曹 雪

(河南大學物理與電子學院 河南 開封 475004)

(收稿日期：2016-04-20)

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通信專業(yè)《電磁場與電磁波》教學研究

曹 雪*

(河南大學物理與電子學院 河南 開封 475004)

(收稿日期：2016-04-20)

《電磁場與電磁波》是通信工程專業(yè)學生必修的一門主干課程，也是多門后續(xù)專業(yè)課的基礎，如何使學生具有扎實的電磁場與電磁波理論基礎具有重要的意義.該課程概念抽象，公式繁雜，涉及很多的物理知識與數(shù)學分析方法，是通信系學生公認的難度最大的課程之一，學生學起來往往缺乏積極性和主動性.根據(jù)實際教學經(jīng)驗分析了該課程難學、難教的原因，對其課程設置、教學內(nèi)容、教學方法與手段等方面進行了一系列的探討與研究.實踐證明，通過改革提高了該門課程的教學質(zhì)量和學生的學習興趣，使學生同時具有較強的理論功底和創(chuàng)新能力.

電磁場與電磁波 課程設置 教學方法

1 引言

隨著近年來電子與信息產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，我國對電子信息類人才的需求正在不斷的增加，如何培養(yǎng)出具有扎實的理論功底和創(chuàng)新能力的通信電子類人才一直是各大學該類專業(yè)十分重視的問題.一方面，為了使學生的眼界和思想與世界科技發(fā)展同步，很多高校的電子信息類專業(yè)都開設了一些前沿學科；另一方面，各高校非常重視專業(yè)基礎學科的發(fā)展，使學生能夠具有正確的思維方式以及很強的分析能力.《電磁場與電磁波》是一門重要的專業(yè)基礎課程，同時也是通信、電子以及信息工程等專業(yè)必修的傳統(tǒng)課程，更是很多后續(xù)專業(yè)課的基礎.如何使學生具有扎實的電磁場、電磁波理論基礎是研究該門課程教學內(nèi)容與方法的目的與意義.

2 《電磁場與電磁波》課程特點

2.1 課程內(nèi)容

《電磁場與電磁波》不僅是微波技術、天線、電波傳播等專業(yè)課程的基本理論，還作為學科交叉點衍生出許多學科，如通信類學科的光纖通信、移動通信、衛(wèi)星通信以及電視、雷達等各種專門學科，都是以電磁波攜帶信息的方式來實現(xiàn)信號傳輸[1,2].該門課程主要研究的是電磁場與電磁波的基本屬性、規(guī)律及其應用等.其中，電磁場部分主要研究的是電磁場的場與源的關系和電磁波在空間傳播的基本規(guī)律；電磁波部分主要研究的是電磁波的產(chǎn)生、輻射、傳播、電磁兼容及電磁理論的應用[3].

課程的內(nèi)容大致為：矢量分析、靜電場、恒定電流的電場與磁場、靜態(tài)場的解、時變電磁場、平面電磁波、電磁波的反射和折射、導行電磁波、電磁輻射等內(nèi)容.不同專業(yè)對該門課程內(nèi)容的要求是不同的，例如電子信息工程注重的是電磁兼容與電磁干擾，而通信工程的重點是電磁波的傳播[4]，所以應該針對不同專業(yè)對課程內(nèi)容進行相應調(diào)整.

2.2 教學現(xiàn)狀

通過和學生交流了解到，《電磁場與電磁波》是學生認為最難學的一門課程，也是不及格率較高的課程.大致原因如下：

(1)該門課程對學生的數(shù)學基礎要求較高，數(shù)學公式繁多，理論推導過程復雜，要求學生對各種數(shù)學知識運用靈活.

(2)要求學生具有扎實的物理基礎和深刻的物理思想.該課程的概念多而抽象，且電磁場和電磁波既看不見又摸不著，學生學起來感覺很困難.

(3)課時量不足.很多高校越來越重視應用學科和專業(yè)課的設置，而對像《電磁場與電磁波》等基礎學科的重視不足，有的學校甚至直接減少該門課程的學時，但是該門課程的內(nèi)容較多，且習題課也需要占用一定的課時，增加了教師教學的難度.

(4)理論性強，缺少相關實驗課的設置，學生學起來目的性不強、興趣不高，與實際應用聯(lián)系不緊密.

