蔡 奇 呂文俊 呂云鵬

(南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院， 南京 210003)

“電磁場與電磁波”是電子、通信類專業(yè)學(xué)生必修的專業(yè)基礎(chǔ)課，為學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)“微波技術(shù)”“天線技術(shù)”“無線通信”等課程打下重要的理論基礎(chǔ)，對廣播、衛(wèi)星通信、雷達等領(lǐng)域有重要指導(dǎo)作用[1]。利用電磁場理論方法和計算機輔助軟件分析解決實際問題也是電子、通信類專業(yè)學(xué)生不可或缺的能力儲備。由于該課程需要深刻洞察物理現(xiàn)象的數(shù)學(xué)本質(zhì)，熟練使用微分方程、矢量分析等工具方法進行建模分析，因此對學(xué)生的數(shù)理基礎(chǔ)要求較高。此外，“電磁場與電磁波”各章節(jié)之間邏輯嚴(yán)密、環(huán)環(huán)相扣，從矢量分析到麥克斯韋方程組，再到靜態(tài)電磁場、時變電磁場、電磁波傳播等，學(xué)生很容易因為其中一環(huán)的概念沒理解透徹，或前期數(shù)理基礎(chǔ)欠缺而導(dǎo)致后續(xù)課程如同聽“天書”，出現(xiàn)學(xué)習(xí)效率低下、積極性下降甚至厭學(xué)畏學(xué)等一系列教學(xué)質(zhì)量欠佳問題。

針對上述存在問題，如何增強學(xué)習(xí)興趣，充分調(diào)動學(xué)習(xí)積極性和原動力，緩解學(xué)生的抵觸心理、全面培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)，成為促進“電磁場與電磁波”課程教學(xué)質(zhì)量提高的重要研究問題。以下將圍繞上述問題，立足課程教學(xué)現(xiàn)狀，結(jié)合教學(xué)實踐過程，從教學(xué)方法和課程思政兩方面展開探討。

1 “電磁場與電磁波”教學(xué)現(xiàn)狀

“電磁場與電磁波”是一門學(xué)生難學(xué)并且教師難教的課程，學(xué)習(xí)難度偏大，主要有以下原因：

1.1 教學(xué)方法枯燥單一

目前，該課程主要依靠課堂授課，強調(diào)授課教師的主導(dǎo)地位。這種授課模式不利于培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，容易產(chǎn)生“難學(xué)、枯燥”等消極情緒。加上各章節(jié)知識點多、邏輯性強、前后內(nèi)容聯(lián)系緊密，學(xué)生會由于前面的知識點沒學(xué)好而導(dǎo)致后續(xù)知識點逐步脫節(jié)，從而降低學(xué)習(xí)積極性，產(chǎn)生厭學(xué)情緒。

1.2 理論教學(xué)與實踐教學(xué)脫節(jié)

“電磁場與電磁波”理論具有深刻的物理意義，然而受限于實驗條件和平臺，本課程很少有配套的實踐教學(xué)課時，較難做到理論聯(lián)系實踐。缺少對基本概念的直觀詮釋，就會導(dǎo)致數(shù)理內(nèi)涵理解不深、死記硬背公式，無法活學(xué)活用。這容易使學(xué)生產(chǎn)生疑問：“學(xué)習(xí)這門課程有什么用？如何解決實際問題？”

1.3 學(xué)時緊張

“電磁場與電磁波”教學(xué)內(nèi)容較多，然而只有48-56學(xué)時，這其中又有相當(dāng)時間用于必要的公式推導(dǎo)證明。既要深刻詮釋物理概念、補充實踐環(huán)節(jié)，又要保持一定的習(xí)題課時，在課時受限的情況下顯然難以做到二者兼顧。

1.4 對數(shù)學(xué)要求較高

“電磁場與電磁波”的基本數(shù)學(xué)工具包括矢量分析、偏微分方程、積分方程、復(fù)變函數(shù)等，推導(dǎo)過程相對復(fù)雜，需要學(xué)生有較好的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和邏輯推導(dǎo)能力，因此普遍存在困難。

2 “電磁場與電磁波”教學(xué)方法

2.1 探究式教學(xué)

針對上述現(xiàn)狀，我們優(yōu)化了教學(xué)模式，試圖充分發(fā)掘?qū)W生在教師引導(dǎo)下的自主學(xué)習(xí)潛能，能夠增強學(xué)生在學(xué)習(xí)中的參與感和學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)解決實際問題的能力。例如在講解采用高斯定理計算均勻?qū)ΨQ分布電場的電場強度時，除了在課堂上對學(xué)生講解如何構(gòu)建高斯面，還可以設(shè)計課后項目，提示學(xué)生利用庫侖定律、點電荷的電場強度及其疊加原理來計算已知電荷分布條件下的電場強度，進而引導(dǎo)學(xué)生探索球面非均勻分布時的電場強度如何求解[2]。這樣不僅可以讓學(xué)生對學(xué)習(xí)的新課及時復(fù)習(xí)，還可以對舊課進行回顧，串聯(lián)前后知識，形成學(xué)習(xí)遷移。

