徐國(guó)雄

摘 要 電磁場(chǎng)理論是信息類(lèi)本科專(zhuān)業(yè)的一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程。本文結(jié)合電磁場(chǎng)理論課程的教學(xué)現(xiàn)狀，分析了該課程的教學(xué)難點(diǎn)，并從學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣培養(yǎng)、習(xí)題課教學(xué)、課后答疑輔導(dǎo)等三個(gè)方面，對(duì)如何解決電磁場(chǎng)理論課程的教學(xué)難點(diǎn)提出了一些思路與建議。

關(guān)鍵詞 電磁場(chǎng)理論 教學(xué)現(xiàn)狀 矢量分析

中圖分類(lèi)號(hào)：G424? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2019.10.050

Abstract Electromagnetic field theory is an important basic course for undergraduate majors in information science. Based on the current teaching situation of electromagnetic field theory course， this paper analyzes the teaching difficulties of this course， and from three aspects， such as students interest training， exercise course teaching， and after-school question and answer counseling， some ideas and suggestions on how to solve the teaching difficulties of electromagnetic field theory course are put forward.

Keywords electromagnetic field theory; teaching situation; vector analysis

0 引言

電磁場(chǎng)理論以大學(xué)物理、復(fù)變函數(shù)、高等數(shù)學(xué)等為基礎(chǔ)，以麥克斯韋方程組為核心，是一門(mén)理論性很強(qiáng)的課程，它是電類(lèi)各專(zhuān)業(yè)本科大學(xué)生必修的重要專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課之一。[1-2]

對(duì)于電子信息、通信工程等信息類(lèi)本科專(zhuān)業(yè)來(lái)說(shuō)，電磁場(chǎng)理論課程顯得尤為重要。[3]該專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)的很多重要課程都與電磁場(chǎng)理論息息相關(guān)。比如，“微波技術(shù)與天線(xiàn)”、“電磁干擾與電磁兼容”、“移動(dòng)通信”、“衛(wèi)星通信”等傳統(tǒng)專(zhuān)業(yè)課程，以及前沿課程“未來(lái)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)”、“大規(guī)模MIMO技術(shù)”等等，都是以電磁場(chǎng)理論為基礎(chǔ)的。[4]因此，學(xué)好電磁場(chǎng)理論課程，是信息類(lèi)本科學(xué)生學(xué)好其他專(zhuān)業(yè)課程的前提。講好電磁場(chǎng)理論課程，是對(duì)教師對(duì)該課程教學(xué)的基本要求。

1 電磁場(chǎng)理論課程的教學(xué)現(xiàn)狀與難點(diǎn)分析

1.1 教學(xué)現(xiàn)狀

電磁場(chǎng)理論以矢量分析、微積分等高等數(shù)學(xué)知識(shí)以及大學(xué)物理為基礎(chǔ)，以庫(kù)侖定律、安培定律、法拉第電磁感應(yīng)定律等三大實(shí)驗(yàn)定律為出發(fā)點(diǎn)，建立起麥克斯韋方程組，揭示出電磁場(chǎng)的場(chǎng)源關(guān)系和電磁波的傳播特性等。[5]內(nèi)容廣泛、概念抽象、理論性強(qiáng)、分析方法復(fù)雜是電磁場(chǎng)理論課程的主要特點(diǎn)。

