任儀+尹波+周建梅

【摘要】《電磁場(chǎng)與電磁波》是電子信息類本科專業(yè)學(xué)習(xí)中較難掌握的一門課程，具有物理概念多、理論抽象等特點(diǎn)。電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算方法基于電磁場(chǎng)基本理論，通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助程序計(jì)算和描述電磁場(chǎng)與電磁波的行為與動(dòng)力學(xué)特征，將枯燥的公式和物理現(xiàn)象轉(zhuǎn)化成數(shù)字化或圖像視覺(jué)描述，幫助學(xué)生理解電磁現(xiàn)象與基本概念，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，是電磁場(chǎng)理論教學(xué)的重要輔助教學(xué)方法。

【關(guān)鍵詞】數(shù)值計(jì)算 電磁場(chǎng)與電磁波 理論教學(xué)

【中圖分類號(hào)】G64 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2017）25-0246-01

《電磁場(chǎng)與電磁波》是國(guó)內(nèi)外公認(rèn)的電子信息類專業(yè)課程中一門難教難學(xué)的課程，在教學(xué)實(shí)踐中存在巨大挑戰(zhàn)。目前，在國(guó)內(nèi)外教學(xué)中，為提高電磁場(chǎng)教學(xué)效果，加深學(xué)生對(duì)抽象概念和現(xiàn)象的理解，除理論教學(xué)外，還普遍采用輔助教學(xué)手段或增加輔助教學(xué)環(huán)節(jié)。目前所采用的輔助教學(xué)環(huán)節(jié)有：在課堂教學(xué)環(huán)節(jié)中，運(yùn)用仿真軟件、影視圖象及多媒體課件等，通過(guò)可視化的方式加強(qiáng)學(xué)生對(duì)抽象現(xiàn)象的理解；通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)及加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐訓(xùn)練等，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)電磁場(chǎng)現(xiàn)象和工程應(yīng)用的理解。然而，上述輔助教學(xué)環(huán)節(jié)雖具有一定效果，但仍然不可避免地使得學(xué)生停留于被動(dòng)學(xué)習(xí)的模式中，難以調(diào)動(dòng)學(xué)生主動(dòng)思維和學(xué)習(xí)積極性，實(shí)踐上仍需要進(jìn)一步改進(jìn)。

電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算方法是通過(guò)計(jì)算程序語(yǔ)言編程，基于電磁基本方程，計(jì)算和分析特定邊界條件下的電磁場(chǎng)空間分布的方法。其計(jì)算機(jī)編程的特性可有效地提高學(xué)生的主動(dòng)思維能力，并結(jié)合編程的靈活性與主觀能動(dòng)性，達(dá)到調(diào)動(dòng)學(xué)生主動(dòng)思考和提高學(xué)習(xí)積極性的目的。

1.電磁場(chǎng)理論教學(xué)的主要難點(diǎn)

《電磁場(chǎng)與電磁波》課程的主要授課對(duì)象為電子信息類專業(yè)本科生，為典型的工科類專業(yè)。該專業(yè)以培養(yǎng)高水平的電子信息專業(yè)技術(shù)人才為目標(biāo)，因此，該專業(yè)學(xué)生所學(xué)習(xí)專業(yè)基礎(chǔ)課均以工程應(yīng)用類課程為主，造成學(xué)生的理論和抽象思維能力較弱，難以適應(yīng)公式多、概念抽象的電磁場(chǎng)理論教學(xué)。此外，電磁場(chǎng)理論教學(xué)對(duì)物理和數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求也較高，許多概念和公式即來(lái)源于數(shù)學(xué)和物理的基本理論，使得部分?jǐn)?shù)理基礎(chǔ)較弱的學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)感覺(jué)難度極大，造成教學(xué)效果較差。此外，該課程教學(xué)信息量大，而通常的理論課程教學(xué)僅有56或48學(xué)時(shí)，使得在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)從基本的場(chǎng)論分析擴(kuò)展到電磁波應(yīng)用難度極大，這也成為該課程理論教學(xué)的難點(diǎn)之一。