1.2 類比教學(xué)

類比法是物理類課程的重要教學(xué)手段之一，通過展示數(shù)理方程的齊次比擬關(guān)系，充分詮釋不同物理現(xiàn)象的共同數(shù)學(xué)本質(zhì)(即：一套泛定方程可被分別用于描述完全不同的物理現(xiàn)象)，不僅生動形象、直觀易懂，而且對提高學(xué)習(xí)效率、提升邏輯思維能力極為有效[3]。例如，機械彈簧振子和LC諧振回路的類比，靜電場與恒定電場的類比、勻速圓周運動與時諧電磁場類比、二次曲線方程和二階線性偏微分方程類比、電磁學(xué)與經(jīng)典力學(xué)類比、疊加原理在電磁理論和電路分析中的類比，等等。這些類比都有明確的數(shù)學(xué)模型和物理背景，兼顧定性比擬和定量分析，不僅有助于啟發(fā)學(xué)生鞏固已有的物理概念，而且為更透徹洞悉數(shù)理方程的物理含義，為掌握電磁場解析方法并靈活運用作了有益鋪墊，可以顯著提高學(xué)習(xí)興趣和積極性[4]。

1.3 計算機輔助教學(xué)

電磁場與電磁波理論對空間想象能力要求較高。在教學(xué)環(huán)節(jié)中引入Matlab、HFSS、CST等專業(yè)軟件，有助實現(xiàn)理論公式的可視化、形象化，例如：通過計算機輔助仿真手段展示電磁場和電磁波的三維分布情況，演示其動態(tài)傳播過程，讓學(xué)生直觀領(lǐng)會邊界條件、介質(zhì)條件、電磁波傳播方向等帶來的影響，強化學(xué)生的理解[5-6]。特別地，以均勻平面電磁波的傳播、垂直極化波入射到兩種介質(zhì)面、圓極化波等環(huán)節(jié)，可以采用Matlab繪制如圖1所示的動畫將物理現(xiàn)象直觀展示給學(xué)生，達到理解概念、洞察規(guī)律的目的，提高教學(xué)效果[7]。在此基礎(chǔ)上可進一步引導(dǎo)學(xué)生運用仿真軟件自行仿真濾波器、貼片天線等，培養(yǎng)運用所學(xué)理論解決實際工程問題的能力。

(a) 均勻平面電磁波的傳播動畫截圖

(b)垂直極化波入射到兩種介質(zhì)面的動畫截圖

(c)左旋圓極化波動畫截圖

(d)右旋圓極化波動畫截圖圖1 計算機輔助教學(xué)的Matlab動畫截圖

3 “電磁場與電磁波”課程思政

課程思政建設(shè)是新時代教育教學(xué)改革的重中之重，習(xí)近平總書記強調(diào)：“要堅持把立德樹人作為中心環(huán)節(jié)，把思想政治工作貫穿教學(xué)全過程，實現(xiàn)全程育人、全方位育人，努力開創(chuàng)我國高等教育事業(yè)發(fā)展新局面”[8]。實踐表明，教師在推動課程思政效能提升方面發(fā)揮著不可替代的作用，要積極引導(dǎo)當(dāng)代學(xué)生樹立正確的國家觀、民族觀、歷史觀、文化觀?，F(xiàn)階段我校的“電磁場與電磁波”課程是通信工程專業(yè)學(xué)生的必修課程，但通過調(diào)查學(xué)生對這門課程的看法，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)學(xué)生認(rèn)為課程難度較大、趣味性不強，并且不希望教師介紹太多復(fù)雜的公式推導(dǎo)，而是對課程的歷史發(fā)展、應(yīng)用背景、實踐機會等更感興趣?！半姶艌雠c電磁波”課程的專業(yè)基礎(chǔ)特點也使其在教學(xué)過程中可以挖掘出比較豐富的思政元素和思政背景，從而實現(xiàn)顯性教育和隱性教育相結(jié)合，傳授專業(yè)知識技能和培養(yǎng)社會主義核心價值觀相結(jié)合。

