李海 于文莉 王平建 魏書田

摘 要 “工程電磁場理論”是高校電子信息類專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課程，重點(diǎn)闡述宏觀電磁場和電磁波的基本概念規(guī)律、基本性質(zhì)等理論及在工程中的應(yīng)用。結(jié)合該課程特點(diǎn)以及教學(xué)中存在的實(shí)際問題，我們探索出一套行之有效的課堂教學(xué)模式。在實(shí)際的教學(xué)中起到了較好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞 工程電磁場 教學(xué)方法 教學(xué)改革

中圖分類號：G424 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A?? DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2015.09.063

Research and Practice on the Theory of Engineering Electromagnetics

LI Hai[1]， YU Wenli[2]， WANG Pingjian[1]， WEI Shutian[1]

（[1] College of Information and Electronic Engineering，

Shandong Institute of Business & Technology， Yantai， Shandong 264005;

[2]College of Computer Science and Technology，

Shandong Institute of Business & Technology， Yantai， Shandong 264005）

Abstract "Theory of Engineering Electromagnetics" is a major basic course for electronic information specialty in high school， which mainly introduces the basic concepts， rules and the properties of electromagnetic field on the engineering applications. Combed with the features of discipline and the problems existing in the teaching practice we find an effective classroom teaching pattern which could improve the teaching quality highly.

Key words Engineering Electromagnetics; teaching methods; teaching reform

0 引言

關(guān)于電磁現(xiàn)象及其電磁理論的研究最早可以追溯至18世紀(jì)。隨著麥克斯韋電磁理論的建立以及現(xiàn)代科技的發(fā)展，電磁場理論已越來越廣泛地滲透到了通信、醫(yī)療、科學(xué)研究等人類生活的各個方面。因此，“工程電磁場理論”被物理、通信、控制、光電、遙感等眾多理工類專業(yè)列為專業(yè)基礎(chǔ)課而開設(shè)。

“工程電磁場理論”課程主要涵蓋宏觀電磁場的基本性質(zhì)和變化規(guī)律、電磁場與物質(zhì)間的相互作用以及場的基本分析方法。通過對本課程的學(xué)習(xí)，希望使學(xué)生掌握電磁理論基本概念與規(guī)律，為后續(xù)課程如電磁兼容，天線理論等學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ);同時，培養(yǎng)學(xué)生利用場的思維方式去分析和解決一些實(shí)際工程問題的能力。然而，在我們的實(shí)際教學(xué)過程中卻碰到了各種問題，影響著教學(xué)質(zhì)量的提高。如何能有效地提高工程電磁場理論課程的教學(xué)質(zhì)量一直是許多高校教師關(guān)注的課題。經(jīng)過多年的教學(xué)探索實(shí)踐，我們找到了一些有益的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)與方法對提高教學(xué)質(zhì)量非常有效。

1 工程電磁場理論課堂教學(xué)問題分析

在工程電磁場的實(shí)踐教學(xué)過程中，我們發(fā)現(xiàn)對課程教學(xué)形成壓力和問題的因素大體可歸納為以下幾個方面：（1）當(dāng)前課程改革引起教學(xué)課時大幅減少的壓力。根據(jù)我校課程改革計劃工程電磁場理論課程教學(xué)課時設(shè)置為32學(xué)時。如何在這么少的課時內(nèi)完成本課程的教學(xué)任務(wù)并使學(xué)生有效地掌握各知識點(diǎn)，這一直是許多教師面臨的問題;（2）本課程教學(xué)內(nèi)容的特點(diǎn)給學(xué)生順利學(xué)習(xí)帶來的壓力和問題。與大學(xué)物理和電路等課程相比，本課程具有涉及數(shù)學(xué)知識較多，理論推導(dǎo)復(fù)雜以及物理概念更抽象等特點(diǎn)。①②③因此，在學(xué)習(xí)的過程中許多學(xué)生有種畏懼的心理，特別是對數(shù)學(xué)基礎(chǔ)掌握的不扎實(shí)的學(xué)生會感到本課程越學(xué)越難并很容易中途產(chǎn)生放棄繼續(xù)學(xué)習(xí)的想法;（3）學(xué)生對本課程重要性認(rèn)識不足以及在學(xué)習(xí)過程中積極性的缺乏。一些學(xué)生經(jīng)常片面地認(rèn)為課時少的課程一般不重要，往往表現(xiàn)出思想渙散、課堂上注意力不集中以及不認(rèn)真完成課后作業(yè)等問題;（4）傳統(tǒng)單一的教學(xué)模式和教學(xué)方法未能有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。經(jīng)過多年的不斷探索實(shí)踐，我們發(fā)現(xiàn)在工程電磁場教學(xué)的過程中沿用傳統(tǒng)的教學(xué)方式如僅僅采用粉筆加黑板或多媒體課件教學(xué)方式，往往給學(xué)生學(xué)習(xí)帶來不同的困難。前者容易使學(xué)生陷入繁雜數(shù)學(xué)的推導(dǎo)中從而忽略對物理圖像以及實(shí)際應(yīng)用的直觀認(rèn)識;后者則由于教學(xué)速度快，信息量大以及教學(xué)內(nèi)容多等特點(diǎn)，使得許多學(xué)生在課堂上的思路跟不上教師從而嚴(yán)重影響課堂教學(xué)效果。此外，采用多媒體授課由于包含更多的授課內(nèi)容和信息量，若處理不當(dāng)很容易給學(xué)生消化所學(xué)內(nèi)容帶來困難。以上這些是我們在實(shí)際課堂教學(xué)過程中經(jīng)常碰到的問題。

