毛雷鳴

巢湖學(xué)院電子工程與電氣自動(dòng)化學(xué)院，安徽 巢湖 238000

提高“電磁場(chǎng)與電磁波”課堂教學(xué)效果的實(shí)踐研究

毛雷鳴

巢湖學(xué)院電子工程與電氣自動(dòng)化學(xué)院，安徽 巢湖 238000

“電磁場(chǎng)與電磁波”是本科學(xué)校電子信息類專業(yè)必修的專業(yè)基礎(chǔ)課，同時(shí)也是一門難學(xué)難教的課程。針對(duì)此課程的特點(diǎn)，該文從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)效果、教學(xué)方法等方面對(duì)該課程教學(xué)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了一系列總結(jié)，取得了較好的教學(xué)效果。

電磁場(chǎng)與電磁波；教學(xué)內(nèi)容；教學(xué)方法；教學(xué)效果

引言

本科院校的“電磁場(chǎng)與電磁波”課程是電子信息類專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，在電子信息類專業(yè)中占有重要的地位。該課程是否學(xué)得好，基礎(chǔ)是否牢固，直接影響以后通信原理、微波技術(shù)、天線原理、移動(dòng)通訊、電磁兼容、及其他高頻電子設(shè)備課程的學(xué)習(xí)。但是由于該課程知識(shí)面廣，概念抽象，公式多，推導(dǎo)復(fù)雜，計(jì)算難度大等特點(diǎn)，對(duì)應(yīng)用型本科院校的本科生來說，往往由于學(xué)生理論基礎(chǔ)差，造成入門學(xué)習(xí)困難，難以將已經(jīng)學(xué)好的數(shù)學(xué)知識(shí)和電磁場(chǎng)內(nèi)容很好的結(jié)合，達(dá)到學(xué)以致用的目的；同時(shí)課本上繁多的公式也給很多學(xué)生的學(xué)習(xí)帶來很大的困難，學(xué)生不清楚公式包含哪些物理意義，哪些公式重要，哪些需要熟記；此外，電磁場(chǎng)的三維特性和電磁波的波動(dòng)性等抽象內(nèi)容，要求學(xué)生要有較強(qiáng)的空間想象能力、抽象思維能力和邏輯推理能力，但是受傳統(tǒng)教學(xué)手段僅僅使用公式描述參數(shù)之間關(guān)系，缺少圖形描述，使教師無法生動(dòng)、形象地展示給學(xué)生，這些都使得許多學(xué)生無法深入理解從這些模型中建立起來的許多概念，失去學(xué)習(xí)的積極性，從而影響整個(gè)課程的學(xué)習(xí)，考試不及格率較高[1]。因此需要教師在課堂教學(xué)過程中，結(jié)合學(xué)生的實(shí)際情況，及時(shí)對(duì)課程的教學(xué)方法進(jìn)行改革和優(yōu)化，把握學(xué)生特點(diǎn)，提高學(xué)生對(duì)本課程的興趣，消除畏懼心理。

1 合理設(shè)置教學(xué)內(nèi)容

巢湖學(xué)院《電磁場(chǎng)與電磁波》[2]教材選用的是成都電子科技大學(xué)謝處方教授新編教材的第四版，這是教育部推薦的100本優(yōu)秀教材之一，至少需要80個(gè)學(xué)時(shí)。而我們每學(xué)期安排學(xué)時(shí)是64個(gè)，所以每個(gè)章節(jié)的內(nèi)容不能面面俱到，要做一些必要的刪減。課程安排上，首先講解矢量分析，幫助學(xué)生鞏固數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，明確矢量場(chǎng)和場(chǎng)源之間的數(shù)學(xué)關(guān)系；然后講解電磁場(chǎng)的基本規(guī)律，對(duì)大學(xué)物理中已經(jīng)介紹過的一些基本理論進(jìn)行詳細(xì)的復(fù)習(xí)和總結(jié)；以此為基礎(chǔ)導(dǎo)出各類電磁問題滿足的基本公式，即麥克斯韋方程組和時(shí)變電磁場(chǎng)邊界條件。為了幫助電子信息類專業(yè)的學(xué)生掌握電磁理論的工程應(yīng)用，及后續(xù)課程的學(xué)習(xí)[3]，將均勻平面電磁波在無界空間、均勻波導(dǎo)和均勻傳輸線中的傳播加入教學(xué)中，使學(xué)生既能掌握基本理論，又能打下應(yīng)用基礎(chǔ)。由于時(shí)間限制，在學(xué)時(shí)安排上，針對(duì)應(yīng)用型本科院校電子信息類專業(yè)的人才需求，強(qiáng)化“電磁波”的內(nèi)容，適當(dāng)壓縮靜態(tài)場(chǎng)部分，擴(kuò)充電磁波部分，使兩者授課時(shí)間達(dá)到2:5的比例；同時(shí)不過多重復(fù)“大學(xué)物理”課程中電磁學(xué)的相關(guān)內(nèi)容，如安培定理是“大學(xué)物理”和“電磁場(chǎng)與電磁波”兩門課程中的一個(gè)最基本的知識(shí)點(diǎn)，“大學(xué)物理”強(qiáng)調(diào)的是定理的推導(dǎo)，而“電磁場(chǎng)與電磁波”強(qiáng)調(diào)的是其微分形式，所以講述時(shí)定理可依據(jù)“大學(xué)物理”直接給出，然后推導(dǎo)微分形式[4-5]。