3.1 牢記歷史，培養(yǎng)勇于探索的科學(xué)精神

“電磁場與電磁波”理論的發(fā)展經(jīng)歷了從定性到定量、從感性到理性、從經(jīng)驗、唯象到抽象的認(rèn)識過程。在教學(xué)實踐中，我們在課程緒論采用2個學(xué)時左右提綱挈領(lǐng)地給學(xué)生梳理電磁學(xué)的發(fā)展史，從戰(zhàn)國中后期至明代中葉(公元前300年—公元1500年)，古代中國人曾在磁學(xué)方面做出了領(lǐng)先世界1000多年的偉大成就。介紹古希臘人發(fā)現(xiàn)“摩擦起電”現(xiàn)象的同時，必須強調(diào)“四大發(fā)明”中的司南(始見于戰(zhàn)國古籍《鬼谷子》)、北宋沈括《夢溪筆談》中的磁偏角測量實驗(人類歷史上首次記載磁北極和地理北極不重合、并提出測量該夾角的方法)以及羅盤(實用化、可用于航海的磁針式指南針，開辟了“海上絲綢之路”，奠定中國航海術(shù)領(lǐng)先西方近500年的技術(shù)基礎(chǔ)，極大促進了中國東南沿海地區(qū)的經(jīng)濟繁榮)，再銜接到電磁學(xué)進入“唯象時期”的庫侖定律、安培定律、法拉第電磁感應(yīng)定律，再到“統(tǒng)一抽象時期”的麥克斯韋方程組如何預(yù)測電磁波存在、如何通過赫茲實驗得以證實；接著，1896年馬可尼、波波夫等先驅(qū)實現(xiàn)了無線電報實驗，開啟了無線通信的新時代；最后介紹現(xiàn)代無線通信技術(shù)從2G、3G、4G到5G的發(fā)展歷程及其成就。通過完整的歷史背景，既向?qū)W生全面展示宏觀電磁理論是無線通信技術(shù)的基石，清晰揭示其發(fā)展歷程，又增強了民族自豪感，從而充分激發(fā)和增強學(xué)生的求知欲和自信心。

3.2 介紹科技前沿動態(tài)，激發(fā)投身祖國建設(shè)的熱情

除了歷史發(fā)展，在后續(xù)課程授課中還可以結(jié)合教師的科研課題，融入部分前沿技術(shù)，給出一些實例引導(dǎo)，特別是工程實際及國防應(yīng)用實例的介紹，以明確本課程對工程實際和國防工業(yè)的巨大作用。例如在講電磁輻射時，可以介紹5G大規(guī)模MIMO技術(shù)和毫米波技術(shù)、北斗導(dǎo)航系統(tǒng)和FAST球面射電望遠鏡；在講解平面波的反射、透射等時可以介紹光纖的全反射原理以及“光纖之父”高錕的貢獻、電磁波的雷達隱身技術(shù)等等，讓學(xué)生了解本課程的學(xué)習(xí)前景以及理論知識是如何與實際應(yīng)用結(jié)合。在充分激發(fā)民族自信心和自豪感的同時，培養(yǎng)科學(xué)精神、創(chuàng)新精神、奮斗精神，積極投身相關(guān)行業(yè)建設(shè)。

3.3 磨礪工匠精神，樹立社會主義核心價值觀

“電磁場和電磁波”作為一門基礎(chǔ)課程，其授課對象是正處于世界觀、人生觀、價值觀形成階段的大一或大二學(xué)生，因此教師在授課過程中，還可以適當(dāng)穿插一些案例，引導(dǎo)學(xué)生樹立正確的世界觀和價值觀。例如在講解電磁波理論發(fā)展時，可以向?qū)W生講述“中國微波之父”林為干院士對中國電磁科學(xué)發(fā)展做出的開創(chuàng)性貢獻和在微波領(lǐng)域的常年堅守的事跡。在講解電磁波極化時，可以講述銀河號事件中GPS對我們造成的影響，說明北斗導(dǎo)航系統(tǒng)在汶川地震救災(zāi)和北京奧運會中起到的重要作用，讓學(xué)生明白北斗系統(tǒng)的重要意義。上述案例的引入，可以讓學(xué)生明白當(dāng)代大學(xué)生肩負(fù)的歷史使命，真切理解“科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力”的含義，為實現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的中國夢奮斗。

4 結(jié)語

“電磁場與電磁波”是電子信息類專業(yè)最重要的專業(yè)基礎(chǔ)課之一。根據(jù)這門課程的教學(xué)現(xiàn)狀和存在難點，結(jié)合作者的教學(xué)實踐，從教學(xué)方法和課程思政兩方面總結(jié)并提出一系列改進方法。通過探索教學(xué)、類比教學(xué)、計算機輔助教學(xué)，靈活而充分地融入課程思政要素，不僅幫助學(xué)生理論聯(lián)系實際，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，而且更注重培養(yǎng)學(xué)生的家國情懷、責(zé)任意識和工匠精神，助力學(xué)生成長為新時代需要的高素質(zhì)復(fù)合型工程人才。