謝 華

?

電磁場(chǎng)與電磁波課程的教學(xué)改革與實(shí)踐

謝 華

(三明學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，福建 三明 351000)

電磁場(chǎng)與電磁波是電子信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)的一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程．通過(guò)對(duì)課程教學(xué)現(xiàn)狀和難點(diǎn)分析，以培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、實(shí)際應(yīng)用能力為目標(biāo)，對(duì)課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式進(jìn)行了改革和探索．應(yīng)從縱向、橫向進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化，重點(diǎn)突出引入課程導(dǎo)入、類(lèi)比歸納、案例教學(xué)、演示教學(xué)等多元化教學(xué)手段，實(shí)施靈活考核評(píng)價(jià)模式，提高教學(xué)質(zhì)量．

電磁場(chǎng)與電磁波；課程；教學(xué)改革

電磁場(chǎng)與電磁波課程是高等工科院校電類(lèi)專(zhuān)業(yè)一門(mén)傳統(tǒng)的基礎(chǔ)課程．課程包括電磁場(chǎng)與電磁波兩大部分內(nèi)容，主要講解電磁場(chǎng)與電磁波的基本概念、基本規(guī)律、基本理論和典型的分析方法及其在電磁工程中的應(yīng)用．在電子專(zhuān)業(yè)的課程體系中，它是一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課程，是后續(xù)的通信原理、微波技術(shù)、天線、移動(dòng)通信以及其他高頻電子設(shè)備課程教學(xué)的基礎(chǔ)，在基礎(chǔ)課和專(zhuān)業(yè)課之間起到承上啟下的橋梁作用．考慮到這門(mén)課程所需的數(shù)學(xué)和物理知識(shí)結(jié)構(gòu)以及后續(xù)課程的需要，將課程安排在本科第四學(xué)期，計(jì)劃學(xué)時(shí)為54學(xué)時(shí)．

在課程教學(xué)的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題總結(jié)如下：1) 學(xué)生怕學(xué)、厭學(xué)．課程概念抽象、理論性強(qiáng)、公式繁多，所以要求學(xué)生數(shù)學(xué)、物理基礎(chǔ)要好．但是有的學(xué)生由于數(shù)學(xué)、物理基礎(chǔ)不扎實(shí)，學(xué)習(xí)難度很大，導(dǎo)致厭學(xué)；內(nèi)容多，課時(shí)緊再加上繁多的公式及較大的計(jì)算強(qiáng)度也使好學(xué)的學(xué)生怕學(xué)．2) 電磁場(chǎng)和電磁波現(xiàn)象具有復(fù)雜的空間分布，都具有不可見(jiàn)的特性，無(wú)法生動(dòng)、形象地展示給學(xué)生，這些內(nèi)容的學(xué)習(xí)要求學(xué)生具有一定的空間想象能力，沒(méi)有空間的思維無(wú)法理解場(chǎng)的分布、性質(zhì)及波的傳播特性等理論，影響整個(gè)課程的學(xué)習(xí)效果[1]．3) 課程內(nèi)容和知識(shí)點(diǎn)偏重于理論分析和推導(dǎo)，知識(shí)點(diǎn)、例題、習(xí)題和實(shí)際應(yīng)用脫節(jié)，學(xué)生學(xué)后不知有什么用，用在哪，造成學(xué)習(xí)興趣缺乏．因此電磁場(chǎng)與電磁波這門(mén)課成了難學(xué)難教的課程，考試的不及格率也較高．如何上好電磁場(chǎng)與電磁波課程，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生能學(xué)、肯學(xué)、學(xué)以致用，從而提高教學(xué)質(zhì)量，筆者從多個(gè)方面對(duì)課程教學(xué)進(jìn)行改革探索，取得了較好的教學(xué)效果．

1 優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

本課程采用高等教育出版社出版、謝處方編第四版《電磁場(chǎng)與電磁波》教材，從三大實(shí)驗(yàn)定律——庫(kù)倫定律、安培定律、法拉第電磁感應(yīng)定律和兩個(gè)基本假說(shuō)——有旋電場(chǎng)假說(shuō)和位移電流假說(shuō)為基礎(chǔ)，導(dǎo)出麥克斯韋方程組，再討論靜態(tài)場(chǎng)、時(shí)變場(chǎng)及電磁波的傳播與輻射特性．

