电磁场理论与微波技术课程教学改革探索

方荟 曹新容

［摘要］电磁场理论与微波技术是通信工程本科专业一门重要的专业基础课。该课程系统性强，概念抽象，公式繁杂，涉及很多物理知识与数学分析方法。基于这些特点，并结合本校近年来的教学情况，从课程体系、课程内容和教学方法三个方面入手，对电磁场理论与微波技术课程进行改革与探索。

［关键词］电磁场理论与微波技术课程体系课程内容教学方法

［中图分类号］G420［文献标识码］A［文章编号］2095-3437（2012）06-0105-02

电磁场理论与微波技术是通信工程本科专业一门重要的主干课。课程主要涉及电磁场与电磁波基本理论和微波工程两个方面，电磁场与电磁波基本理论主要研究电磁场源与场的关系以及电磁波在空间传播的基本规律，微波工程主要讨论电磁波的产生、辐射、传播及电磁微波理论在工程上的各方面应用。课程涉及大量的物理基础知识以及各种数学方法，在学习过程中如何把握物理概念与数学方法之间的联系，如何提高学生的学习兴趣，如何提高学生的工程应用能力是至关重要的。为了真正改善课程教学效果，结合本校办学特点和教学实际情况，从课程体系、课程内容、教学方法三个方面入手，改进本课程的教学，以适应本课程概念抽象、工程性强及教学要求高的要求。

一、课程体系

课程体系是一个专业所设置的课程相互间的分工与配合。电磁场理论与微波技术与大学物理、电路分析同属于通信工程专业的基础课程这一课程体系。而课程所需的数学方法则来源于高等数学、工程数学等数学基础课程。这些前修课程均安排在电磁场理论与微波技术课程之前。但相关课程负责人之间缺乏密切且有效的沟通，整个通信工程专业的基础课程还没有形成一个统一的课群体系。前修课程掌握的程度直接影响到本课程的学习。反之，电磁场理论与微波技术课程的学习也会影响到一些后续的专业课程的深入，包括毕业设计。

我们根据本校近年的教学经验，围绕提高教学质量这一中心，尝试调整整个课程体系。新的课程体系将电磁场与微波技术、大学物理、电路分析以及相关数学基础课程构成一个课群。其中专业课程的内容需要不断更新，甚至需要增加一些新的课程，但基础课程不能变。为了让学生掌握本专业的基础知识与技能，又能了解学科的发展方向和新技术，在课群建设时，设置主要的内容，去掉该课群中重复的部分，及时将科研成果以及教研成果引入课程教学，使学生能够掌握这些课程的精髓部分，又能节约一些课时。如在大一的大学物理课程中，可适当地侧重静态电磁场理论的教学，从而减少电磁场与微波技术中静态电磁场的学时数，将时变电磁场作为电磁场与微波技术讲授的重点。再如在大三的本课程中，可对微波工程部分内容，按照无线移动通信技术应用的需要选择性地教授

除了以上对各门相关课程内容进行整合，还需要对各课程进行统一设计，将课程设计与课程实施有效地结合起来，形成统一的教学内容体系。如在大一的大学物理课程中设计问题，启发学生去思考电磁波实际是如何在空间中进行传播的，然后在大三的本课程中来完整地解答这个问题。再如在大二的电路分析课程中尝试引入和设计分布参数电路，引发学生思考,比较集总参数电路和分布参数电路的异同点。在大三的本课程中通过传输线理论，加深学生对于这两种电路的理解。在大三的本课程的最后设计一个完整微波通信系统，在给学生介绍微波技术在系统中的应用的同时，引导学生对于通信系统形成初步概念，为后续的通信专业课程埋下伏笔。

二、课程内容

课程内容是课程各部分的组织及具体要讲授的知识点。结合本校学生的学习特点，在选择内容上应把握以下原则：一，在电磁场与微波技术的教学中突出数学概念、物理概念和工程概念之间的区别和联系；二，将经典理论和现代理论有机结合；三，逐步在电磁场与微波技术中增加工程性、综合性和设计性的案例，注重电磁场与电磁波以及微波理论的工程应用。按照此原则，将电磁场与微波技术内容分为四部分：矢量分析、静态场、时变场和微波基础。

