李長勝，林志立，馮麗爽

(北京航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京 100191)

自2011年起，我校為光電信息工程專業(yè)本科生開設(shè)了“電磁場與電磁波”課程。目前，國內(nèi)也有部分高校對光電信息工程或光學(xué)工程專業(yè)本科生開設(shè)了“電磁場與電磁波”課程［1，2］，但該課程的教學(xué)內(nèi)容尚未進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)整。

文獻(xiàn)［3］探討了“電磁場與電磁波”課程的內(nèi)容改革。我們經(jīng)過一個(gè)學(xué)年的教學(xué)實(shí)踐，認(rèn)為目前該課程的教學(xué)內(nèi)容尚存在一些問題，例如存在與“大學(xué)物理”課程中電磁學(xué)部分內(nèi)容的重復(fù)，體現(xiàn)光電信息工程專業(yè)特點(diǎn)的內(nèi)容較少，以及有關(guān)電磁場與電磁波的應(yīng)用和研究新進(jìn)展方面的內(nèi)容不足等。

針對上述問題，并考慮學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)、后續(xù)課程及未來專業(yè)研究工作的需要，本文提出對光電信息工程專業(yè)“電磁場與電磁波”課程教學(xué)內(nèi)容修改的幾點(diǎn)建議。

1 縮減與“大學(xué)物理”重復(fù)的內(nèi)容

我院目前使用文獻(xiàn)［4］作為“電磁場與電磁波”教材，我校本科生“大學(xué)物理”課程教材采用文獻(xiàn)［5］，中冊內(nèi)容為電磁學(xué)。我們將這兩本教材進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)有許多重復(fù)的內(nèi)容。例如:庫侖定律、高斯定理、安培環(huán)路定理、法拉第電磁感應(yīng)定律和介質(zhì)的磁化等。盡管它們介紹這些內(nèi)容的出發(fā)點(diǎn)和深廣度不同，但其核心內(nèi)容是相同的。為了避免教學(xué)內(nèi)容上的重復(fù)，我們建議在“電磁場與電磁波”課程中適當(dāng)壓縮上述重復(fù)內(nèi)容的學(xué)時(shí)數(shù)?？刹捎脧?fù)習(xí)與概述的方式給予彌補(bǔ)。

2 補(bǔ)充光電信息工程相關(guān)內(nèi)容

我院的“電磁場與電磁波”課程內(nèi)容沒有考慮光電信息工程專業(yè)特點(diǎn)以及該專業(yè)后續(xù)課程的具體需要。作為光電信息工程專業(yè)本科生的重要基礎(chǔ)理論課，該課程內(nèi)容應(yīng)適當(dāng)予以補(bǔ)充。例如，可增加“各向異性介質(zhì)中的電磁場與電磁波”方面的內(nèi)容。

考慮到對其分析研究一般需要張量等數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識，在本科階段引入此部分內(nèi)容存在一定難度，只有少數(shù)教材簡單介紹了此部分內(nèi)容［6］。為了給學(xué)生學(xué)習(xí)后續(xù)光學(xué)相關(guān)課程奠定一定的理論基礎(chǔ)(如晶體光學(xué)等內(nèi)容)，我們建議在課程中增加2-4學(xué)時(shí)用于介紹各向異性介質(zhì)中的電磁場與電磁波的內(nèi)容。可根據(jù)學(xué)生的接受能力，引入文獻(xiàn)［7］的相關(guān)內(nèi)容。該專著詳細(xì)論述了電各向異性介質(zhì)的靜電場，磁各向異性介質(zhì)的穩(wěn)恒電流場，以及電各向同性而磁各向異性介質(zhì)中的輻射電磁場。

此外，還可增補(bǔ)介紹“電磁場的動量”以及“光壓”等概念，這將有助于學(xué)生深入理解電磁波和光波的本質(zhì)屬性。文獻(xiàn)［8］將偏振光學(xué)中常用的瓊斯矢量和瓊斯矩陣分析法用于描述和分析均勻平面波的極化特性及其傳播規(guī)律。我們認(rèn)為，在講解均勻平面波的傳播之后，補(bǔ)充介紹“高斯光束的平面波展開”有助于學(xué)生正確理解光的電磁波屬性，為學(xué)習(xí)后續(xù)光學(xué)相關(guān)課程奠定理論基礎(chǔ)。

3 增加工程應(yīng)用的內(nèi)容

增強(qiáng)電磁場與電磁波在科學(xué)研究與工程實(shí)際中應(yīng)用方面的教學(xué)內(nèi)容，有助于學(xué)生理解和掌握本課程的基本理論和規(guī)律。文獻(xiàn)［3］在討論“電磁場理論”課程教學(xué)內(nèi)容改革時(shí)建議突出電磁場理論在工程實(shí)踐、科學(xué)研究以及日常生活中的應(yīng)用;教材［8］和［9］的部分章節(jié)也已討論了許多電磁場與電磁波典型應(yīng)用方面的內(nèi)容。但大部分教材在此方面的內(nèi)容尚顯不足。