在整個(gè)教學(xué)周期，將教學(xué)內(nèi)容橫向分為電磁場(chǎng)和電磁波兩大部分，其中電磁場(chǎng)分為靜態(tài)場(chǎng)與時(shí)變場(chǎng)，授課時(shí)突出時(shí)變場(chǎng)部分，以有旋電場(chǎng)假說(shuō)和位移電流假說(shuō)為基礎(chǔ)，通過(guò)高斯散度定理與斯托克斯定理的聯(lián)系，導(dǎo)出經(jīng)典電磁理論的核心“麥克斯韋方程組”，由此討論時(shí)變場(chǎng)的性質(zhì)，把靜態(tài)場(chǎng)看成是時(shí)變場(chǎng)的一種特殊情況．通過(guò)對(duì)靜態(tài)場(chǎng)中的靜電場(chǎng)、恒定電場(chǎng)、恒定磁場(chǎng)的分析，其內(nèi)容和大學(xué)物理中的電學(xué)、磁學(xué)的部分內(nèi)容有重疊；而這三種場(chǎng)在講授過(guò)程、講解思路上非常相似．所以先從學(xué)生熟悉的庫(kù)倫定律入手著重講解靜電場(chǎng)，然后采取類(lèi)比教學(xué)的方法講解其他場(chǎng)，使學(xué)生學(xué)習(xí)起來(lái)有參照，用已經(jīng)掌握的知識(shí)導(dǎo)入新課內(nèi)容，學(xué)生較容易接受，便于知識(shí)的吸收．這樣處理的好處有兩點(diǎn)：1) 避免與大學(xué)物理中電磁學(xué)內(nèi)容的重合，學(xué)生不會(huì)感覺(jué)重復(fù)厭煩，同時(shí)大大壓縮了課時(shí)．電磁場(chǎng)這部分的教學(xué)時(shí)間約占總課時(shí)的1/3，相對(duì)“電磁場(chǎng)”而言，“電磁波”的內(nèi)容得到了強(qiáng)化．2) 適當(dāng)降低了學(xué)生的學(xué)習(xí)難度．這樣就有更多的時(shí)間用于講授與電子、通信領(lǐng)域相關(guān)的知識(shí)和實(shí)際工程應(yīng)用方面的內(nèi)容，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也更加符合電子信息工程專(zhuān)業(yè)的人才培養(yǎng)需求．

在縱向上，將教學(xué)內(nèi)容分為3大部分：1) 基本概念、定律、公式；2) 典型的分析計(jì)算方法；3) 工程實(shí)際應(yīng)用案例．第一部分的內(nèi)容要讓學(xué)生清楚地知道本門(mén)課程要理解和掌握的概念、三維現(xiàn)象和規(guī)律、公式，熟悉相關(guān)的定義和術(shù)語(yǔ)．在教學(xué)中盡可能采取板書(shū)推導(dǎo)公式，結(jié)合動(dòng)畫(huà)、視頻、仿真軟件等多媒體資源，力圖讓復(fù)雜抽象的現(xiàn)象具體化，概念清晰化，公式簡(jiǎn)單易記化；對(duì)第二部分的內(nèi)容，每一個(gè)知識(shí)點(diǎn)選擇一個(gè)對(duì)應(yīng)的典型例題，進(jìn)行深入分析講解與討論，同時(shí)選取合適的習(xí)題讓學(xué)生練習(xí)，深化對(duì)第一部分內(nèi)容的理解．考慮到電磁場(chǎng)問(wèn)題的復(fù)雜性，習(xí)題的選取可獨(dú)立完成，也可團(tuán)隊(duì)合作，目的是使學(xué)生可以獨(dú)立地探索，更好地掌握課程內(nèi)容，理解科學(xué)研究中的理性精神．第三部分工程實(shí)際應(yīng)用案例講解，講授與本專(zhuān)業(yè)相關(guān)的電磁場(chǎng)與電磁波知識(shí)及應(yīng)用的典型例子，讓學(xué)生了解這門(mén)課程能夠應(yīng)用于解決實(shí)際生活中有關(guān)工程問(wèn)題，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣．通過(guò)這3部分的學(xué)習(xí)，學(xué)生對(duì)這門(mén)課程的知識(shí)體系結(jié)構(gòu)、重難點(diǎn)、工程應(yīng)用有很好的了解，學(xué)習(xí)目標(biāo)明確，學(xué)習(xí)自然輕松不少！

2 多元化的教學(xué)

2.1 課程導(dǎo)入教學(xué)