由于以上種種原因，學生學起來興趣不高，有時只是應付地來學習這門課，逃課現(xiàn)象也時而發(fā)生，教學效果自然不佳，所以針對不同專業(yè)對該門課程的教學內(nèi)容、教學方法及形式等進行改革就顯得非常必要.

3 教學內(nèi)容與方法的改革

3.1 課程設置與教學內(nèi)容的改革

《電磁場與電磁波》課程與內(nèi)容的設置應該根據(jù)不同專業(yè)的學生進行調(diào)整.對于通信系的學生來說，除了要學好靜態(tài)電磁場與時變電磁場這部分基礎內(nèi)容外，電磁波的傳播也非常重要，因為它是通信系學生一些后續(xù)專業(yè)課的基礎，比如《微波技術與天線》、《無線通信》、《光纖通信》與《移動通信》等，所以該門課程對于通信系的學生來說最好設置為72學時.將通信系學生《電磁場與電磁波》課程的內(nèi)容大致分為3個部分.

3.1.1 數(shù)學基礎

《電磁場與電磁波》課程內(nèi)容要求學生具有良好的數(shù)學基礎，比如矢量分析、微積分、數(shù)理方程等.課程的第一部分內(nèi)容即為矢量分析理論，充分體現(xiàn)了數(shù)學基礎的重要性.雖然學生在《高等數(shù)學》課程中學過一些有關的概念，比如散度、旋度、梯度等，但是根據(jù)實際教學經(jīng)驗，很多學生感到這部分涉及的數(shù)學知識很難或是學得不扎實，所以要加強這方面的學習.由于學生已經(jīng)在《大學物理》課程中對電磁場有了基本的了解，可以將場的矢量分析和電磁場的內(nèi)容適當結合，使得矢量分析部分的教學不再空洞，不僅幫助學生學習矢量分析的基礎內(nèi)容，還要重點講述這些場量在電磁場中的物理意義，為后續(xù)部分的教學打下良好的基礎，因此該部分教學內(nèi)容可以適當增加2學時.

3.1.2 電磁場部分

電磁場內(nèi)容分為靜態(tài)電磁場與時變電磁場兩部分.一般講述順序為：靜電場、恒定磁場與電場、靜態(tài)場邊值問題.該部分內(nèi)容以麥克斯韋方程組為核心，然后討論以其得出的電磁場的基本規(guī)律.它是該門課程的重要內(nèi)容，也是各專業(yè)學生必修的內(nèi)容，所需學時最多.考慮到學生在《大學物理》課程的電磁學部分已經(jīng)學習了電磁場的基本知識，而且針對通信系的學生，應該強化“電磁波”的內(nèi)容，所以可以適當壓縮靜態(tài)場部分，擴充動態(tài)場即電磁波部分內(nèi)容.可以減少4～6學時的靜態(tài)場內(nèi)容，適當增加時變電磁場內(nèi)容的授課學時.

3.1.3 電磁波傳播

該部分內(nèi)容以時變場的麥克斯韋方程組為基礎，深入討論均勻平面波在均勻無界媒質(zhì)中的傳播、在分界面的反射和折射以及在有界空間中的傳播規(guī)律[4].對于通信工程專業(yè)的學生來說，該部分是重點，應適當增加相應內(nèi)容.在“平面電磁波”、“電磁波的反射和折射”的基礎上再增加“導行電磁波”這一章的內(nèi)容，并根據(jù)不同后續(xù)專業(yè)課適當增加以下內(nèi)容：針對《光纖通信》這門課程，增加光波導部分的內(nèi)容；對于《移動通信技術》，增加電磁波的輻射；考慮到后續(xù)專業(yè)課《微波技術與天線》，可以對傳輸線這部分內(nèi)容做簡單的介紹而不詳細的講解，重點是使學生對TEM波的傳輸系統(tǒng)有個初步的了解和認識，使學生在以后這門課的學習中事半功倍.

除了以上的內(nèi)容調(diào)整，還應當增加前言技術講解課，例如對于《光纖通信》、《移動通信》等現(xiàn)代通信技術，可以給學生介紹一些先進技術及其通信方式的優(yōu)點；對于天線、輻射和無線通信系統(tǒng)的內(nèi)容，則可以介紹雷達、衛(wèi)星全球定位系統(tǒng)等技術.這樣不僅使通信系的學生加強了對于本部分內(nèi)容的理解，還可以增加他們的學習興趣，為后續(xù)專業(yè)課的學習打下基礎.

