“電磁場與電磁波”課程教學改革與實踐

摘要：“電磁場與電磁波”是電子信息類專業和通信工程類專業一門重要的專業基礎課，也是“微波技術”、“光纖通信”等后續課程的理論基礎。根據“電磁場與電磁波”課程的特點，結合教學實踐，就該課程的教學內容、教學方法等方面闡述了教學改革的思路，并對如何培養學生的綜合能力進行了探索和實踐。

關鍵詞：電磁場；電磁波；教學改革；綜合能力

作者簡介：周慶華（1977-），男，湖南吉首人，長沙理工大學物理與電子科學學院，講師。（湖南 長沙 410004）

中圖分類號：G642.0     文獻標識碼：A     文章編號：1007-0079（2011）30-0174-02

“電磁場與電磁波”課程是電子信息類專業和通信工程類專業一門重要的專業基礎課。在大學物理電磁學的基礎上，進一步闡述電磁場與電磁波的基本概念、理論和基本分析方法，運用上述原理和方法對工程實際中的電磁問題進行初步分析和計算，并為“微波技術”、“光纖通信”等后續的專業課程以及今后的工作奠定基礎，在基礎課與專業課之間起著承前啟后的作用。該課程的內容在移動通信、微波通信、光纖通信、射頻電路、電磁兼容、高速集成電路等相關領域有著廣泛而深入的應用，同時它也是邊緣科學、交叉科學（環境電磁學、生物電磁學等）的生長點。因此，該課程對電子類與通信類專業人才的培養至關重要。[1]

該課程的理論性較強，數學基礎要求較高，物理概念抽象，難以理解，學生對這門課普遍感覺難學。因此，如何使課堂教學生動形象，激發學生的學習興趣，培養學生的綜合能力，是教師面臨的重要問題。本文就這些問題進行了研究與探索。

一、教學內容體系的改革

1.夯實數學基礎

“電磁場與電磁波”課程的數學基礎要求高，涉及到矢量分析、微積分、微分方程等數學工具，方法靈活。學生雖然在大學一、二年級學習過高等數學等相關課程，但是到了三年級學習本課程時相應的數學知識已經比較生疏，無法達到學習本課程要求。從以往的教學經驗來看，很多學生之所以在學習本課程時感到困難，就是因為數學基礎不牢。因此在課程開始的時候必須強化學習一些必要的數學知識，尤其是散度、旋度、梯度等矢量場分析的內容以及微分方程求解方面的知識，并注意將這些數學知識和本課程中的物理概念聯系起來，為本課程的學習打下扎實的基礎。

2.整合電磁場教學內容

電磁場部分教學的傳統順序是：靜電場、恒定電場、恒定磁場、時變電磁場，從特殊場到一般電磁場。[2]這樣的體系比較容易接受，但是與大學物理電磁學重復較多，學生易厭煩，花費學時也比較多，必將擠壓電磁波部分的學時。

因此在本課程的教學中，可以合理整合教學內容，從亥姆霍茲定理出發，將電磁場的散度和旋度作為核心問題，在大學物理電磁學的基礎上，逐一分析靜態電磁場和時變電磁場的散度和旋度方程，以此引入麥克斯韋方程。然后利用麥克斯韋方程分析時變電磁場的基本規律，并最終把靜態場歸結為時變場的一種特殊形式。這樣的內容體系，既充分利用了學生已有的電磁學基礎，節省了學時，又可以深化對亥姆霍茲定理、麥克斯韋方程的認識，有利于學生高屋建瓴的掌握電磁場的一般規律。

3.更新教學內容，激發學生興趣

“電磁場與電磁波”課程雖然理論性很強，但是也具有明確的工程應用背景。[3]在教學中可以將基礎理論和應用背景結合起來，把電磁場理論的應用實例引入教學，充實工程應用實例，這樣既可以使學生接觸到工程電磁學的最新發展，又可以激發學生學習基礎理論的興趣。

例如在學習電磁波在介質中傳播時，可以介紹煤礦井上下無線通信，以及潛艇無線通信的方式。學習電磁波極化時，可以討論中波天線、電視接收天線、衛星天線各自的形狀與極化方式之間的關系。學習趨膚效應時，可以介紹它在微波爐屏蔽、金屬表面淬火中的應用等。

二、教學方法的改革

1.多媒體課件與傳統教學方法相結合

“電磁場與電磁波”課程中很多內容比較抽象，例如同軸電纜中的電場強度E和磁場強度H分布、駐波和行波等內容，用傳統的黑板板書和語言描述的方式很難將它們表述清楚。如果利用多媒體課件，就可以采用圖像、動畫的方式把這些內容生動、形象、直觀地演示出來，這樣可以增強學生的學習興趣，加深學生對這些內容的理解。