2.采用電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算輔助教學(xué)的可行性分析

針對(duì)電磁場(chǎng)理論教學(xué)和工科專業(yè)的特點(diǎn)，為提高教學(xué)效果，有必要提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)思維能力，而目前的輔助教學(xué)手段還難以達(dá)到該目的。目前，通過(guò)近4年的教學(xué)研究和教學(xué)實(shí)踐，筆者通過(guò)強(qiáng)化電磁場(chǎng)教學(xué)中的電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算方法的講解和應(yīng)用，有效地提高了學(xué)生對(duì)該課程的理解，改善教學(xué)效果。采用電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算輔助教學(xué)的可行性原因主要包括：首先，電子信息類專業(yè)學(xué)生普遍對(duì)計(jì)算機(jī)編程之類的實(shí)用性知識(shí)感興趣，而對(duì)于抽象的理論概念則感覺(jué)乏味，因此，采用計(jì)算機(jī)編程結(jié)合電磁場(chǎng)概念的方式將有助于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；其次，電磁場(chǎng)理論教學(xué)中存在大量的公式，而此類公式往往不具有工程應(yīng)用性，而電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算僅基于基本公式，回避了繁瑣的公式推導(dǎo)，從而有利于學(xué)生理解此類公式；第三，電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算通常是結(jié)合應(yīng)用性問(wèn)題進(jìn)行分析，幫助學(xué)生從工程應(yīng)用的角度理解電磁場(chǎng)問(wèn)題；最后，電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算的后續(xù)處理方式靈活，可以更直觀的形式表現(xiàn)電磁場(chǎng)與波的行為特征，增加了學(xué)生對(duì)電磁場(chǎng)基本理論和公式的理解。

3.教學(xué)實(shí)踐總結(jié)

筆者通過(guò)4年的教學(xué)實(shí)踐，加強(qiáng)電磁場(chǎng)理論教學(xué)中數(shù)值方法的講解和應(yīng)用，有效地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)思維能力，取得了較好的教學(xué)效果。例如，通過(guò)讓學(xué)生用Matlab程序?qū)崿F(xiàn)二維有限差分法，并用該程序計(jì)算典型二維電磁問(wèn)題，與書中例題結(jié)果做比較（書中例題采用分離變量法求解），從而使學(xué)生從枯燥的公式推導(dǎo)中解脫出來(lái)，使其能夠直觀地看到電磁場(chǎng)的空間分布，驗(yàn)證了理論和程序結(jié)果的正確性。需要說(shuō)明的是，分離變量法需要應(yīng)用復(fù)雜的數(shù)學(xué)物理方法知識(shí)，并需要較高的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，技巧性很強(qiáng)，是傳統(tǒng)的電磁理論教學(xué)的難點(diǎn)之一。經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐和電磁場(chǎng)數(shù)值方法的強(qiáng)化講解，學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性明顯提高，對(duì)電磁場(chǎng)問(wèn)題的理解有所深入，課堂聽(tīng)課的專注性和提問(wèn)水平也明顯提高。此外，反映在最終的考試成績(jī)上，學(xué)生的平均測(cè)試成績(jī)約提高15分左右，教學(xué)效果明顯。

現(xiàn)有實(shí)踐表明通過(guò)電磁場(chǎng)數(shù)值方法的強(qiáng)化教學(xué)，并結(jié)合電子信息專業(yè)學(xué)生的特點(diǎn)和電磁場(chǎng)理論教學(xué)的知識(shí)結(jié)構(gòu)與課程特色，將單調(diào)抽象的被動(dòng)式理論教學(xué)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)程序輔助的主動(dòng)式學(xué)習(xí)，極大地促進(jìn)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，更有部分優(yōu)秀學(xué)生在該課程的學(xué)習(xí)后選擇在該方向上繼續(xù)進(jìn)行學(xué)習(xí)研究。教學(xué)質(zhì)量也由此得到了提升，每年平均成績(jī)均有所提高。

在今后的教學(xué)中，我們要繼續(xù)緊跟電磁場(chǎng)理論發(fā)展的步伐，在教學(xué)內(nèi)容上及時(shí)補(bǔ)充更新，在教學(xué)方式上不斷探索、創(chuàng)新和改進(jìn)，使本門課程更加符合時(shí)代需求，更加易于學(xué)生學(xué)習(xí)理解，更加受歡迎。

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作者簡(jiǎn)介：

任儀，博士，重慶郵電大學(xué)光電工程學(xué)院副教授。