3.2 教學方法的改革

《電磁場與電磁波》是學生公認最難學的課程之一，每年考試掛科率均高于其他專業(yè)課，怎樣使該門課程取得良好的教學效果，增加學生的學習興趣和提高教學質(zhì)量就顯得尤為重要.

3.2.1 上好第一節(jié)緒論課

教師可以在第一節(jié)課結合電磁場與電磁波的應用介紹電磁場與電磁波的發(fā)展歷史、在通信系中的地位和作用，告訴學生該門課程是哪些后續(xù)專業(yè)課的基礎，這樣可以使學生了解該門課的重要性，端正學習態(tài)度，激發(fā)學習熱情.但是很多《電磁場與電磁波》的教材都沒有緒論課，這需要教師查閱大量的資料，不斷地掌握新技術，從而為學生提供最新的緒論課素材.緒論課上除了教師的講解外，還可以插入一些視頻，介紹該門課程的應用范圍，比如衛(wèi)星通信、雷達探測、光纖通信、移動通信、航空航天技術、探月工程等.

3.2.2 注重學生物理思想的培養(yǎng)

《電磁場與電磁波》涉及的數(shù)學公式繁多、推導繁瑣，學生聽起來乏味，感覺該門課程完全是數(shù)學推導，和物理或者通信聯(lián)系不大.教師在授課過程中不能簡單地介紹和推導公式，更應該著重考慮如何將物理與數(shù)學有機結合起來，讓學生從數(shù)學公式及其推導過程中體會物理思想，使學生理解數(shù)學公式所表達的物理思想和意義，了解物理現(xiàn)象及其本質(zhì).以該門課程的精髓和主線——麥克斯韋方程組的微分形式為例進行說明：

(1)

(2)

(3)

(4)

上述的公式不僅僅是4個數(shù)學公式，它們體現(xiàn)的是相互轉(zhuǎn)化的關系.一般的教材中都有關于這4個公式的解釋，式(1)反映了全電流安培環(huán)路定理，物理意義是：電流和變化的電場是磁場的旋度源，可以產(chǎn)生磁場；式(2)反映了法拉第電磁感應定律，說明變化的磁場可以產(chǎn)生電場，是電場的旋度源；式(3)為高斯定理，表達了電荷是電場的散度源；式(4)體現(xiàn)了磁通連續(xù)原理，說明磁場是無散場，即磁力線為“無頭無尾”的閉合曲線.麥克斯韋方程組中，等號右邊為產(chǎn)生等號左邊對應場(電場或者磁場)的源，而等號左邊的算符與場的計算方式[旋度公式(1)、(2)或散度公式(3)、(4)]體現(xiàn)了源產(chǎn)生對應場的不同方式；磁場只有旋度源而電場既有旋度源也有散度源，旋度源產(chǎn)生場的矢量線一般為閉合曲線，散度源產(chǎn)生場的矢量線一般發(fā)自正的散度源止于負的散度源,例如，式(3)表示由電荷產(chǎn)生的庫侖場的電力線發(fā)自正電荷而止于負電荷.由式(1)和(2)可知(真空中傳導電流密度為零)：變化的電場可以產(chǎn)生磁場，而變化的磁場可以產(chǎn)生電場(以旋度源的方式產(chǎn)生對應的場)，等號不僅僅是數(shù)學上的相等，更是物理中的“轉(zhuǎn)化”.除此之外，教師還應該強調(diào)式(2)中等號右側負號的作用，其體現(xiàn)了電磁轉(zhuǎn)化過程中能量的轉(zhuǎn)化與守恒.通過對麥克斯韋方程組講解，使學生知道麥克斯韋方程組不是簡簡單單的4個數(shù)學公式，更要使學生掌握其蘊含的豐富物理內(nèi)涵.

3.2.3 教學方式的改革

針對該門課程“教師難講、學生難學”的情況，教師應該在教學方式上多下功夫，并充分調(diào)動學生的學習積極性，才能取得良好的教學效果，建議在教學過程中采取如下措施：

(1)采用多種授課方式

現(xiàn)在很多高校對于《電磁場與電磁波》這門課的授課方式還是比較傳統(tǒng)的，即教師利用黑板板書講授、學生聽的“滿堂灌”方式.由于該門課程理論性強，公式推導繁多而復雜，學生學起來往往感覺很疲倦，幾節(jié)課下來便會覺得枯燥從而產(chǎn)生厭倦情緒.也有很多高校采用多媒體的授課方式教授該課，但效果也不盡人意.多媒體課件具有連續(xù)展示、包含信息量大的特點，學生往往跟不上課程進度，即使教師對公式的推導過程進行詳細講解，也會由于學生缺少思考過程而難以達到良好的教學效果.

