后內(nèi)容聯(lián)系緊密，學(xué)生會(huì)由于前面的知識(shí)點(diǎn)沒(méi)學(xué)好而導(dǎo)致后續(xù)知識(shí)點(diǎn)逐步脫節(jié)，從而降低學(xué)習(xí)積極性，產(chǎn)生厭學(xué)情緒。

1.2 理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)脫節(jié)

“電磁場(chǎng)與電磁波”理論具有深刻的物理意義，然而受限于實(shí)驗(yàn)條件和平臺(tái)，本課程很少有配套的實(shí)踐教學(xué)課時(shí)，較難做到理論聯(lián)系實(shí)踐。缺少對(duì)基本概念的直觀(guān)詮釋?zhuān)蜁?huì)導(dǎo)致數(shù)理內(nèi)涵理解不深、死記硬背公式，無(wú)法活學(xué)活用。這容易使學(xué)生產(chǎn)生疑問(wèn)：“學(xué)習(xí)這門(mén)課程有什么用？如何解決實(shí)際問(wèn)題？”

1.3 學(xué)時(shí)緊張

“電磁場(chǎng)與電磁波”教學(xué)內(nèi)容較多，然而只有48-56學(xué)時(shí)，這其中又有相當(dāng)時(shí)間用于必要的公式推導(dǎo)證明。既要深刻詮釋物理概念、補(bǔ)充實(shí)踐環(huán)節(jié)，又要保持一定的習(xí)題課時(shí)，在課時(shí)受限的情況下顯然難以做到二者兼顧。

1.4 對(duì)數(shù)學(xué)要求較高

“電磁場(chǎng)與電磁波”的基本數(shù)學(xué)工具包括矢量分析、偏微分方程、積分方程、復(fù)變函數(shù)等，推導(dǎo)過(guò)程相對(duì)復(fù)雜，需要學(xué)生有較好的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和邏輯推導(dǎo)能力，因此普遍存在困難。

2 “電磁場(chǎng)與電磁波”教學(xué)方法

2.1 探究式教學(xué)

針對(duì)上述現(xiàn)狀，我們優(yōu)化了教學(xué)模式，試圖充分發(fā)掘?qū)W生在教師引導(dǎo)下的自主學(xué)習(xí)潛能，能夠增強(qiáng)學(xué)生在學(xué)習(xí)中的參與感和學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。例如在講解采用高斯定理計(jì)算均勻?qū)ΨQ(chēng)分布電場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，除了在課堂上對(duì)學(xué)生講解如何構(gòu)建高斯面，還可以設(shè)計(jì)課后項(xiàng)目，提示學(xué)生利用庫(kù)侖定律、點(diǎn)電荷的電場(chǎng)強(qiáng)度及其疊加原理來(lái)計(jì)算已知電荷分布條件下的電場(chǎng)強(qiáng)度，進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生探索球面非均勻分布時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度如何求解[2]。這樣不僅可以讓學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)的新課及時(shí)復(fù)習(xí)，還可以對(duì)舊課進(jìn)行回顧，串聯(lián)前后知識(shí)，形成學(xué)習(xí)遷移。

1.2 類(lèi)比教學(xué)

類(lèi)比法是物理類(lèi)課程的重要教學(xué)手段之一，通過(guò)展示數(shù)理方程的齊次比擬關(guān)系，充分詮釋不同物理現(xiàn)象的共同數(shù)學(xué)本質(zhì)(即：一套泛定方程可被分別用于描述完全不同的物理現(xiàn)象)，不僅生動(dòng)形象、直觀(guān)易懂，而且對(duì)提高學(xué)習(xí)效率、提升邏輯思維能力極為有效[3]。例如，機(jī)械彈簧振子和LC諧振回路的類(lèi)比，靜電場(chǎng)與恒定電場(chǎng)的類(lèi)比、勻速圓周運(yùn)動(dòng)與時(shí)諧電磁場(chǎng)類(lèi)比、二次曲線(xiàn)方程和二階線(xiàn)性偏微分方程類(lèi)比、電磁學(xué)與經(jīng)典力學(xué)類(lèi)比、疊加原理在電磁理論和電路分析中的類(lèi)比，等等。這些類(lèi)比都有明確的數(shù)學(xué)模型和物理背景，兼顧定性比擬和定量分析，不僅有助于啟發(fā)學(xué)生鞏固已有的物理概念，而且為更透徹洞悉數(shù)理方程的物理含義，為掌握電磁場(chǎng)解析方法并靈活運(yùn)用作了有益鋪墊，可以顯著提高學(xué)習(xí)興趣和積極性[4]。

1.3 計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)