教學(xué)導(dǎo)人，目的是激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，啟發(fā)和引導(dǎo)學(xué)生的思維，讓學(xué)生用最短的時(shí)間進(jìn)入到課堂教學(xué)的最佳狀態(tài)中去．在以往的教學(xué)中我們比較重視課程本身的內(nèi)容，而忽視獲得知識(shí)的過(guò)程及科學(xué)的研究方法；強(qiáng)調(diào)知識(shí)本身的邏輯，忽視獲得這些知識(shí)的歷史線索，這些都不利于培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和研究能力[2]．電磁場(chǎng)、電磁波與日常生活聯(lián)系十分緊密，小到家庭電器、每日不離的手機(jī)，大到現(xiàn)代信息傳輸、衛(wèi)星、交通、軍事等等，教學(xué)中我們從身邊的實(shí)例入手，講授相關(guān)技術(shù)的發(fā)展歷史與趨勢(shì)以及在經(jīng)濟(jì)、生活和軍事等領(lǐng)域中的應(yīng)用，讓學(xué)生對(duì)這門(mén)課程具有濃厚興趣，感覺(jué)學(xué)有所用；對(duì)于相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)可以以課前習(xí)題、科技小報(bào)告和小論文的形式讓學(xué)生提前參與，例如，在講均勻平面波在無(wú)界空間中的傳播時(shí)，課前可以布置關(guān)于“電磁波的傳播”的科技小論文，也可設(shè)幾個(gè)課前小習(xí)題：1) 什么是平面波？2) 什么是良導(dǎo)體，良導(dǎo)體與理想導(dǎo)體有何區(qū)別？3) 什么是波的極化？等等，提高學(xué)習(xí)的興趣和自主學(xué)習(xí)能力，同時(shí)課上的互動(dòng)性也能得到提高．俗語(yǔ)說(shuō)：良好的開(kāi)端是成功的一半，如果課題引入得恰當(dāng)、生動(dòng)，課堂的教學(xué)效果將事半功倍．

2.2 類(lèi)比與歸納教學(xué)

類(lèi)比教學(xué)是一種比較教學(xué)，在“電磁場(chǎng)與電磁波”課程中引入類(lèi)比的教學(xué)策略，不但可以提高教學(xué)效率，壓縮課時(shí)，從教學(xué)效果看，學(xué)生也相對(duì)容易接受新知識(shí)[3]．靜電場(chǎng)、恒定電場(chǎng)和恒定磁場(chǎng)在教學(xué)內(nèi)容上有很多的相似點(diǎn)，都可以沿著“場(chǎng)的基本概念→場(chǎng)的方程→場(chǎng)函數(shù)及邊界條件→能量”這種基本思路展開(kāi)講授，重點(diǎn)講授靜電場(chǎng)的內(nèi)容，然后應(yīng)用類(lèi)比教學(xué)的方法相互比較多種具有對(duì)稱(chēng)性和可比性的概念和理論[3-4]，如“靜電比擬”“極化與磁化”“邊界條件”“場(chǎng)方程和場(chǎng)的性質(zhì)”的比較等方面來(lái)講授恒定電場(chǎng)和恒定磁場(chǎng)．講授均勻平面波在導(dǎo)電媒質(zhì)中的傳播時(shí)，從“波的傳播方向、傳播速度、振幅、波阻抗、平均磁場(chǎng)能量密度”進(jìn)行類(lèi)比，從而得到平面波在3種介質(zhì)中傳播的特點(diǎn)．利用類(lèi)比的方法能更加形象、直觀地傳授知識(shí)點(diǎn)，步步深入，啟發(fā)學(xué)生創(chuàng)造性思維．

歸納總結(jié)也十分重要，每學(xué)完一章后，按知識(shí)的邏輯關(guān)系進(jìn)行歸納總結(jié)，這也是學(xué)生再認(rèn)識(shí)的過(guò)程．課程中需要學(xué)生掌握的定理、公式比較多，歸納總結(jié)要重點(diǎn)突出，能反映相關(guān)概念規(guī)律間的聯(lián)系與區(qū)別，展現(xiàn)知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，簡(jiǎn)明扼要[3]．教師應(yīng)指導(dǎo)學(xué)生開(kāi)拓思維，將類(lèi)比與歸納總結(jié)相結(jié)合．例如矢量分析這一章上完后，可將矢量場(chǎng)和標(biāo)量場(chǎng)、有旋場(chǎng)與無(wú)散場(chǎng)對(duì)比分析，歸納出本章的三度(梯度、旋度、散度)公式和兩定理(散度定理和斯托克斯定理)，使枯燥復(fù)雜的定理、公式便于理解、記憶和應(yīng)用．

