李海 于文莉 王平建 魏書(shū)田

摘 要 “工程電磁場(chǎng)理論”是高校電子信息類專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課程，重點(diǎn)闡述宏觀電磁場(chǎng)和電磁波的基本概念規(guī)律、基本性質(zhì)等理論及在工程中的應(yīng)用。結(jié)合該課程特點(diǎn)以及教學(xué)中存在的實(shí)際問(wèn)題，我們探索出一套行之有效的課堂教學(xué)模式。在實(shí)際的教學(xué)中起到了較好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞 工程電磁場(chǎng) 教學(xué)方法 教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G424 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A?? DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2015.09.063

Research and Practice on the Theory of Engineering Electromagnetics

LI Hai[1]， YU Wenli[2]， WANG Pingjian[1]， WEI Shutian[1]

（[1] College of Information and Electronic Engineering，

Shandong Institute of Business & Technology， Yantai， Shandong 264005;

[2]College of Computer Science and Technology，

Shandong Institute of Business & Technology， Yantai， Shandong 264005）

Abstract "Theory of Engineering Electromagnetics" is a major basic course for electronic information specialty in high school， which mainly introduces the basic concepts， rules and the properties of electromagnetic field on the engineering applications. Combed with the features of discipline and the problems existing in the teaching practice we find an effective classroom teaching pattern which could improve the teaching quality highly.

Key words Engineering Electromagnetics; teaching methods; teaching reform

0 引言

關(guān)于電磁現(xiàn)象及其電磁理論的研究最早可以追溯至18世紀(jì)。隨著麥克斯韋電磁理論的建立以及現(xiàn)代科技的發(fā)展，電磁場(chǎng)理論已越來(lái)越廣泛地滲透到了通信、醫(yī)療、科學(xué)研究等人類生活的各個(gè)方面。因此，“工程電磁場(chǎng)理論”被物理、通信、控制、光電、遙感等眾多理工類專業(yè)列為專業(yè)基礎(chǔ)課而開(kāi)設(shè)。

“工程電磁場(chǎng)理論”課程主要涵蓋宏觀電磁場(chǎng)的基本性質(zhì)和變化規(guī)律、電磁場(chǎng)與物質(zhì)間的相互作用以及場(chǎng)的基本分析方法。通過(guò)對(duì)本課程的學(xué)習(xí)，希望使學(xué)生掌握電磁理論基本概念與規(guī)律，為后續(xù)課程如電磁兼容，天線理論等學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ);同時(shí)，培養(yǎng)學(xué)生利用場(chǎng)的思維方式去分析和解決一些實(shí)際工程問(wèn)題的能力。然而，在我們的實(shí)際教學(xué)過(guò)程中卻碰到了各種問(wèn)題，影響著教學(xué)質(zhì)量的提高。如何能有效地提高工程電磁場(chǎng)理論課程的教學(xué)質(zhì)量一直是許多高校教師關(guān)注的課題。經(jīng)過(guò)多年的教學(xué)探索實(shí)踐，我們找到了一些有益的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)與方法對(duì)提高教學(xué)質(zhì)量非常有效。