2 將電磁理論的發(fā)展史融入教學(xué)之中

電磁場(chǎng)與電磁波是一門用數(shù)學(xué)工具來分析和解釋物理現(xiàn)象的課程。大多數(shù)物理現(xiàn)象都有被前人發(fā)現(xiàn)認(rèn)知的過程，從這些物理現(xiàn)象認(rèn)識(shí)過程的背景出發(fā)，去介紹電磁場(chǎng)的知識(shí)，往往可以增加課程的生動(dòng)性，增加學(xué)習(xí)興趣。比如，介紹極化的時(shí)候，可以介紹安培提出分子電流的過程，結(jié)合歷史背景使學(xué)生了解分子電流假說的意義和局限性；介紹電磁感應(yīng)時(shí)，就可以講述法拉第探索和發(fā)表電磁感應(yīng)的經(jīng)歷及科拉頓跑失良機(jī)的故事，讓學(xué)生了解到這一現(xiàn)象的產(chǎn)生過程，增加學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

增加電磁場(chǎng)與電磁波相關(guān)的前沿介紹對(duì)電磁場(chǎng)教學(xué)也至關(guān)重要，一方面可以增加學(xué)生的認(rèn)知興趣；另一方面可以讓學(xué)生看到電磁場(chǎng)發(fā)展的前景。例如在講解平面電磁波的傳播時(shí)，可以舉出衛(wèi)星通信、光線通信、藍(lán)牙技術(shù)等實(shí)例、也可以列舉最近出現(xiàn)的國(guó)際上非常熱門的負(fù)折射率介質(zhì)研究、電磁波的隱身技術(shù)等，大大激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣[6]。

3 加強(qiáng)基本概念的理解

電磁場(chǎng)理論中一些概念、原理和結(jié)論都是通過繁雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)而得到的，如果詳細(xì)講解推導(dǎo)過程，不僅會(huì)浪費(fèi)大量的時(shí)間，還會(huì)讓學(xué)生感覺這門課枯燥、難以理解，從而產(chǎn)生畏懼的心理。另外，學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)，如果把大量的精力放在復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)和公式記憶上，會(huì)忽略對(duì)基本概念和定理的理解，使學(xué)習(xí)僅僅停留在簡(jiǎn)單的死記硬背上，甚至一些簡(jiǎn)單的概念和定理都不能真正理解。所以授課時(shí)，減少公式推導(dǎo)過程，著重從物理意義的角度講解，把公式的物理思想講深講透，重點(diǎn)對(duì)所得結(jié)論進(jìn)行總結(jié)歸納，有意識(shí)地培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)思維的能力。如果不注重基本物理概念的理解，即使掌握再多的數(shù)學(xué)技巧，遇到具體問題時(shí)，也會(huì)思路不清，無從下手。

4 加強(qiáng)教學(xué)中相似性的比較

電磁學(xué)中，某些電現(xiàn)象與磁現(xiàn)象本質(zhì)上相異，但在現(xiàn)象上有很好的相似性，或在研究方法上十分相似。例如，矢量的散度和旋度的比較，真空中靜電場(chǎng)和恒定磁場(chǎng)的比較，電偶極子和磁偶極子產(chǎn)生的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的比較等內(nèi)容。對(duì)結(jié)構(gòu)相似的定理、定義與公式進(jìn)行歸納，列出表格，對(duì)比相似點(diǎn)與差異點(diǎn)。當(dāng)遇到這類知識(shí)時(shí)，利用電磁對(duì)偶關(guān)系，就很容易理解磁現(xiàn)象，通過相似性比較，有助于知識(shí)融會(huì)貫通，也便于學(xué)生記憶。