2.3 引入案例教學(xué)

運(yùn)用案例教學(xué)，可以提高學(xué)生分析和解決問(wèn)題的能力．在實(shí)際教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，將大量的課時(shí)用在概念的講授、公式的推導(dǎo)、計(jì)算方法的灌輸上，既浪費(fèi)課時(shí)，教學(xué)效果也差．但在教學(xué)環(huán)節(jié)中大量引入實(shí)例，通過(guò)講解實(shí)際工程應(yīng)用例題，反而使抽象的概念和方法具體化，活躍了課堂氛圍，大大激發(fā)了學(xué)生的求知欲和創(chuàng)新動(dòng)力．在講電磁波的傳播時(shí)，先讓學(xué)生觀看聲波和水波的相關(guān)視頻，然后提出問(wèn)題：一個(gè)點(diǎn)源所發(fā)射的電磁波的等相位面是什么樣？學(xué)生有感而發(fā)，暢所欲言，此時(shí)再引入平面電磁波的概念，學(xué)生對(duì)波陣面、平面波等概念很好理解，記憶深刻．在講電磁波的極化時(shí)先引入兩個(gè)案例：1) 在用手機(jī)打電話時(shí)，信號(hào)不清晰，你會(huì)怎么做？2) 收聽(tīng)調(diào)頻廣播時(shí)，收音機(jī)的天線調(diào)到怎樣的位置能使收聽(tīng)的節(jié)目最清晰？通過(guò)這兩案例，學(xué)生知道波的傳播是有方向性的，如何接收信號(hào)和波的極化方式有關(guān)，這樣他們對(duì)電磁波的極化有了深入的了解，也掌握了實(shí)際工程應(yīng)用．在案例式教學(xué)過(guò)程中，不必拘泥于非要教師準(zhǔn)備案例和講解，也可以讓學(xué)生全程參與，從感興趣的知識(shí)點(diǎn)入手到資料的收集、整理和講解，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和自主學(xué)習(xí)的積極性，取得較為理想的教學(xué)效果．

2.4 演示教學(xué)

電磁場(chǎng)與電磁波內(nèi)容比較抽象枯燥，通過(guò)使用軟件、圖片、動(dòng)畫(huà)、視頻等演示教學(xué)手段能夠?qū)⒊橄蟮睦碚撝庇^地表現(xiàn)出來(lái)，增強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，加強(qiáng)對(duì)概念的理解程度和對(duì)知識(shí)點(diǎn)的記憶效果，有利于重點(diǎn)的突出和難點(diǎn)的突破[4-5]．例如電磁場(chǎng)的分布、電偶極子電位分布、靜電場(chǎng)的邊值問(wèn)題、駐波等知識(shí)涉及到大量的數(shù)學(xué)推導(dǎo)和復(fù)雜的計(jì)算，僅靠板書(shū)教學(xué)學(xué)生無(wú)法理解和掌握，利用MATLAB軟件在線演示，分布圖形動(dòng)態(tài)形象，使學(xué)生獲得直觀的深刻印象，大大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率．講到電磁波的圓極化時(shí)，學(xué)生對(duì)極化，左旋、右旋圓極化的概念很難了解，這時(shí)利用Flash動(dòng)畫(huà)把電場(chǎng)強(qiáng)度矢量的端點(diǎn)隨時(shí)間變化的軌跡、旋轉(zhuǎn)方向形象地演示出來(lái)，幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)和理解．這樣一些很難用語(yǔ)言來(lái)描述的概念和理論就變得容易了．合理地利用網(wǎng)絡(luò)視頻，布置相關(guān)的內(nèi)容，讓學(xué)生課外觀看和學(xué)習(xí)，并撰寫(xiě)相關(guān)的小報(bào)告，既節(jié)省課時(shí)，學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性也得到加強(qiáng)．所以采用演示教學(xué)手段使得抽象枯燥的內(nèi)容變得形象而生動(dòng)，復(fù)雜的物理過(guò)程變得簡(jiǎn)單直觀，使難教難學(xué)的課程變得容易起來(lái)．

3 靈活考核評(píng)價(jià)