1 工程電磁場(chǎng)理論課堂教學(xué)問(wèn)題分析

在工程電磁場(chǎng)的實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)對(duì)課程教學(xué)形成壓力和問(wèn)題的因素大體可歸納為以下幾個(gè)方面：（1）當(dāng)前課程改革引起教學(xué)課時(shí)大幅減少的壓力。根據(jù)我校課程改革計(jì)劃工程電磁場(chǎng)理論課程教學(xué)課時(shí)設(shè)置為32學(xué)時(shí)。如何在這么少的課時(shí)內(nèi)完成本課程的教學(xué)任務(wù)并使學(xué)生有效地掌握各知識(shí)點(diǎn)，這一直是許多教師面臨的問(wèn)題;（2）本課程教學(xué)內(nèi)容的特點(diǎn)給學(xué)生順利學(xué)習(xí)帶來(lái)的壓力和問(wèn)題。與大學(xué)物理和電路等課程相比，本課程具有涉及數(shù)學(xué)知識(shí)較多，理論推導(dǎo)復(fù)雜以及物理概念更抽象等特點(diǎn)。①②③因此，在學(xué)習(xí)的過(guò)程中許多學(xué)生有種畏懼的心理，特別是對(duì)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)掌握的不扎實(shí)的學(xué)生會(huì)感到本課程越學(xué)越難并很容易中途產(chǎn)生放棄繼續(xù)學(xué)習(xí)的想法;（3）學(xué)生對(duì)本課程重要性認(rèn)識(shí)不足以及在學(xué)習(xí)過(guò)程中積極性的缺乏。一些學(xué)生經(jīng)常片面地認(rèn)為課時(shí)少的課程一般不重要，往往表現(xiàn)出思想渙散、課堂上注意力不集中以及不認(rèn)真完成課后作業(yè)等問(wèn)題;（4）傳統(tǒng)單一的教學(xué)模式和教學(xué)方法未能有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。經(jīng)過(guò)多年的不斷探索實(shí)踐，我們發(fā)現(xiàn)在工程電磁場(chǎng)教學(xué)的過(guò)程中沿用傳統(tǒng)的教學(xué)方式如僅僅采用粉筆加黑板或多媒體課件教學(xué)方式，往往給學(xué)生學(xué)習(xí)帶來(lái)不同的困難。前者容易使學(xué)生陷入繁雜數(shù)學(xué)的推導(dǎo)中從而忽略對(duì)物理圖像以及實(shí)際應(yīng)用的直觀認(rèn)識(shí);后者則由于教學(xué)速度快，信息量大以及教學(xué)內(nèi)容多等特點(diǎn)，使得許多學(xué)生在課堂上的思路跟不上教師從而嚴(yán)重影響課堂教學(xué)效果。此外，采用多媒體授課由于包含更多的授課內(nèi)容和信息量，若處理不當(dāng)很容易給學(xué)生消化所學(xué)內(nèi)容帶來(lái)困難。以上這些是我們?cè)趯?shí)際課堂教學(xué)過(guò)程中經(jīng)常碰到的問(wèn)題。

2 課堂教學(xué)方法探索與改革

基于以上課堂教學(xué)中存在的各種困難與問(wèn)題，我們重點(diǎn)圍繞學(xué)生、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)手段和模式等幾個(gè)個(gè)角度進(jìn)行了探索與改革。

（1）調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，充分重視第一次課堂教學(xué)。基于電磁場(chǎng)理論這門課程的最突出的特點(diǎn)：數(shù)學(xué)與物理高度結(jié)合、物理概念較為抽象且物理圖像不易建立等，我們應(yīng)充分備好第一次課，包括查閱電磁場(chǎng)研究進(jìn)展文獻(xiàn)、收集電磁場(chǎng)在工程以及生活中各方面的應(yīng)用實(shí)例和視頻材料等并精心組織材料、撰寫(xiě)講稿和制作多媒體課件。通過(guò)對(duì)電磁場(chǎng)理論發(fā)展歷史和趣事講解、電磁場(chǎng)在工程和科技應(yīng)用中的視頻動(dòng)畫(huà)演示（如靜電噴涂、避雷針的實(shí)際安裝、高壓作業(yè)、磁懸浮技術(shù)應(yīng)用以及電磁彈射與微波武器等）、課堂交流互動(dòng)等多種有趣的形式將電磁場(chǎng)理論在我們?nèi)粘Ｉ钜约翱茖W(xué)研究中的重要性最大程度地展現(xiàn)給學(xué)生，讓學(xué)生感受到電磁場(chǎng)的有趣性和重要性并初步形成對(duì)電磁場(chǎng)整體的感性認(rèn)識(shí)。通過(guò)第一次課堂教學(xué)，我們要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)不僅僅是讓學(xué)生簡(jiǎn)單理解電磁理論發(fā)展歷史，更重要的是充分激發(fā)學(xué)生對(duì)電磁場(chǎng)的興趣，為學(xué)生在后續(xù)知識(shí)學(xué)習(xí)中提供足夠的動(dòng)力。正如人們常說(shuō)的“一日之際在于晨，一年之際在于春”，那么要使學(xué)生保持一種持續(xù)良好的學(xué)習(xí)勢(shì)頭，第一次課堂教學(xué)則顯得更加重要。