本课程首先介绍矢量分析与场论的内容，基于此知识来研究静态场。静态场包括三类：静电场、恒定电场和恒定磁场。要求掌握静态场的基本规律，相应场量所满足的基本方程。学会利用基本方程灵活地解决静态场的一些基本问题，如求静电平衡下导体的电位问题。

其次是要研究静态场边值问题的求解方法。正因为静态场边值问题解法简单，通过掌握它们并加以修正，就可以推广到时变电磁场上，作为求解电磁场和电磁波问题的基础。同时将静态场的性质推广到时变电磁场上。具体来说，即将静态场的麦克斯韦方程组结合反映变化磁场产生电场的法拉第电磁感应定律以及反映变化的电场产生磁场的麦克斯韦位移电流假说，同时包含时变电磁场的高斯定理和磁通连续性定理，构成一个完整的普适性的麦克斯韦方程组。掌握了麦克斯韦方程组以及边界问题的求解方法，就可以分析和解决具体的电磁场工程问题，如发电机导体平板周围的电磁场分布。

接着在建立波动方程等重要的数学模型的基础上，要求学生掌握电磁波在无界空间和有界空间、无耗介质和有耗介质中的传播特点。由此引入电磁波的工程应用——微波技术的应用。主要介绍微波技术基础，包括传输线理论，典型的波导模型以及微波网络基础的内容。这部分内容着重结合工程应用实例，如微波系统的工程实践。

三、教学方法

从国内外的教材来看，教学内容大致可分为两类：一是演绎法，它由库仑定律、毕奥-萨伐尔定律以及法拉第电磁感应定律出发，逐个介绍静态场、恒定磁场和时变电磁场。这种方法起点低，学生易接受，但与大学物理中的电磁学部分重复较多，学生会感到厌烦。同时逐一推导静态场的特点必然会费时多，导致时变场的内容受到压缩。二是归纳法，它从麦克斯韦方程组出发，先介绍时变电磁场，然后把静态场归结为时变场的一种特殊情况，最后再介绍静态场。这种方法虽然压缩了静态场的课时，充实了时变场的内容，但起点高，学生不易接受。

结合本校学生特点，在教学过程中采用以演绎法为主，归纳法为辅的方法。如在介绍电磁场基本理论内容的时候，首先采用演绎法，先简单介绍静态场的性质，再将其推广到时变场的麦克斯韦方程组。在演绎的过程中，多做总结和归纳，在比较中加强物理概念和数学概念之间的区别和联系，逐渐引入工程概念。如时变场与静态场、电流均匀分布和非均匀分布等；接着采用归纳法，从时变场的麦克斯韦方程组出发，巩固静态场的学习，将其视为时变场的一种特殊情况，用麦克思维方程组及边界条件方程来解决具体的电磁场问题。结合两种方法的特点，取长补短，使得学生学起来简单，同时又能锻炼学生思维能力，激发其自主学习的意识。

由于电磁场理论与微波技术课程的基本概念、数学公式和滤波器设计思路比较抽象，并且有大量的数学证明和推导，仍需借助黑板板书教学，在黑板教学中，对数学公式要书写规范，正确读写数学公式，让学生形成正确的第一印象；对基本概念和性质的解释应使用通俗、恰当和形象的方式来进行表达，让学生容易形成正确的理解，避免误解；对微波电路的设计，可采用框图或流程图的形式教授其基本设计思路，减少其中经验公式的推导。在板书使用的同时，多采用直观动态的多媒体素材、malab软件的可视化教学方式，将电磁场理论与微波技术的概念和性质生动形象的展现出来，进一步加深学生对它们的理解。

总之，力求使数学公式、抽象概念和设计思路形象化，避免枯燥的理论学习，激发学生的学习兴趣。 通过对电磁场与微波技术课程的课程体系、课程内容和教学方法进行改革，教学质量和效果有了明显的改善，学生学习的积极性被激发，理解问题和解决问题的能力逐步得到锻炼和提高。

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［责任编辑：刘凤华］