“电磁场与电磁波”课程教学研究

摘要：“电磁场与电磁波”是一门教学难度较大的课程。特别是在独立院校中，普遍存在学生难学、教师难教的局面。故此，教师在教学过程中要根据课程特点、存在的问题运用多种多样的教学方法，与教学思想、教学内容和教学管理等方面配合和协调，以达到最佳的教学效果。分析总结了目前独立院校中“电磁场与电磁波”课程教学中普遍存在的一些问题，并探讨了改进措施。

关键词：电磁场与电磁波；类比法；循序渐进；讲义；习题

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）21-0010-02

随着信息时代的到来，作为通信传输技术基础的电磁场理论得到越来越广泛和深入的研究与应用。“电磁场与电磁波”是电气、电子信息、通信等工科电子类专业的一门重要的技术基础课，它是在大学物理电磁学的基础上，进一步研究宏观电磁现象的基本规律和分析方法。这不但是为了后续课程的需要，也是深入理解和分析工程实际中的电磁问题所必需掌握的基本知识，而且电磁场理论也是微波通信、卫星通信、电磁兼容和生物电磁学等高新技术的理论基础及交叉领域新学科的生长点。[1，2]所以电类专业的学生，无论是从当前的学习出发，还是为了拓宽将来的专业面，都应该重视这门课程，学好这门课程，打好专业基础。此外，学好这门课，对培养学生树立严谨的科学思想、科学分析问题的方法、复杂抽象的思维能力、勇于开拓的创新精神等将起着十分重要的作用。[3，4]另外由于独立学院学生普遍基础不是很好，并且对抽象的理论课程的学习兴趣不大，更加重了独立学院重“电磁场与电磁波”课程的教学工作。

一、“电磁场与电磁波”课程特点

1.基础知识要求多

“电磁场与电磁波”课程是以大学物理、高等数学、电路分析、数学物理方程、复变函数等为基础，所涉及的内容很广 。大学物理中，电磁学部分内容是“电磁场与电磁波”的物理基础，而矢量分析、特殊函数等内容是学好“电磁场与电磁波”课程必需的数学工具，由于涉及复杂偏微分和特殊函数的计算，难度不小。因此要学好这门课程，必须熟练掌握这些基础课程的相关概念、理论和运算等。同样对担任本课程教学的教师提出了较高的要求，即一方面需要有较好的物理、数学及电路知识；另一方面需要有比较全面的专业知识。同时，又需要对通信工程实际情况有较广泛的了解。因此本课程的教学相对而言比较不易。

2.数学推导计算多

课程涉及大量的物理知识以及各种数学方法，在学习过程中如何处理数学与物理的衔接，数学方法和物理概念的联系以及理论分析与工程应用的关系至关重要，这也是学生较难处理的问题。

3.抽象的概念多

“电磁场与电磁波”每章内容都会引入一些新的、较难理解的概念、定律。例如散度和旋度是两个比较抽象的数学概念，学生们甚至在课程结束之后仍感到这两个概念很抽象，不理解在电磁场与波学习中为什么始终与之打交道；静电场中的自分布电容、互分布电容、广义力、虚位移等；恒定磁场中的矢量磁位、标量磁位；边值问题求解中的镜像法、分离变量法等。这些新的概念及定律不仅抽象、难理解，而且所涉及的公式通常比较复杂，计算起来难度较大。基于以上特点，对于“电磁场与电磁波”这门课程，学生普遍认为“难学”，教师普遍感到“难教”。

二、“电磁场与电磁波”教学存在的问题

1.学习问题

由“电磁场与电磁波”课程的特点可知课程本身过于抽象，学生普遍反映难学难懂，表现为抽象的纯理论和概念多，复杂的偏微分公式多，计算求解难度大，而对老师来说教好这门课也具有相当的难度。另外，在学习“电磁场与电磁波”课程过程中，学生常常难以将已经学好的数学知识和电磁场内容很好地结合。在学习“电磁场与电磁波”之前，学生一般都具备矢量场论的基本知识，但是在学习“电磁场与电磁波”的过程中却难以将所学知识与电磁场理论融会贯通、学以致用。还有许多学生数学基础薄弱，学习起来备感吃力。