（2）合理選擇教材、有效組織教學(xué)內(nèi)容。面對(duì)教學(xué)改革帶來(lái)的較短授課時(shí)數(shù)的壓力，如何協(xié)調(diào)授課內(nèi)容和課時(shí)量之間矛盾是我們必須考慮的問(wèn)題。首先，在教材選取方面要結(jié)合所教授專業(yè)和授課學(xué)時(shí)數(shù)量對(duì)教材進(jìn)行合理選擇。教材選擇要重點(diǎn)考慮幾個(gè)方面：（1）教材重點(diǎn)教學(xué)內(nèi)容設(shè)置是否與所教專業(yè)更吻合;（2）教材結(jié)構(gòu)安排和知識(shí)點(diǎn)闡述等是否清晰簡(jiǎn)潔便于學(xué)生自學(xué);（3）教材中重點(diǎn)內(nèi)容設(shè)置是否完整且合適相應(yīng)學(xué)時(shí)的授課等。其次，在教學(xué)過(guò)程中，我們一般選擇一些比較經(jīng)典的電磁場(chǎng)理論方面的教材如《電磁場(chǎng)與電磁波》（謝處方、饒克謹(jǐn)著），④《工程電磁場(chǎng)原理》（倪光正著），⑤《工程電磁場(chǎng)（英文版）》（Hayt，W.H，Buck，J.A）⑥和《Elements of Engineering Electromagnetics》（Rao， N. N， 6th Ed）⑦等作為參考，對(duì)課堂教學(xué)中的部分知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行擴(kuò)充，促進(jìn)學(xué)生對(duì)某些概念、規(guī)律更加深入的認(rèn)識(shí);同時(shí)，我們也通過(guò)網(wǎng)絡(luò)搜索和查閱一些相關(guān)電子期刊文獻(xiàn)了解電磁場(chǎng)在工程應(yīng)用中的最新進(jìn)展，并將其在相應(yīng)的理論學(xué)習(xí)中引入介紹，不僅有助于學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的深入認(rèn)識(shí)、開(kāi)闊他們的視野而且也有助于理論與實(shí)踐結(jié)合提高他們學(xué)習(xí)的興趣。最后，結(jié)合教材和參考資料認(rèn)真撰寫(xiě)講義，列出每節(jié)課的教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)并根據(jù)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)相應(yīng)的教學(xué)方法。此外，為便于學(xué)生學(xué)習(xí)和理解，有時(shí)需要根據(jù)自己對(duì)教學(xué)內(nèi)容的理解適當(dāng)調(diào)整和重新組合各知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)次序。如在介紹麥克斯韋微分方程組時(shí)多數(shù)教材都將四個(gè)方程分別作為獨(dú)立的內(nèi)容引出，這樣顯得有些零散;我們發(fā)現(xiàn)：如果在講授完通量和環(huán)量積分以及散度和旋度定理之后就可以在引導(dǎo)的基礎(chǔ)上讓學(xué)生從兩個(gè)積分公式（通量積分和環(huán)量積分）出發(fā)自己來(lái)導(dǎo)出麥克斯韋方程組，然后再對(duì)各方程暗含的電磁特性進(jìn)行分析說(shuō)明則效果更好。這不僅讓學(xué)生體驗(yàn)了麥克斯韋方程組如何得來(lái)而且也使重點(diǎn)內(nèi)容更加突出利于學(xué)生對(duì)麥克斯韋方程組的深刻理解。