電磁場(chǎng)與電磁波理論對(duì)空間想象能力要求較高。在教學(xué)環(huán)節(jié)中引入Matlab、HFSS、CST等專(zhuān)業(yè)軟件，有助實(shí)現(xiàn)理論公式的可視化、形象化，例如：通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助仿真手段展示電磁場(chǎng)和電磁波的三維分布情況，演示其動(dòng)態(tài)傳播過(guò)程，讓學(xué)生直觀(guān)領(lǐng)會(huì)邊界條件、介質(zhì)條件、電磁波傳播方向等帶來(lái)的影響，強(qiáng)化學(xué)生的理解[5-6]。特別地，以均勻平面電磁波的傳播、垂直極化波入射到兩種介質(zhì)面、圓極化波等環(huán)節(jié)，可以采用Matlab繪制如圖1所示的動(dòng)畫(huà)將物理現(xiàn)象直觀(guān)展示給學(xué)生，達(dá)到理解概念、洞察規(guī)律的目的，提高教學(xué)效果[7]。在此基礎(chǔ)上可進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用仿真軟件自行仿真濾波器、貼片天線(xiàn)等，培養(yǎng)運(yùn)用所學(xué)理論解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。

(a) 均勻平面電磁波的傳播動(dòng)畫(huà)截圖

(b)垂直極化波入射到兩種介質(zhì)面的動(dòng)畫(huà)截圖

(c)左旋圓極化波動(dòng)畫(huà)截圖

(d)右旋圓極化波動(dòng)畫(huà)截圖圖1 計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)的Matlab動(dòng)畫(huà)截圖

3 “電磁場(chǎng)與電磁波”課程思政

課程思政建設(shè)是新時(shí)代教育教學(xué)改革的重中之重，習(xí)近平總書(shū)記強(qiáng)調(diào)：“要堅(jiān)持把立德樹(shù)人作為中心環(huán)節(jié)，把思想政治工作貫穿教學(xué)全過(guò)程，實(shí)現(xiàn)全程育人、全方位育人，努力開(kāi)創(chuàng)我國(guó)高等教育事業(yè)發(fā)展新局面”[8]。實(shí)踐表明，教師在推動(dòng)課程思政效能提升方面發(fā)揮著不可替代的作用，要積極引導(dǎo)當(dāng)代學(xué)生樹(shù)立正確的國(guó)家觀(guān)、民族觀(guān)、歷史觀(guān)、文化觀(guān)?，F(xiàn)階段我校的“電磁場(chǎng)與電磁波”課程是通信工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生的必修課程，但通過(guò)調(diào)查學(xué)生對(duì)這門(mén)課程的看法，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)學(xué)生認(rèn)為課程難度較大、趣味性不強(qiáng)，并且不希望教師介紹太多復(fù)雜的公式推導(dǎo)，而是對(duì)課程的歷史發(fā)展、應(yīng)用背景、實(shí)踐機(jī)會(huì)等更感興趣?！半姶艌?chǎng)與電磁波”課程的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)特點(diǎn)也使其在教學(xué)過(guò)程中可以挖掘出比較豐富的思政元素和思政背景，從而實(shí)現(xiàn)顯性教育和隱性教育相結(jié)合，傳授專(zhuān)業(yè)知識(shí)技能和培養(yǎng)社會(huì)主義核心價(jià)值觀(guān)相結(jié)合。

3.1 牢記歷史，培養(yǎng)勇于探索的科學(xué)精神

“電磁場(chǎng)與電磁波”理論的發(fā)展經(jīng)歷了從定性到定量、從感性到理性、從經(jīng)驗(yàn)、唯象到抽象的認(rèn)識(shí)過(guò)程。在教學(xué)實(shí)踐中，我們?cè)谡n程緒論采用2個(gè)學(xué)時(shí)左右提綱挈領(lǐng)地給學(xué)生梳理電磁學(xué)的發(fā)展史，從戰(zhàn)國(guó)中后期至明代中葉(公元前300年—公元1500年)，古代中國(guó)人曾在磁學(xué)方面做出了領(lǐng)先世界1000多年的偉大成就。介紹古希臘人發(fā)現(xiàn)“摩擦起電”現(xiàn)象的同時(shí)，必須強(qiáng)調(diào)“四大發(fā)明”中的司南(始見(jiàn)于戰(zhàn)國(guó)古籍《鬼谷子》)、北宋沈括《夢(mèng)溪筆談》中的磁偏角測(cè)量實(shí)驗(yàn)(人類(lèi)歷史上首次記載磁北極和地理北極不重合、并提出測(cè)量該夾角的方法)以及羅盤(pán)(實(shí)用化、可用于航海的磁針式指南針，開(kāi)辟了“海上絲綢之路”，奠定中國(guó)航海術(shù)領(lǐng)先西方近500年的技術(shù)基礎(chǔ)，極大促進(jìn)了中國(guó)東南沿海地區(qū)的經(jīng)濟(jì)繁榮)，再銜接到電磁學(xué)進(jìn)入“唯象時(shí)期”的庫(kù)侖定律、安培定律、法拉第電磁感應(yīng)定律，再到“統(tǒng)一抽象時(shí)期”的麥克斯韋方程組如何預(yù)測(cè)電磁波存在、如何通過(guò)赫茲實(shí)驗(yàn)得以證實(shí)；接著，1896年馬可尼、波波夫等先驅(qū)實(shí)現(xiàn)了無(wú)線(xiàn)電報(bào)實(shí)驗(yàn)，開(kāi)啟了無(wú)線(xiàn)通信的新時(shí)代；最后介紹現(xiàn)代無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)從2G、3G、4G到5G的發(fā)展歷程及其成就。通過(guò)完整的歷史背景，既向?qū)W生全面展示宏觀(guān)電磁理論是無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的基石，清晰揭示其發(fā)展歷程，又增強(qiáng)了民族自豪感，從而充分激發(fā)和增強(qiáng)學(xué)生的求知欲和自信心。