我院在上一學(xué)年的“電磁場與電磁波”課程教學(xué)中增加了電磁場工程應(yīng)用方面的內(nèi)容。例如，我們介紹靜電場的應(yīng)用時(shí)，涉及到靜電選礦器和靜電除塵器、電容式傳感器、靜電屏蔽在日常生活和電氣電子工程中的應(yīng)用等;介紹了恒定電流場的應(yīng)用時(shí)，講解了心電圖和裂紋探傷儀的工作原理;介紹恒定磁場的應(yīng)用時(shí)，討論了磁電式儀表與磁性傳感器、磁屏蔽及磁懸浮技術(shù)(如磁懸浮軸承和磁懸浮列車)等內(nèi)容。

除了課堂講解以外，我們還以課外作業(yè)的方式幫助學(xué)生了解電磁場應(yīng)用方面的內(nèi)容。例如，我們布置的課外作業(yè)包括查閱相關(guān)資料、簡述靜電復(fù)印機(jī)、電磁流量計(jì)和心(或腦)電圖的工作原理等。

4 引入相關(guān)研究新進(jìn)展

目前電磁場與電磁波及其相關(guān)交叉科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展日新月異，為了使學(xué)生盡快適應(yīng)未來電磁相關(guān)的新興科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域研究的需要，我們建議安排2-4學(xué)時(shí)，將相關(guān)的最新科研成果引入課堂教學(xué)。學(xué)科研究新進(jìn)展內(nèi)容的選擇應(yīng)考慮以下因素:①在電磁場與電磁波學(xué)科體系及其發(fā)展中的意義，以及完善該課程自身體系的需要;②學(xué)生未來從事相關(guān)科技工作的需要;③本科學(xué)生的先修課程以及授課時(shí)學(xué)生的實(shí)際接受能力等。

我們建議引入“電磁超介質(zhì)”(或“左手材料”)理論及其應(yīng)用等內(nèi)容，作為近十年來電磁學(xué)和光學(xué)領(lǐng)域的重要研究新進(jìn)展的介紹。而以往“電磁場與電磁波”課程中并未包含此內(nèi)容。電磁超介質(zhì)的磁導(dǎo)率、電容率、折射率以及電磁波傳播特性等雖然與常規(guī)介質(zhì)不同，但并不違反麥克斯韋電磁理論;在講解了常規(guī)介質(zhì)中的麥克斯韋方程之后，再介紹電磁超介質(zhì)中的電磁場與電磁波理論，不但學(xué)生易于理解和接受，而且可以完善本課程體系，為學(xué)生將來從事相關(guān)科研工作奠定理論基礎(chǔ)。

5 結(jié)語

綜上所述，本文建議對今后我院光電信息工程專業(yè)本科生"電磁場與電磁波"課程內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整，可考慮適當(dāng)縮減與工科“大學(xué)物理”課程中電磁學(xué)部分重復(fù)的內(nèi)容，增加與光電信息工程專業(yè)密切相關(guān)的內(nèi)容、增加電磁場與電磁波應(yīng)用方面的內(nèi)容，并及時(shí)引入電磁場與電磁波學(xué)科研究新進(jìn)展的內(nèi)容。

［1］ 關(guān)建飛，倪新建，徐寧.光電信息類本科專業(yè)《電磁場理論》教學(xué)改革研究［J］.北京:中國科技信息，2010，第14期:206-207

［2］ 葉衛(wèi)民，朱志宏，劉肯等.《光電子學(xué)中電磁場理論》研究生課程教學(xué)的思考［J］.長沙:高等教育研究學(xué)報(bào)，2010，33(1):117-119

［3］ 王士彬，張蓮，萬沛霖等.“電磁場”課程教學(xué)內(nèi)容改革的實(shí)踐［J］.南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2006，28(5):8-11

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

［5］ 吳百詩主編.《大學(xué)物理》(中冊)［M］.北京:高等教育出版社，2004

［6］ 蘇東林，陳愛新，謝樹果等編著.《電磁場與電磁波》［M］.北京:高等教育出版社，2009

［7］ 陳燊年，洪清泉，王建成著.《介質(zhì)為各向異性的電磁場》［M］.北京:科學(xué)出版社，2012

［8］ 倪光正主編.《工程電磁場原理》［M］.第2版.北京:高等教育出版社，2009

［8］ 楊儒貴.《電磁場與電磁波》［M］.第2版.北京:高等教育出版社，2007