電磁場(chǎng)理論課程是一門(mén)教師難教、學(xué)生難學(xué)，理論性很強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程。[6][7]從教師的教學(xué)情況來(lái)看，電磁場(chǎng)理論課程教學(xué)課時(shí)偏少，難點(diǎn)內(nèi)容多，數(shù)學(xué)推導(dǎo)過(guò)程復(fù)雜且繁瑣，因此，教師在有限的時(shí)間內(nèi)完成教學(xué)內(nèi)容普遍感到比較困難，對(duì)教學(xué)難點(diǎn)比較難以把握，教學(xué)效果往往不盡如人意。從學(xué)生的學(xué)習(xí)情況來(lái)看，學(xué)生對(duì)電磁場(chǎng)理論所用到的矢量分析等高等數(shù)學(xué)知識(shí)比較陌生，對(duì)學(xué)好電磁場(chǎng)理論課程信心不足，缺乏學(xué)習(xí)的動(dòng)力和興趣，積極性不高。許多學(xué)生課堂上聽(tīng)不懂老師的講課，也看不懂課本內(nèi)容，對(duì)老師布置的課后作業(yè)，采取敷衍態(tài)度，作業(yè)抄襲現(xiàn)象嚴(yán)重，考試壓力大，擔(dān)心考試不通過(guò)會(huì)影響自己的學(xué)業(yè)等等。電磁場(chǎng)理論課程難教難學(xué)的教學(xué)現(xiàn)狀，使電磁場(chǎng)理論課程的課堂教學(xué)顯得比較沉悶，往往一堂教學(xué)課幾乎成了老師的獨(dú)角戲，缺乏良好的師生互動(dòng)氛圍。誠(chéng)然，造成這種狀況的原因有老師的一部分責(zé)任，比如教師備課不充分，教學(xué)方法單一，缺乏講課激情等。但筆者認(rèn)為，學(xué)習(xí)內(nèi)容難度大、理論性強(qiáng)、概念抽象、數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求高，是電磁場(chǎng)理論課程難教難學(xué)的重要原因。

1.2 電磁場(chǎng)理論課程的教學(xué)難點(diǎn)

（1）對(duì)矢量分析等高等數(shù)學(xué)知識(shí)要求高。按照目前通用的電磁場(chǎng)理論教材編排順序，電磁場(chǎng)理論課程的學(xué)習(xí)總是從矢量分析等數(shù)學(xué)知識(shí)開(kāi)始的，這表明矢量分析在電磁場(chǎng)理論課程中具有十分重要的作用，與電磁場(chǎng)理論具有密不可分的聯(lián)系。矢量分析是高等數(shù)學(xué)的重要內(nèi)容之一，是對(duì)場(chǎng)源關(guān)系進(jìn)行理論分析的重要工具。盡管矢量分析是電磁場(chǎng)理論課程的先修內(nèi)容之一，但在高等數(shù)學(xué)的學(xué)習(xí)中，學(xué)生對(duì)矢量分析這部分內(nèi)容的學(xué)習(xí)并沒(méi)有投入太大的精力，也沒(méi)有真正理解并掌握好這部分內(nèi)容，因此在學(xué)習(xí)電磁場(chǎng)理論課程時(shí)，一開(kāi)始就在心理上產(chǎn)生了畏懼情緒，學(xué)習(xí)熱情也因而降低了。盡管教師在電磁場(chǎng)理論課程教學(xué)時(shí)，對(duì)矢量分析等數(shù)學(xué)知識(shí)進(jìn)行了充分的復(fù)習(xí)和擴(kuò)展，但有限的教學(xué)課時(shí)安排不足以使學(xué)生充分理解矢量分析的內(nèi)容與應(yīng)用，教師出于教學(xué)整體安排考量，也不可能在課堂上花費(fèi)更多的時(shí)間來(lái)講授這部分內(nèi)容，否則，其他教學(xué)內(nèi)容就會(huì)受到影響。

（2）數(shù)學(xué)推導(dǎo)多，占用課堂的學(xué)時(shí)量大，影響教學(xué)進(jìn)度。電磁場(chǎng)理論課程的教學(xué)難點(diǎn)還表現(xiàn)在復(fù)雜繁瑣的數(shù)學(xué)推導(dǎo)上。推導(dǎo)過(guò)程實(shí)際上是利用數(shù)學(xué)等知識(shí)探究電磁場(chǎng)規(guī)律的過(guò)程。通過(guò)推導(dǎo)，學(xué)生不僅能夠得到科學(xué)思維的鍛煉，而且能夠更加明確由推導(dǎo)過(guò)程所得到的物理規(guī)律的實(shí)質(zhì)。因此，教師在課堂上不可忽視對(duì)推導(dǎo)過(guò)程的講解。