較好的授課方式不應該是以上單純的哪一種方式，而是將兩種方式有效地結合起來，通過“取長補短”地將課程內(nèi)容合理地展示給學生，使學生容易接受并加深理解.通過多媒體演示功能，可以將抽象的內(nèi)容以動畫的形式直觀地展示出來，使學生帶有興趣地去學習抽象的概念，更有助于學生理解.多媒體課件減輕了教師的授課強度，節(jié)省了課堂上板書的時間，對于緒論課、研討課、相關應用和實踐例子的展示起到了良好的輔助作用.對于重要的公式和定理以及較難理解的數(shù)學推導，應采用黑板板書的形式，這樣有利于學生共同參與和加深理解.

在授課過程中，教師還應靈活地將幾十分鐘的課堂教學設計得生動而有趣，讓學生積極地參與到課堂的教學中.比如可以適當增加研討環(huán)節(jié)，鼓勵學生在課堂上大膽提問和相互交流，并且注意加強和學生的互動，提出問題并引導學生回答問題等.當學生在不斷地參與到教學過程中的時候，就會使他們逐漸意識到自己在這門課上的重要性，而不僅僅是被動地聽課.

通常大部分高校僅把該課程作為理論課講授，很少開設實驗課.實驗課可以加深學生對理論的理解，并能培養(yǎng)他們學習該門課程的興趣，所以在上好理論課的同時，應適當增加實驗教學內(nèi)容.如果很難建立相應的實驗室，可以嘗試利用一些軟件為學生開設實驗和創(chuàng)新課，設計和仿真軟件如Matlab，Ansoft HFSS，Ansoft Ensemble等.

(2) 考核方式的改革

國內(nèi)大部分高校對于《電磁場與電磁波》課程考核方式都是期末采用閉卷形式進行考核，這種形式單一的考核方式缺乏對學生平時學習的監(jiān)控.建議考核的內(nèi)容包括：作業(yè)、課堂表現(xiàn)(課堂回答問題和討論課上的表現(xiàn))、小論文及實驗報告.以上考核內(nèi)容加上最后期末考試按照一定的比例綜合起來作為學生的最終成績，避免了“一卷定結果”的現(xiàn)象，也能更注重學生平時努力學習的過程.

(3) 課程網(wǎng)站建設

為了更有效地幫助學生課后學習與復習，培養(yǎng)學生的自學能力，可以建立該門課程的網(wǎng)站.將該門課程的相關參考書目、文獻、習題庫與試題庫、《電磁場與電磁波》課程的拓展資料及相關最新理論和技術等內(nèi)容上傳到網(wǎng)站上，還可以利用網(wǎng)絡多媒體教學系統(tǒng)，使教師與學生能夠在網(wǎng)上很好地交流，并進行網(wǎng)上答疑.

4 結束語

本文分析了通信專業(yè)《電磁場與電磁波》課程“教師難教、學生難學”的原因，對課程設置、教學內(nèi)容、教學方法等方面進行了一系列的改革和研究，使該課程的教學質(zhì)量得到了提高，學生不僅很好地掌握了電磁場與電磁波的基礎理論，還激發(fā)了他們的學習興趣，提高了獨立學習和創(chuàng)新的能力，為培養(yǎng)優(yōu)秀的通信人才打下了堅實的基礎.

1 焦其祥.電磁場與電磁波. 北京：科學出版社，2010.1

2 張起晶，孫桂芝，邊莉.電磁場與電磁波課程教學改革研究.黑龍江教育，2011(10):47～48

3 黃成玉，劉德國.《電磁場與電磁波》課程教學的改革與創(chuàng)新.創(chuàng)新與創(chuàng)業(yè)教育，2012，3(2):90～92

4 姚華楨，李小敏.電磁場與電磁波課程的教學研究.中國現(xiàn)代教育裝備，2007(7): 50～51

曹雪(1981- )，女，碩士，講師，主要從事光纖通信與光纖傳感科研與教學的研究.