2 課堂教學(xué)方法探索與改革

基于以上課堂教學(xué)中存在的各種困難與問題，我們重點(diǎn)圍繞學(xué)生、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)手段和模式等幾個個角度進(jìn)行了探索與改革。

（1）調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，充分重視第一次課堂教學(xué)?；陔姶艌隼碚撨@門課程的最突出的特點(diǎn)：數(shù)學(xué)與物理高度結(jié)合、物理概念較為抽象且物理圖像不易建立等，我們應(yīng)充分備好第一次課，包括查閱電磁場研究進(jìn)展文獻(xiàn)、收集電磁場在工程以及生活中各方面的應(yīng)用實(shí)例和視頻材料等并精心組織材料、撰寫講稿和制作多媒體課件。通過對電磁場理論發(fā)展歷史和趣事講解、電磁場在工程和科技應(yīng)用中的視頻動畫演示（如靜電噴涂、避雷針的實(shí)際安裝、高壓作業(yè)、磁懸浮技術(shù)應(yīng)用以及電磁彈射與微波武器等）、課堂交流互動等多種有趣的形式將電磁場理論在我們?nèi)粘Ｉ钜约翱茖W(xué)研究中的重要性最大程度地展現(xiàn)給學(xué)生，讓學(xué)生感受到電磁場的有趣性和重要性并初步形成對電磁場整體的感性認(rèn)識。通過第一次課堂教學(xué)，我們要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)不僅僅是讓學(xué)生簡單理解電磁理論發(fā)展歷史，更重要的是充分激發(fā)學(xué)生對電磁場的興趣，為學(xué)生在后續(xù)知識學(xué)習(xí)中提供足夠的動力。正如人們常說的“一日之際在于晨，一年之際在于春”，那么要使學(xué)生保持一種持續(xù)良好的學(xué)習(xí)勢頭，第一次課堂教學(xué)則顯得更加重要。

（2）合理選擇教材、有效組織教學(xué)內(nèi)容。面對教學(xué)改革帶來的較短授課時數(shù)的壓力，如何協(xié)調(diào)授課內(nèi)容和課時量之間矛盾是我們必須考慮的問題。首先，在教材選取方面要結(jié)合所教授專業(yè)和授課學(xué)時數(shù)量對教材進(jìn)行合理選擇。教材選擇要重點(diǎn)考慮幾個方面：（1）教材重點(diǎn)教學(xué)內(nèi)容設(shè)置是否與所教專業(yè)更吻合;（2）教材結(jié)構(gòu)安排和知識點(diǎn)闡述等是否清晰簡潔便于學(xué)生自學(xué);（3）教材中重點(diǎn)內(nèi)容設(shè)置是否完整且合適相應(yīng)學(xué)時的授課等。其次，在教學(xué)過程中，我們一般選擇一些比較經(jīng)典的電磁場理論方面的教材如《電磁場與電磁波》（謝處方、饒克謹(jǐn)著），④《工程電磁場原理》（倪光正著），⑤《工程電磁場（英文版）》（Hayt，W.H，Buck，J.A）⑥和《Elements of Engineering Electromagnetics》（Rao， N. N， 6th Ed）⑦等作為參考，對課堂教學(xué)中的部分知識點(diǎn)進(jìn)行擴(kuò)充，促進(jìn)學(xué)生對某些概念、規(guī)律更加深入的認(rèn)識;同時，我們也通過網(wǎng)絡(luò)搜索和查閱一些相關(guān)電子期刊文獻(xiàn)了解電磁場在工程應(yīng)用中的最新進(jìn)展，并將其在相應(yīng)的理論學(xué)習(xí)中引入介紹，不僅有助于學(xué)生對理論知識的深入認(rèn)識、開闊他們的視野而且也有助于理論與實(shí)踐結(jié)合提高他們學(xué)習(xí)的興趣。最后，結(jié)合教材和參考資料認(rèn)真撰寫講義，列出每節(jié)課的教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)并根據(jù)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計相應(yīng)的教學(xué)方法。此外，為便于學(xué)生學(xué)習(xí)和理解，有時需要根據(jù)自己對教學(xué)內(nèi)容的理解適當(dāng)調(diào)整和重新組合各知識點(diǎn)的教學(xué)次序。如在介紹麥克斯韋微分方程組時多數(shù)教材都將四個方程分別作為獨(dú)立的內(nèi)容引出，這樣顯得有些零散;我們發(fā)現(xiàn)：如果在講授完通量和環(huán)量積分以及散度和旋度定理之后就可以在引導(dǎo)的基礎(chǔ)上讓學(xué)生從兩個積分公式（通量積分和環(huán)量積分）出發(fā)自己來導(dǎo)出麥克斯韋方程組，然后再對各方程暗含的電磁特性進(jìn)行分析說明則效果更好。這不僅讓學(xué)生體驗(yàn)了麥克斯韋方程組如何得來而且也使重點(diǎn)內(nèi)容更加突出利于學(xué)生對麥克斯韋方程組的深刻理解。