3.2 介紹科技前沿動(dòng)態(tài)，激發(fā)投身祖國(guó)建設(shè)的熱情

除了歷史發(fā)展，在后續(xù)課程授課中還可以結(jié)合教師的科研課題，融入部分前沿技術(shù)，給出一些實(shí)例引導(dǎo)，特別是工程實(shí)際及國(guó)防應(yīng)用實(shí)例的介紹，以明確本課程對(duì)工程實(shí)際和國(guó)防工業(yè)的巨大作用。例如在講電磁輻射時(shí)，可以介紹5G大規(guī)模MIMO技術(shù)和毫米波技術(shù)、北斗導(dǎo)航系統(tǒng)和FAST球面射電望遠(yuǎn)鏡；在講解平面波的反射、透射等時(shí)可以介紹光纖的全反射原理以及“光纖之父”高錕的貢獻(xiàn)、電磁波的雷達(dá)隱身技術(shù)等等，讓學(xué)生了解本課程的學(xué)習(xí)前景以及理論知識(shí)是如何與實(shí)際應(yīng)用結(jié)合。在充分激發(fā)民族自信心和自豪感的同時(shí)，培養(yǎng)科學(xué)精神、創(chuàng)新精神、奮斗精神，積極投身相關(guān)行業(yè)建設(shè)。

3.3 磨礪工匠精神，樹(shù)立社會(huì)主義核心價(jià)值觀(guān)

“電磁場(chǎng)和電磁波”作為一門(mén)基礎(chǔ)課程，其授課對(duì)象是正處于世界觀(guān)、人生觀(guān)、價(jià)值觀(guān)形成階段的大一或大二學(xué)生，因此教師在授課過(guò)程中，還可以適當(dāng)穿插一些案例，引導(dǎo)學(xué)生樹(shù)立正確的世界觀(guān)和價(jià)值觀(guān)。例如在講解電磁波理論發(fā)展時(shí)，可以向?qū)W生講述“中國(guó)微波之父”林為干院士對(duì)中國(guó)電磁科學(xué)發(fā)展做出的開(kāi)創(chuàng)性貢獻(xiàn)和在微波領(lǐng)域的常年堅(jiān)守的事跡。在講解電磁波極化時(shí)，可以講述銀河號(hào)事件中GPS對(duì)我們?cè)斐傻挠绊?，說(shuō)明北斗導(dǎo)航系統(tǒng)在汶川地震救災(zāi)和北京奧運(yùn)會(huì)中起到的重要作用，讓學(xué)生明白北斗系統(tǒng)的重要意義。上述案例的引入，可以讓學(xué)生明白當(dāng)代大學(xué)生肩負(fù)的歷史使命，真切理解“科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力”的含義，為實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的中國(guó)夢(mèng)奮斗。

4 結(jié)語(yǔ)

“電磁場(chǎng)與電磁波”是電子信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)最重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課之一。根據(jù)這門(mén)課程的教學(xué)現(xiàn)狀和存在難點(diǎn)，結(jié)合作者的教學(xué)實(shí)踐，從教學(xué)方法和課程思政兩方面總結(jié)并提出一系列改進(jìn)方法。通過(guò)探索教學(xué)、類(lèi)比教學(xué)、計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)，靈活而充分地融入課程思政要素，不僅幫助學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，而且更注重培養(yǎng)學(xué)生的家國(guó)情懷、責(zé)任意識(shí)和工匠精神，助力學(xué)生成長(zhǎng)為新時(shí)代需要的高素質(zhì)復(fù)合型工程人才。