2.教材问题

目前绝大多数教材都只强调经典的理论知识，缺乏有应用背景和紧密跟踪最新前沿发展的内容，这样不但导致理论与实际应用脱节，也很难激发学生的学习热忱。特别是对基础知识差的学生来说，一看到大量的证明和数学推导问题就失去了信心。

3.缺少实验设备

由于资金和实验设备的匮乏，使得大部分高校在“电磁场与电磁波”教学中缺少实验设备，导致无法开展实验课程。这样原本就十分抽象的课程，完全变成了一门纯理论教学的课程，也导致了学生学习中理论与实践的脱节问题。

4.课时问题

随着这些年的教学改革，大学生要求的总学分略有下降，而开设课程又增多的趋势导致“电磁场理论”的教学课时被极大压缩，由以前的80学时被压缩到40学时，导致教学自由度受到了较大的限制。

三、提高“电磁场与电磁波”教学质量的方法

1.制订教学大纲，确定教学内容

现有的“电磁场与电磁波”教学，大部分都是一些纯理论讲解的内容，而学生在学习的过程中经常问学这门课有什么用，学某一章节有什么用。看是一个简单的问题，但作为老师一定认真思考，给学生一个满意的答案。因为从这个问题上一方面反映了老师讲课不能只是大谈理论讲解，另一方面也反映了现有教材在实际应用方面的缺陷。对这个问题回答的好坏直接关系到同学们学习的效果和兴趣。基于以上原因和笔者多年的“电磁场与电磁波”的教学经验，自编内部教材讲义，此讲义最大的特点是以通俗的语言来讲解抽象的概念，以实际的例题来帮助理解重点理论，并且在每个知识点都有对应的应用实例。

由于“电磁场与电磁波”理论是人类在认识自然规律和生产实践活动中发展起来的，在日常生活、科学研究和军事等领域中的应用非常广泛，例如在微波炉、磁悬浮列车、隐形轰炸机、移动电话中的应用等。这些在此讲义的每一章的后面都是一个拓展知识的介绍，比如在第二章静态电磁场的最后一节中，就针对磁悬浮列车和卫星电推进器做了详细讲解，提高了同学们的学习兴趣。

2.循序渐进的教学方法

电磁场与电磁波是利用场的观点来研究空间某一物理量的确定值问题，而矢量分析正是研究此问题的重要教学工具。应用矢量分析的方法，可以使电磁场的基本定律、公式以简洁的形式表述出来，且与坐标的选择无关。所以先要学习一下矢量分析的内容，包括矢量运算、三种坐标系、矢量的散度和旋度等内容。以后每个章节的教学，采用从易到难、从静态场到时变场、从电场到磁场再到电磁场、从三维空间到四维空间的循序渐进的教学顺序。

首先，从较为容易掌握的静电磁场开始进行学习，此章节的教学应详细地分析各种情况，其中包含对基本方程、边值问题等理论的推导以及物理含义的分析，以及静电能量与力的分析等，而静磁场的讲解一定要和静电场的知识进行类比学习。这样就为时变电磁场、电磁场波的传播、波导等教学内容打下一个比较好的基础。后续各章节的教学，也应注意与静电磁场的理论进行比较。从静止电荷产生的静电场到研究运动的稳定电荷产生的恒定电场，然后研究电流引入的恒定磁场，随后进行电磁感应以及时变电磁场分析，并且在时变电磁场的分析中，推测电磁波的产生。之后讲解均匀平面电磁波在无界空间的传播、反射和透射，以及导行电磁波、电磁波辐射等知识，最后进行传输线理论的讲解。按照逐步深入方式，进行知识的扩充，使课程知识具有连贯性，学生也比较容易掌握。