（3）結(jié)合教學(xué)內(nèi)容教學(xué)方法多樣化。在教學(xué)的過(guò)程中，如果我們一味地采用傳統(tǒng)的板書(shū)教學(xué)或過(guò)分依賴多媒體全部?jī)?nèi)容都采用PPT進(jìn)行講授則很容易讓學(xué)生感到枯燥并產(chǎn)生畏難情緒。因此，為調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，充分發(fā)揮課堂教學(xué)的效率，我們需根據(jù)各部分教學(xué)內(nèi)容的特點(diǎn)設(shè)計(jì)相應(yīng)的教學(xué)方法，如在講授電磁場(chǎng)的“場(chǎng)”和“源”的關(guān)系、靜電場(chǎng)和恒定磁場(chǎng)的特性時(shí)，我們可以運(yùn)用“比擬法”和“類比法”進(jìn)行講解;關(guān)于電磁波傳播特性的講授中，可以充分利用視頻演示與理論推導(dǎo)結(jié)合的方法進(jìn)行：在首先提出問(wèn)題（電磁波在不同介質(zhì)中有何特性？）的基礎(chǔ)上，進(jìn)行電磁波在不同媒質(zhì)中傳播的視頻演示（如高頻淬火、微波爐加熱和海水中通信等），最后進(jìn)行傳播特性的理論推導(dǎo)說(shuō)明;在講授利用鏡像法和分離變量法求解工程問(wèn)題中，除通過(guò)板書(shū)推導(dǎo)展示問(wèn)題的處理方法外，最好利用 Matlab 或 Mathematic 軟件進(jìn)行問(wèn)題仿真以展示和分析場(chǎng)的分布特征等;此外，基于問(wèn)題的啟發(fā)式教學(xué)也是我們常用的一種教學(xué)方法，此方法針對(duì)某具體問(wèn)題的拓展模型教學(xué)中特別適用，如點(diǎn)電荷或線電荷分布對(duì)不同特征的金屬導(dǎo)體球與面的鏡像以及點(diǎn)位、電場(chǎng)分布特征的討論等。在教學(xué)方法的設(shè)計(jì)上，沒(méi)有固定形式但要遵循幾點(diǎn)原則：（1）講授的知識(shí)要點(diǎn)突出，比擬、類比運(yùn)用恰當(dāng);（2）對(duì)于需要進(jìn)行理論推導(dǎo)的部分盡力簡(jiǎn)潔并重點(diǎn)注重對(duì)所推導(dǎo)數(shù)學(xué)表達(dá)式反映的物理含義以及表達(dá)式適用范圍和條件的闡述與說(shuō)明;（3）在教師引導(dǎo)下能有效調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，使課堂能體現(xiàn)“學(xué)生為主體”的指導(dǎo)思想。

3 結(jié)束語(yǔ)

工程電磁場(chǎng)理論在電子信息類專業(yè)中占據(jù)著非常重要的地位，如何能夠有效地提高工程電磁場(chǎng)理論的教學(xué)質(zhì)量——為相關(guān)專業(yè)學(xué)生打好理論基礎(chǔ)并提高他們分析、解決實(shí)際問(wèn)題的能力，這一直是許多高校教師不斷探索實(shí)踐的一個(gè)問(wèn)題。本文通過(guò)對(duì)電磁場(chǎng)理論課堂教學(xué)實(shí)踐的歸納與總結(jié)，希望能為提高高校工程電磁場(chǎng)理論課堂教學(xué)提供有益的參考。

基金項(xiàng)目：山東省自然基金項(xiàng)目（編號(hào)：ZR2013AQ013，ZR2013AL014）;山東工商學(xué)院博士啟動(dòng)項(xiàng)目（編號(hào)：BS201418）

注釋

① 田雨波，張貞凱.“電磁場(chǎng)理論”教學(xué)改革初探[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2008.30（1）：11-13.

② 張華美，徐立勤.“電磁場(chǎng)理論”課程教學(xué)的幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)[J].科技信息，2010（14）：3.

③ 彭麟，姜興.中美高校電磁場(chǎng)教學(xué)比較研究[J].中國(guó)電力教育，2014（17）：73-74.

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

⑤ 倪光正.工程電磁場(chǎng)原理（第2版）[M].北京：高等教育出版社，2009.

⑥ Hayt，W.H，Buck，J.A.工程電磁場(chǎng)（英文版）（第7版）[M].北京：清華大學(xué)出版社，2009.

⑦ Rao， N. N. Elements of Engineering Electromagnetics[M].6th Ed. Pearson Prentice Hall;Upper Saddle River，NJ，2004.