（3）結(jié)合教學(xué)內(nèi)容教學(xué)方法多樣化。在教學(xué)的過程中，如果我們一味地采用傳統(tǒng)的板書教學(xué)或過分依賴多媒體全部內(nèi)容都采用PPT進(jìn)行講授則很容易讓學(xué)生感到枯燥并產(chǎn)生畏難情緒。因此，為調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，充分發(fā)揮課堂教學(xué)的效率，我們需根據(jù)各部分教學(xué)內(nèi)容的特點(diǎn)設(shè)計相應(yīng)的教學(xué)方法，如在講授電磁場的“場”和“源”的關(guān)系、靜電場和恒定磁場的特性時，我們可以運(yùn)用“比擬法”和“類比法”進(jìn)行講解;關(guān)于電磁波傳播特性的講授中，可以充分利用視頻演示與理論推導(dǎo)結(jié)合的方法進(jìn)行：在首先提出問題（電磁波在不同介質(zhì)中有何特性？）的基礎(chǔ)上，進(jìn)行電磁波在不同媒質(zhì)中傳播的視頻演示（如高頻淬火、微波爐加熱和海水中通信等），最后進(jìn)行傳播特性的理論推導(dǎo)說明;在講授利用鏡像法和分離變量法求解工程問題中，除通過板書推導(dǎo)展示問題的處理方法外，最好利用 Matlab 或 Mathematic 軟件進(jìn)行問題仿真以展示和分析場的分布特征等;此外，基于問題的啟發(fā)式教學(xué)也是我們常用的一種教學(xué)方法，此方法針對某具體問題的拓展模型教學(xué)中特別適用，如點(diǎn)電荷或線電荷分布對不同特征的金屬導(dǎo)體球與面的鏡像以及點(diǎn)位、電場分布特征的討論等。在教學(xué)方法的設(shè)計上，沒有固定形式但要遵循幾點(diǎn)原則：（1）講授的知識要點(diǎn)突出，比擬、類比運(yùn)用恰當(dāng);（2）對于需要進(jìn)行理論推導(dǎo)的部分盡力簡潔并重點(diǎn)注重對所推導(dǎo)數(shù)學(xué)表達(dá)式反映的物理含義以及表達(dá)式適用范圍和條件的闡述與說明;（3）在教師引導(dǎo)下能有效調(diào)動學(xué)生的積極性，使課堂能體現(xiàn)“學(xué)生為主體”的指導(dǎo)思想。

3 結(jié)束語

工程電磁場理論在電子信息類專業(yè)中占據(jù)著非常重要的地位，如何能夠有效地提高工程電磁場理論的教學(xué)質(zhì)量——為相關(guān)專業(yè)學(xué)生打好理論基礎(chǔ)并提高他們分析、解決實(shí)際問題的能力，這一直是許多高校教師不斷探索實(shí)踐的一個問題。本文通過對電磁場理論課堂教學(xué)實(shí)踐的歸納與總結(jié)，希望能為提高高校工程電磁場理論課堂教學(xué)提供有益的參考。

基金項(xiàng)目：山東省自然基金項(xiàng)目（編號：ZR2013AQ013，ZR2013AL014）;山東工商學(xué)院博士啟動項(xiàng)目（編號：BS201418）

注釋

① 田雨波，張貞凱.“電磁場理論”教學(xué)改革初探[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2008.30（1）：11-13.

② 張華美，徐立勤.“電磁場理論”課程教學(xué)的幾點(diǎn)認(rèn)識[J].科技信息，2010（14）：3.

③ 彭麟，姜興.中美高校電磁場教學(xué)比較研究[J].中國電力教育，2014（17）：73-74.

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

⑤ 倪光正.工程電磁場原理（第2版）[M].北京：高等教育出版社，2009.

⑥ Hayt，W.H，Buck，J.A.工程電磁場（英文版）（第7版）[M].北京：清華大學(xué)出版社，2009.

⑦ Rao， N. N. Elements of Engineering Electromagnetics[M].6th Ed. Pearson Prentice Hall;Upper Saddle River，NJ，2004.