“电磁场与电磁波”课程内容的修改建议

2012-03-31李长胜林志立冯丽爽

电气电子教学学报 2012年6期

李长胜，林志立，冯丽爽

(北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京 100191)

自2011年起，我校为光电信息工程专业本科生开设了“电磁场与电磁波”课程。目前，国内也有部分高校对光电信息工程或光学工程专业本科生开设了“电磁场与电磁波”课程［1，2］，但该课程的教学内容尚未进行系统调整。

文献［3］探讨了“电磁场与电磁波”课程的内容改革。我们经过一个学年的教学实践，认为目前该课程的教学内容尚存在一些问题，例如存在与“大学物理”课程中电磁学部分内容的重复，体现光电信息工程专业特点的内容较少，以及有关电磁场与电磁波的应用和研究新进展方面的内容不足等。

针对上述问题，并考虑学生创新能力培养、后续课程及未来专业研究工作的需要，本文提出对光电信息工程专业“电磁场与电磁波”课程教学内容修改的几点建议。

1 缩减与“大学物理”重复的内容

我院目前使用文献［4］作为“电磁场与电磁波”教材，我校本科生“大学物理”课程教材采用文献［5］，中册内容为电磁学。我们将这两本教材进行比较，发现有许多重复的内容。例如:库仑定律、高斯定理、安培环路定理、法拉第电磁感应定律和介质的磁化等。尽管它们介绍这些内容的出发点和深广度不同，但其核心内容是相同的。为了避免教学内容上的重复，我们建议在“电磁场与电磁波”课程中适当压缩上述重复内容的学时数。可采用复习与概述的方式给予弥补。

2 补充光电信息工程相关内容

我院的“电磁场与电磁波”课程内容没有考虑光电信息工程专业特点以及该专业后续课程的具体需要。作为光电信息工程专业本科生的重要基础理论课，该课程内容应适当予以补充。例如，可增加“各向异性介质中的电磁场与电磁波”方面的内容。

考虑到对其分析研究一般需要张量等数学基础知识，在本科阶段引入此部分内容存在一定难度，只有少数教材简单介绍了此部分内容［6］。为了给学生学习后续光学相关课程奠定一定的理论基础(如晶体光学等内容)，我们建议在课程中增加2-4学时用于介绍各向异性介质中的电磁场与电磁波的内容。可根据学生的接受能力，引入文献［7］的相关内容。该专著详细论述了电各向异性介质的静电场，磁各向异性介质的稳恒电流场，以及电各向同性而磁各向异性介质中的辐射电磁场。

此外，还可增补介绍“电磁场的动量”以及“光压”等概念，这将有助于学生深入理解电磁波和光波的本质属性。文献［8］将偏振光学中常用的琼斯矢量和琼斯矩阵分析法用于描述和分析均匀平面波的极化特性及其传播规律。我们认为，在讲解均匀平面波的传播之后，补充介绍“高斯光束的平面波展开”有助于学生正确理解光的电磁波属性，为学习后续光学相关课程奠定理论基础。

3 增加工程应用的内容

增强电磁场与电磁波在科学研究与工程实际中应用方面的教学内容，有助于学生理解和掌握本课程的基本理论和规律。文献［3］在讨论“电磁场理论”课程教学内容改革时建议突出电磁场理论在工程实践、科学研究以及日常生活中的应用;教材［8］和［9］的部分章节也已讨论了许多电磁场与电磁波典型应用方面的内容。但大部分教材在此方面的内容尚显不足。

我院在上一学年的“电磁场与电磁波”课程教学中增加了电磁场工程应用方面的内容。例如，我们介绍静电场的应用时，涉及到静电选矿器和静电除尘器、电容式传感器、静电屏蔽在日常生活和电气电子工程中的应用等;介绍了恒定电流场的应用时，讲解了心电图和裂纹探伤仪的工作原理;介绍恒定磁场的应用时，讨论了磁电式仪表与磁性传感器、磁屏蔽及磁悬浮技术(如磁悬浮轴承和磁悬浮列车)等内容。

除了课堂讲解以外，我们还以课外作业的方式帮助学生了解电磁场应用方面的内容。例如，我们布置的课外作业包括查阅相关资料、简述静电复印机、电磁流量计和心(或脑)电图的工作原理等。

4 引入相关研究新进展

目前电磁场与电磁波及其相关交叉科学与技术的发展日新月异，为了使学生尽快适应未来电磁相关的新兴科学与技术领域研究的需要，我们建议安排2-4学时，将相关的最新科研成果引入课堂教学。学科研究新进展内容的选择应考虑以下因素:①在电磁场与电磁波学科体系及其发展中的意义，以及完善该课程自身体系的需要;②学生未来从事相关科技工作的需要;③本科学生的先修课程以及授课时学生的实际接受能力等。

我们建议引入“电磁超介质”(或“左手材料”)理论及其应用等内容，作为近十年来电磁学和光学领域的重要研究新进展的介绍。而以往“电磁场与电磁波”课程中并未包含此内容。电磁超介质的磁导率、电容率、折射率以及电磁波传播特性等虽然与常规介质不同，但并不违反麦克斯韦电磁理论;在讲解了常规介质中的麦克斯韦方程之后，再介绍电磁超介质中的电磁场与电磁波理论，不但学生易于理解和接受，而且可以完善本课程体系，为学生将来从事相关科研工作奠定理论基础。