提高“电磁场与电磁波”课堂教学效果的实践研究

2012-01-27毛雷鸣

中国科技信息 2012年21期

关键词：电磁场电磁波公式

毛雷鸣

巢湖学院电子工程与电气自动化学院，安徽巢湖 238000

提高“电磁场与电磁波”课堂教学效果的实践研究

毛雷鸣

巢湖学院电子工程与电气自动化学院，安徽巢湖 238000

“电磁场与电磁波”是本科学校电子信息类专业必修的专业基础课，同时也是一门难学难教的课程。针对此课程的特点，该文从教学内容、教学效果、教学方法等方面对该课程教学经验进行了一系列总结，取得了较好的教学效果。

电磁场与电磁波；教学内容；教学方法；教学效果

引言

本科院校的“电磁场与电磁波”课程是电子信息类专业的专业基础课，在电子信息类专业中占有重要的地位。该课程是否学得好，基础是否牢固，直接影响以后通信原理、微波技术、天线原理、移动通讯、电磁兼容、及其他高频电子设备课程的学习。但是由于该课程知识面广，概念抽象，公式多，推导复杂，计算难度大等特点，对应用型本科院校的本科生来说，往往由于学生理论基础差，造成入门学习困难，难以将已经学好的数学知识和电磁场内容很好的结合，达到学以致用的目的；同时课本上繁多的公式也给很多学生的学习带来很大的困难，学生不清楚公式包含哪些物理意义，哪些公式重要，哪些需要熟记；此外，电磁场的三维特性和电磁波的波动性等抽象内容，要求学生要有较强的空间想象能力、抽象思维能力和逻辑推理能力，但是受传统教学手段仅仅使用公式描述参数之间关系，缺少图形描述，使教师无法生动、形象地展示给学生，这些都使得许多学生无法深入理解从这些模型中建立起来的许多概念，失去学习的积极性，从而影响整个课程的学习，考试不及格率较高[1]。因此需要教师在课堂教学过程中，结合学生的实际情况，及时对课程的教学方法进行改革和优化，把握学生特点，提高学生对本课程的兴趣，消除畏惧心理。

1 合理设置教学内容

巢湖学院《电磁场与电磁波》[2]教材选用的是成都电子科技大学谢处方教授新编教材的第四版，这是教育部推荐的100本优秀教材之一，至少需要80个学时。而我们每学期安排学时是64个，所以每个章节的内容不能面面俱到，要做一些必要的删减。课程安排上，首先讲解矢量分析，帮助学生巩固数学基础，明确矢量场和场源之间的数学关系；然后讲解电磁场的基本规律，对大学物理中已经介绍过的一些基本理论进行详细的复习和总结；以此为基础导出各类电磁问题满足的基本公式，即麦克斯韦方程组和时变电磁场边界条件。为了帮助电子信息类专业的学生掌握电磁理论的工程应用，及后续课程的学习[3]，将均匀平面电磁波在无界空间、均匀波导和均匀传输线中的传播加入教学中，使学生既能掌握基本理论，又能打下应用基础。由于时间限制，在学时安排上，针对应用型本科院校电子信息类专业的人才需求，强化“电磁波”的内容，适当压缩静态场部分，扩充电磁波部分，使两者授课时间达到2:5的比例；同时不过多重复“大学物理”课程中电磁学的相关内容，如安培定理是“大学物理”和“电磁场与电磁波”两门课程中的一个最基本的知识点，“大学物理”强调的是定理的推导，而“电磁场与电磁波”强调的是其微分形式，所以讲述时定理可依据“大学物理”直接给出，然后推导微分形式[4-5]。

2 将电磁理论的发展史融入教学之中

电磁场与电磁波是一门用数学工具来分析和解释物理现象的课程。大多数物理现象都有被前人发现认知的过程，从这些物理现象认识过程的背景出发，去介绍电磁场的知识，往往可以增加课程的生动性，增加学习兴趣。比如，介绍极化的时候，可以介绍安培提出分子电流的过程，结合历史背景使学生了解分子电流假说的意义和局限性；介绍电磁感应时，就可以讲述法拉第探索和发表电磁感应的经历及科拉顿跑失良机的故事，让学生了解到这一现象的产生过程，增加学生学习兴趣。