但是在使用多媒體教學時，教師應該避免坐在講臺上盯著電腦屏幕“照本宣科”，缺乏與學生的交流。而是應該將多媒體課件與傳統教學手段相結合，適度的使用多媒體手段。尤其是在本課程的理論推導部分，如果完全采用多媒體課件，將推導過程直接在屏幕上打出來，學生以旁觀者的角度把整個過程看一遍，往往對教學內容印象不深，課上似乎能看懂，課下很快就忘了。因此可以保留傳統黑板板書教學的方式，雖然速度較慢，但是加強了與學生之間的交流互動，增強了學生的參與意識，發揮了學生學習的主動性，這樣才能取得較好的教學效果。

2.營造網絡化的自主學習環境

“電磁場與電磁波”是一門理論性很強的課程，在教學過程中缺少與學生個別交流的機會，輔導答疑時間有限，難以照顧學生的個體差異，無法滿足學生的個別需求。另外，學生在進行預習、復習這些自主學習環節時，由于缺乏參考資料，通常只能把教材和少數幾本參考書作為知識的唯一來源。這對激發學生的學習興趣，提高學習主動性十分不利。[4]

隨著現代信息技術的發展，教學模式及學習方式也應該隨之改變?？梢栽谛@網環境下建立教學輔導網站，將本課程的教學大綱、教案、習題、參考資料和多媒體課件放在網上，由于網絡教學資源具有信息容量大、資料更新快、生動形象的優點，有利于學生開展自主學習，提高學習的主動性。

三、學生綜合能力的培養

教學的目的不僅僅是向學生傳授知識，更重要的是通過教學培養和發展學生的綜合能力。在以往的教學中，往往對學生的解題能力和應試能力比較重視，卻忽視對學生綜合能力的培養?！半姶艌雠c電磁波”課程對學生綜合能力的培養可以從以下幾個方面入手。

1.培養學生的科學思維

“電磁場與電磁波”的理論推導過程中，重要的并不是讓學生記住整個推導過程，而是讓學生學會蘊含在其中的分析問題、解決問題的科學方法。通過對科學方法的介紹，培養學生的科學思維。這一點對于提高學生綜合能力至關重要。

2.培養工程意識，提高計算機應用能力

在學習基本理論、基本方法的時候，可以引入相關的工程應用實例和應用性的習題，培養學生運用理論解決實際問題的能力和初步的工程意識。

在本課程以往的教學中，比較注重解析解法的技巧。但是這些方法具有一定的局限性，一般的工程問題常無法用解析法來求解。例如靜態場邊值問題，如果遇到復雜場源、不規則邊界，就無法用解析法來求解；在分析非均勻介質波導、非均勻傳輸線時解析法也無能為力。這就給學生解決實際工程問題帶來了很大的障礙。因此很有必要在課程教學中介紹一些電磁場與電磁波的數值計算方法，例如有限差分法、有限元法等，并且布置一些數值計算的習題要求學生用C語言或MATLAB等進行編程計算。另外，還可以向學生介紹一些利用MATLAB工具箱或者專業軟件（例如Ansoft Ensemble、Ansoft HFSS）進行電磁場與電磁波仿真的方法，提高學生應用計算機解決實際問題的能力。

3.改進考核手段，真實反映綜合能力

本課程的考核目前是以期末閉卷考試成績和平時作業成績為主，進行綜合評分，這樣的考核方式往往難以全面反映學生的綜合能力。容易形成學生在考試前死記硬背公式例題，考試結束后又很快忘掉的怪圈。為了避免出現這種情況，應該從以下兩方面著手對考核手段進行改進。

首先，考核方式應當更靈活，學生可以在老師的指導下，根據自己的能力和課程的要求，對“電磁場與電磁波”中一些自己感興趣的領域開展專題研究性的學習。學生可以自行查閱資料，獨立思考或進行小組討論，完成小論文。最后根據學生在研究性學習過程中的態度，研究能力以及研究成果的獲得情況進行評分，并計入期末的綜合評分。如此更能反映個人的綜合能力。

其次，在期末考試命題方面，應該建設一個高水平的試題庫，試題重點突出，題型多樣化，避免出偏題、怪題。為了使學生在復習備考時能集中精力加深對教學內容的理解，而不是把主要精力用在死記硬背上，可以把考試中用到的一些較復雜公式在試卷上列出，這樣的命題方式才能有效地考查學生的綜合能力。

參考文獻：

[1]丁蘭,盧建隆.精品課程建設與電磁場與電磁波教學改革[J].內蒙古師范大學學報(教育科學版),2006,19(7):119-121．

[2]謝處方.電磁場與電磁波(第4版)[M].北京:高等教育出版社,2006.

[3]晁立冬.面向新世紀電磁場課程教學改革[J].電氣電子教學學報,

2000,(3):18-19．

[4]貢福海,王莉.試論高校精品課程建設[J].黑龍江高教研究,2004,117

(1):126-128．

（責任責任：麻劍飛）