在電磁場(chǎng)理論課程中，很多公式和定律都是在三大實(shí)驗(yàn)定律的基礎(chǔ)上，利用矢量分析和微積分等數(shù)學(xué)知識(shí)，通過(guò)復(fù)雜繁瑣的推導(dǎo)來(lái)得到的。比如，靜電場(chǎng)的基本方程為，表明靜電場(chǎng)是有源無(wú)旋場(chǎng)。但這兩個(gè)基本方程是在庫(kù)侖定律的基礎(chǔ)上，利用矢量分析的散度、旋度以及微積分等數(shù)學(xué)知識(shí)，再經(jīng)過(guò)復(fù)雜的公式變換和推導(dǎo)過(guò)程而得出的。在整個(gè)推導(dǎo)過(guò)程中，教師需要講清每一步的推導(dǎo)與運(yùn)算，往往講完整個(gè)推導(dǎo)過(guò)程，需要30分鐘以上，占用了很多課時(shí)量。由于推導(dǎo)過(guò)程復(fù)雜繁瑣，用到的高等數(shù)學(xué)知識(shí)多，許多學(xué)生在課堂上稍一走神，就跟不上老師講課的節(jié)奏，聽(tīng)不懂老師講的內(nèi)容。此外，在學(xué)習(xí)電磁場(chǎng)理論課程時(shí)，有些學(xué)生把過(guò)多的精力花在推導(dǎo)過(guò)程上，而對(duì)經(jīng)過(guò)推導(dǎo)而得出的物理結(jié)論與規(guī)律不進(jìn)行充分的理解，不知不覺(jué)就把電磁場(chǎng)理論作為一本數(shù)學(xué)書(shū)來(lái)學(xué)習(xí)了。這樣下來(lái)，學(xué)生在電磁場(chǎng)理論的學(xué)習(xí)上花費(fèi)的時(shí)間不少，但學(xué)習(xí)效果并不明顯，從而影響了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。

（3）概念抽象，理論性強(qiáng)，對(duì)學(xué)生空間想象力和抽象思維能力要求高。電磁場(chǎng)理論是一門(mén)公認(rèn)的難教難學(xué)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程，其中一個(gè)重要的原因是課程內(nèi)容理論性強(qiáng)，概念抽象，對(duì)學(xué)生的空間想象力和抽象思維能力要求高。比如電磁場(chǎng)理論中的麥克斯韋方程組，它是一組通過(guò)數(shù)學(xué)形式表達(dá)電場(chǎng)與磁場(chǎng)以及場(chǎng)源之間關(guān)系的方程。這組方程完整地反映了宏觀電磁理論與基本規(guī)律，對(duì)推動(dòng)電磁場(chǎng)理論的發(fā)展與應(yīng)用起到了十分重要的作用。然而，麥克斯韋方程組所表達(dá)的基本規(guī)律，由于理論性強(qiáng)，學(xué)生往往理解困難，更由于方程組中出現(xiàn)的散度、旋度、通量、環(huán)流量等概念的抽象性，使得學(xué)生難以真正理解麥克斯韋方程組的實(shí)質(zhì)，也就不會(huì)運(yùn)用麥克斯韋方程組來(lái)分析時(shí)變電磁場(chǎng)和電磁波了。

2 解決電磁場(chǎng)理論課程教學(xué)難點(diǎn)的思路與建議

（1）培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，引導(dǎo)學(xué)生積極思考問(wèn)題。興趣是學(xué)習(xí)的動(dòng)力和源泉，因此，在課堂教學(xué)中，教師要以培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣為切入點(diǎn)，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)熱情，鼓勵(lì)他們積極思考問(wèn)題。一方面，教師應(yīng)精心備課，合理設(shè)計(jì)教學(xué)方案，組織好課堂教學(xué)，并把握好上課節(jié)奏。另一方面，教師要改變“一人唱獨(dú)角戲”的枯燥教學(xué)模式，應(yīng)以問(wèn)題為導(dǎo)向，在教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生積極思想問(wèn)題，對(duì)難點(diǎn)問(wèn)題展開(kāi)討論，并通過(guò)師生互動(dòng)，營(yíng)造濃厚的課堂氛圍。比如，在講授均勻平面波的概念時(shí)，教師首先向?qū)W生提出“什么是平面波和球面波？”“‘均勻的含義是什么？”“在均勻平面波中電場(chǎng)和磁場(chǎng)隨時(shí)間作正弦變化嗎？是否同相變化？振幅是否不變？”等問(wèn)題，然后讓學(xué)生帶著問(wèn)題聽(tīng)老師的講課。這樣，學(xué)生在聽(tīng)老師講課的過(guò)程中，逐漸明白了這些問(wèn)題，對(duì)均勻平面波的概念也就在不知不覺(jué)中理解了。教師應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生在聽(tīng)課的同時(shí)，不斷思考問(wèn)題，并就聽(tīng)課中不懂的問(wèn)題隨堂請(qǐng)教老師。這樣，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性就被調(diào)動(dòng)起來(lái)了，師生互動(dòng)的課堂氛圍也形成了。學(xué)生在課堂上就更易理解老師所講的內(nèi)容，難點(diǎn)問(wèn)題也逐步化解了，從而提高了課堂教學(xué)質(zhì)量。