5 加強(qiáng)理論知識(shí)和工程實(shí)例的結(jié)合

學(xué)習(xí)一門新課程時(shí)，學(xué)生往往不知道為什么要學(xué)習(xí)這門課，學(xué)習(xí)這門課有什么用。為了解決這一問題，課堂教學(xué)的時(shí)，可以將應(yīng)用背景與理論學(xué)習(xí)結(jié)合起來，通過啟發(fā)學(xué)生思考，將課堂知識(shí)用于分析實(shí)際問題，不僅達(dá)到學(xué)以致用的目的，還能增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。例如，講到電磁感應(yīng)定理時(shí)，可以與學(xué)生一起討論發(fā)電機(jī)和電磁爐的工作原理；在剛開始學(xué)習(xí)均勻平面波傳播時(shí)，讓學(xué)生自由列舉現(xiàn)實(shí)生活中遇到的電磁波傳播問題。再問學(xué)生:為什么海水中潛艇之間的通信困難？為什么在微波爐中不用金屬盤子加熱食物？手機(jī)放在微波爐中能接受到信號(hào)嗎？中波廣播天線架設(shè)為什么與地面垂直？電視衛(wèi)星天線的尺寸不同收到的衛(wèi)星信號(hào)相同嗎？當(dāng)講授均勻平面波的反射與透射時(shí)，可以問學(xué)生:照相機(jī)鏡頭上為什么有一層敷層？怎樣才能使雷達(dá)天線免受惡劣天氣的影響？當(dāng)學(xué)生帶著他們無法解決的問題學(xué)習(xí)時(shí)，就會(huì)想盡快知道解決問題的方法。通過對(duì)應(yīng)理論知識(shí)的講授，學(xué)生對(duì)老師提出的問題有了較深的認(rèn)識(shí)。經(jīng)過不停地提出問題、解決問題的過程，學(xué)生對(duì)本課程學(xué)習(xí)的積極性會(huì)越來越高，興趣越來越濃厚[7-8]。

6 多媒體教學(xué)和板書教學(xué)相結(jié)合

電磁場(chǎng)作為一種特殊的物質(zhì)，看不見、摸不著的，特別抽象，所以對(duì)相應(yīng)的一些概念和原理的理解也特別困難。在教學(xué)中涉及大量的隨時(shí)間和空間變化的場(chǎng)分布圖，這些圖形不僅復(fù)雜，難于制作，而且還難于識(shí)別，難于理解；隨著計(jì)算機(jī)的快速發(fā)展和廣泛普及，作為老師，可以充分利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算和圖形處理功能、視覺功能，使用多媒體教學(xué)幫助在學(xué)生頭腦中建立一些形象的三維空間模型，實(shí)現(xiàn)電磁場(chǎng)的可視化，將抽象、空洞的理論變得形象，讓抽象思維和形象思維得到很好的結(jié)合，進(jìn)而加深學(xué)生對(duì)授課內(nèi)容的理解。力爭(zhēng)做到生動(dòng)、形象、更有效的理解和掌握基本概念、基本定律、基本公式和基本應(yīng)用。例如，可以利用Maxwell仿真靜電場(chǎng)的分布；利用Matlab軟件仿真電磁場(chǎng)的極化和傳播特性；利用HFSS或CST等軟件仿真圓形波導(dǎo)中電磁波的傳播或天線的輻射，將學(xué)習(xí)的重點(diǎn)、難點(diǎn)形象生動(dòng)地展示出來。使用多媒體與板書相的教學(xué)方式，既能從視覺上激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，又能使學(xué)生對(duì)某些推導(dǎo)過程和理論知識(shí)有個(gè)更深刻的認(rèn)知。

7 結(jié)語

總之， 通過不斷總結(jié)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，逐步改進(jìn)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)課程的熱情，課程的教學(xué)質(zhì)量得到了較大的提高，提高學(xué)生的分析和解決實(shí)際問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，使教學(xué)各環(huán)節(jié)更加完善，真正提高教學(xué)質(zhì)量。

[1]杜章永,宋清華.電磁場(chǎng)與電磁波課程教學(xué)改革的探索與實(shí)踐[J].科技信息，2011，21:455

[2]謝處方,饒克謹(jǐn).電磁場(chǎng)與電磁波[M].高等教育出版社,2006.

[3]劉蕾蕾,“電磁場(chǎng)與電磁波”課程的教學(xué)研究[J].科技信息,2011,31:56

[4]許碧惠.“電磁場(chǎng)與電磁波”課程的教學(xué)思考[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào),2009,31(3) :108-109

[5]姚文俊,程衍富,戴同慶,黃文濤,曹振洲.電磁系列課程教學(xué)改革的研究與實(shí)踐[J].中國(guó)電力教育,2011,8:159-160

[6]左韜,電磁場(chǎng)與電磁波教學(xué)方法研究[J].科技信息,2010,10:140

[7]林相波,劉軍民,“電磁場(chǎng)與電磁波”課程教學(xué)中的幾點(diǎn)思考[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2009,31(2):95-96

[8]饒黃云,“電磁場(chǎng)與電磁波”課程的教學(xué)研究[J].東華理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，29(1):71-73

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毛雷鳴（1981-），男，碩士研究生，助理實(shí)驗(yàn)師，主要從事納米薄膜的研究。