教改前電磁場(chǎng)與電磁波課程的成績(jī)主要以平時(shí)成績(jī)和期末閉卷考試成績(jī)?yōu)樵u(píng)定依據(jù)，其中平時(shí)成績(jī)占30 %，包括出勤、筆記、作業(yè)完成情況等．期末閉卷考試成績(jī)?yōu)?0 %．這樣的評(píng)價(jià)機(jī)制不能完全反映學(xué)生的學(xué)習(xí)水平，抑制了學(xué)生的創(chuàng)造欲，導(dǎo)致學(xué)生高分低能．教改中筆者以多種方式來(lái)評(píng)價(jià)學(xué)生的成績(jī)：1) 學(xué)習(xí)成績(jī)．考核對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解和掌握情況．2) 專(zhuān)題研究(案例教學(xué))．考核學(xué)生的知識(shí)運(yùn)用能力、鉆研精神．3) 課前習(xí)題．考核學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性．4) 科技小論文．考核學(xué)習(xí)積極性和創(chuàng)新性．考核成績(jī)時(shí)，以這幾個(gè)方面綜合評(píng)價(jià)，表現(xiàn)突出者給予一定的獎(jiǎng)勵(lì)．注重學(xué)生平時(shí)努力學(xué)習(xí)的過(guò)程，鼓勵(lì)學(xué)生展現(xiàn)自我、發(fā)掘自我能力、培養(yǎng)學(xué)習(xí)興趣和發(fā)揮主觀能動(dòng)性，全面客觀地進(jìn)行成績(jī)?cè)u(píng)定．

本文針對(duì)電磁場(chǎng)與電磁波課程的特點(diǎn)，以培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣及主動(dòng)性，增強(qiáng)教學(xué)效果為目標(biāo)，從教學(xué)內(nèi)容的改革、豐富教學(xué)方法、靈活考核機(jī)制等方面，提出了改革教學(xué)模式，提高教學(xué)質(zhì)量的一些思路和想法．通過(guò)實(shí)踐，取得了較好的教學(xué)效果，學(xué)生對(duì)這門(mén)課程不再抵觸畏難，有了學(xué)習(xí)的興趣和動(dòng)力，能較好地深入學(xué)習(xí)和完成作業(yè)，考試不及格人數(shù)控制在10 %以下．學(xué)生也從準(zhǔn)備案例、撰寫(xiě)科技小論文中得到了鍛煉，通過(guò)查找文獻(xiàn)學(xué)習(xí)新的理論、技術(shù)，增強(qiáng)了分析問(wèn)題、解決實(shí)際問(wèn)題的能力，為電磁場(chǎng)與電磁波的相關(guān)技術(shù)及后續(xù)課程的學(xué)習(xí)奠定了基礎(chǔ)．

[1] 李文翔,熊慶國(guó).“電磁場(chǎng)與電磁波”課程教學(xué)方法改革研究[J].中國(guó)冶金教育,2007,22(6):26-28.

[2] 田秀榮,桂志國(guó).電磁場(chǎng)與電磁波課程教學(xué)改革探索[J].安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):社會(huì)科學(xué)版,2010,27(1):137-139.

[3] 黃麟舒,柳超.疑難課程“電磁場(chǎng)與電磁波”中類(lèi)比教學(xué)方法的探索[J].中國(guó)電力教育,2013(23):68-69,77.

[4] 楊紅軍,運(yùn)高謙.“電磁場(chǎng)與電磁波”課程教學(xué)改革的探索[J].中國(guó)冶金教育,2010(16):72-73.

[5] 陳宇,崔煒,趙爽.“電磁場(chǎng)與電磁波”課程教學(xué)方法探討[J].教育與職業(yè),2011(12):167-168.

Teaching Reform and Practice in the Course of Electromagnetic Field and Wave

XIE Hua

(College of Mechanical Engineering, Sanming University, Sanming, Fujian 351000, China)

The electromagnetic field and electromagnetic wave is a major foundation course in electronic information specialty. Through the analysis of present situation and difficulty in course teaching, the curriculum and teaching methods are reformed with the goal of developing students' interest in learning and practical abilities. It introduces a new idea of teaching model reform for improving teaching quality, that is, from the longitudinal and transversal optimization of teaching contents, the course induction, analogy and conclusion, case teaching, presentations and many other multiple teaching methods to a flexible assessment method.

electromagnetic field and electromagnetic wave; course; teaching reform

(責(zé)任編校：李建明 英文校對(duì)：李玉玲)

10.3969/j.issn.1673-2065.2015.01.031

G642

A

1673-2065(2015)01-0112-03

2014-07-20

三明學(xué)院教育教學(xué)改革工程項(xiàng)目(L1114/Q)

謝 華(1975-)，女，福建上杭人，三明學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院講師，工學(xué)碩士．