（2）以習(xí)題課為平臺(tái)，解決教學(xué)難點(diǎn)。課堂教學(xué)結(jié)束后，教師應(yīng)向?qū)W生布置適量的課后作業(yè)，以使學(xué)生及時(shí)鞏固所學(xué)的內(nèi)容。布置的課后作業(yè)應(yīng)確保難易有度，并有針對(duì)性地布置一些與教學(xué)難點(diǎn)有關(guān)的習(xí)題，使學(xué)生在解題中進(jìn)一步理解和掌握電磁場(chǎng)理論課程的難點(diǎn)內(nèi)容。教師應(yīng)及時(shí)認(rèn)真批改學(xué)生作業(yè)，通過(guò)對(duì)學(xué)生作業(yè)對(duì)錯(cuò)率的分析，了解學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的掌握以及對(duì)難點(diǎn)內(nèi)容的理解情況，找出學(xué)生學(xué)習(xí)中的薄弱環(huán)節(jié)，并在習(xí)題課中幫助學(xué)生進(jìn)一步理解所學(xué)知識(shí)和難點(diǎn)內(nèi)容。此外，習(xí)題課中，教師應(yīng)通過(guò)一些典型例題的講解，來(lái)幫助學(xué)生掌握解題方法，提高解題技巧。教師也應(yīng)適度補(bǔ)充一些與電磁場(chǎng)工程應(yīng)用有關(guān)的例題和習(xí)題，以培養(yǎng)學(xué)生初步的工程應(yīng)用能力。

（3）加強(qiáng)課后輔導(dǎo)，解決學(xué)生學(xué)習(xí)中的疑難問(wèn)題。課后答疑是學(xué)生理解難點(diǎn)內(nèi)容的重要途徑。由于課堂教學(xué)受到時(shí)間和地點(diǎn)的客觀限制，教師不可能在課堂上解決學(xué)生在電磁場(chǎng)理論學(xué)習(xí)上遇到的所有疑惑。因此，教師應(yīng)建立起課后答疑和輔導(dǎo)的有效渠道。一方面，教師根據(jù)學(xué)生課后時(shí)間情況，確定電磁場(chǎng)理論課程固定的課后答疑和輔導(dǎo)時(shí)間，在指定地點(diǎn)對(duì)學(xué)生進(jìn)行面對(duì)面的答疑與輔導(dǎo)。另一方面，教師可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)，建立QQ或微信答疑群，學(xué)生通過(guò)答疑群在線(xiàn)提出學(xué)習(xí)中遇到的問(wèn)題，教師及時(shí)解答學(xué)生的提問(wèn)。此外，教師要充分利用答疑群，引導(dǎo)學(xué)生在群中對(duì)學(xué)習(xí)中遇到的一些難點(diǎn)問(wèn)題展開(kāi)討論。這樣，既增進(jìn)了師生感情，也營(yíng)造了良好的學(xué)習(xí)氛圍，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

3 結(jié)束語(yǔ)

電磁場(chǎng)理論是電子信息、通信工程等信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)必修的重要專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程之一，它具有理論性強(qiáng)、概念抽象、難點(diǎn)內(nèi)容多等特點(diǎn)，是一門(mén)公認(rèn)的教師難教、學(xué)生難學(xué)的課程。筆者結(jié)合多年來(lái)對(duì)電磁場(chǎng)理論課程的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)電磁場(chǎng)理論課程的教學(xué)現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，指出了課程教學(xué)的難點(diǎn)，針對(duì)教學(xué)難點(diǎn)，提出了解決教學(xué)難點(diǎn)的思路與建議。

基金項(xiàng)目：中原工學(xué)院教學(xué)改革與研究項(xiàng)目——信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)電磁場(chǎng)理論課程教學(xué)改革探索

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