增加电磁场与电磁波相关的前沿介绍对电磁场教学也至关重要，一方面可以增加学生的认知兴趣；另一方面可以让学生看到电磁场发展的前景。例如在讲解平面电磁波的传播时，可以举出卫星通信、光线通信、蓝牙技术等实例、也可以列举最近出现的国际上非常热门的负折射率介质研究、电磁波的隐身技术等，大大激发了学生的学习兴趣[6]。

3 加强基本概念的理解

电磁场理论中一些概念、原理和结论都是通过繁杂的数学推导而得到的，如果详细讲解推导过程，不仅会浪费大量的时间，还会让学生感觉这门课枯燥、难以理解，从而产生畏惧的心理。另外，学生学习时，如果把大量的精力放在复杂的数学推导和公式记忆上，会忽略对基本概念和定理的理解，使学习仅仅停留在简单的死记硬背上，甚至一些简单的概念和定理都不能真正理解。所以授课时，减少公式推导过程，着重从物理意义的角度讲解，把公式的物理思想讲深讲透，重点对所得结论进行总结归纳，有意识地培养学生主动思维的能力。如果不注重基本物理概念的理解，即使掌握再多的数学技巧，遇到具体问题时，也会思路不清，无从下手。

4 加强教学中相似性的比较

电磁学中，某些电现象与磁现象本质上相异，但在现象上有很好的相似性，或在研究方法上十分相似。例如，矢量的散度和旋度的比较，真空中静电场和恒定磁场的比较，电偶极子和磁偶极子产生的电场和磁场的比较等内容。对结构相似的定理、定义与公式进行归纳，列出表格，对比相似点与差异点。当遇到这类知识时，利用电磁对偶关系，就很容易理解磁现象，通过相似性比较，有助于知识融会贯通，也便于学生记忆。

5 加强理论知识和工程实例的结合

学习一门新课程时，学生往往不知道为什么要学习这门课，学习这门课有什么用。为了解决这一问题，课堂教学的时，可以将应用背景与理论学习结合起来，通过启发学生思考，将课堂知识用于分析实际问题，不仅达到学以致用的目的，还能增强学生的学习积极性。例如，讲到电磁感应定理时，可以与学生一起讨论发电机和电磁炉的工作原理；在刚开始学习均匀平面波传播时，让学生自由列举现实生活中遇到的电磁波传播问题。再问学生:为什么海水中潜艇之间的通信困难？为什么在微波炉中不用金属盘子加热食物？手机放在微波炉中能接受到信号吗？中波广播天线架设为什么与地面垂直？电视卫星天线的尺寸不同收到的卫星信号相同吗？当讲授均匀平面波的反射与透射时，可以问学生:照相机镜头上为什么有一层敷层？怎样才能使雷达天线免受恶劣天气的影响？当学生带着他们无法解决的问题学习时，就会想尽快知道解决问题的方法。通过对应理论知识的讲授，学生对老师提出的问题有了较深的认识。经过不停地提出问题、解决问题的过程，学生对本课程学习的积极性会越来越高，兴趣越来越浓厚[7-8]。

6 多媒体教学和板书教学相结合

电磁场作为一种特殊的物质，看不见、摸不着的，特别抽象，所以对相应的一些概念和原理的理解也特别困难。在教学中涉及大量的随时间和空间变化的场分布图，这些图形不仅复杂，难于制作，而且还难于识别，难于理解；随着计算机的快速发展和广泛普及，作为老师，可以充分利用计算机强大的数值计算和图形处理功能、视觉功能，使用多媒体教学帮助在学生头脑中建立一些形象的三维空间模型，实现电磁场的可视化，将抽象、空洞的理论变得形象，让抽象思维和形象思维得到很好的结合，进而加深学生对授课内容的理解。力争做到生动、形象、更有效的理解和掌握基本概念、基本定律、基本公式和基本应用。例如，可以利用Maxwell仿真静电场的分布；利用Matlab软件仿真电磁场的极化和传播特性；利用HFSS或CST等软件仿真圆形波导中电磁波的传播或天线的辐射，将学习的重点、难点形象生动地展示出来。使用多媒体与板书相的教学方式，既能从视觉上激发学生的学习积极性，又能使学生对某些推导过程和理论知识有个更深刻的认知。