3.巧妙使用类比方法

“电磁场与电磁波”课程体系中，小到一个公式，大到整个理论框架，都存在着对立统一的关系。通过这些知识点的类比，不仅使学生学到了“电磁场与电磁波”课程的精髓，也使他们体会到“电磁场与电磁波”课程体系中的对称美。类比包含两个方面的类比，一是课程、领域之间的横向类比，例如与“大学物理”相关知识点的类比，“电磁场”和“流体力场”、“电磁波”和“机械横波”的比较。由于电磁波与机械波都是横波，都具有横波的特性等方面的类比，水波的传播与电磁波能的传播的类比，电磁场与流体力场的类比等等，类比的教学策略进行更加形象直观的传授，启发创造性思维。另一个则是纵向类比，譬如该课程本身的静电场和静磁场、静电场和恒定电流场等的对比。这样，既拓宽了学生的知识面，也使学生通过类比对电磁场波动函数表达式有了深刻而又直观的理解。

4.仿真软件在教学中的应用

对于电子信息、通信专业的学生，基本上都会使用MATLAB软件，并且场与波的分析往往涉及复杂的绘图和大量的计算，将MATLAB仿真技术应用到“电磁场与电磁波”实验教学中，十分有助于将抽象的理论变成容易理解、接受的结论，这必将有助于“电磁场与电磁波”的课堂教学。[5]比如，利用MATLAB编写的程序可以绘制三维矢量的静态和动态分布图，给出了均匀平面波、矩形波导的传输模和截止模、电流元的电场和磁场的分布图，这将大大提高同学们的空间想象力和对这部分知识的理解能力。

5.适当的习题练习

对“电磁场与电磁波”课程的学习，不但要有正确的教和学的方法，还要有适当的习题练习。其实，习题都是针对某一知识点的实际应用而设计的，在同学们做习题的过程中一方面帮助他们理解知识点的应用，另一方面也巩固了课堂老师所讲内容。

在课堂教学中，不可能留出时间让学生来学习题，只能有针对性地来讲解有代表性的例题，做习题只让同学们在课下做，让同学把遇到的问题汇总起来，在集体答疑的时间来给同学们做详细的解答。在讲义中不但针对每一知识点精心设计应用实例，而且还设计了一定量的习题要求同学们完成。

此外，习题不仅仅是计算，在每一章结束后给学生出了一些思考题，让学生自己去查找资料来完成。比如假如存在磁单极子，麦克斯韦方程的形式是什么样的？

四、总结

本文是笔者多年来在“电磁场与电磁波”教学中的一点体会，本课程涉及的基础知识比较多，对教师的专业课程知识的要求较高，同时需要教师密切结合本校学生的基础、实验设备、课时、教学大纲的制订等实际情况进行分析。教学过程的每一个环节都需要周密思考、认真备课，注意平时在科研项目中随时积累，在教学中随时涉猎其他专业的知识。教师的视野开阔了，学生才能在电磁场领域的思维角度开阔一些，能够掌握宏观电磁场与电磁波的基本性质及基本规律，培养他们的抽象思维能力，分析解决实际问题的能力。

参考文献：

[1]田雨波， 张贞凯.“电磁场理论”教学改革初探[J].电气电子教学学报，2008，30（1）：11-12.

[2]王家礼，朱满座，路宏敏.电磁场与电磁波[M].西安：西安电子科技大学出版社，2003.

[3]李波，豆根生，袁超.电磁场与电磁波课程的教学方法探索[J].河南机电高等专科学校学报，2007，15（6）：127-128.

[4]刘学观，郭辉萍，李富华.电磁场与电磁波课程体系规划研究[J].电气电子教学学报，2006，28（6）：l-2.

[5] 吕秀丽，牟海维，李贤丽.MATLAB在电磁场与电磁波实验教学中之应用[J].实验室研究与探索，2010，29（2）.