“电磁场与波”课程的教学改革研究

2014-06-21谷宇，钱倩

电气电子教学学报 2014年3期

关键词：电磁场方程组电磁波

谷宇，钱倩

(1、内蒙古科技大学信息工程学院，内蒙古包头 0140102、内蒙古恒瑞安科技服务有限责任公司，内蒙古包头 014010)

“电磁场与波”是我校通信工程和电子信息工程两个专业的专业基础课。由于它是后续“微波技术与天线”、“电视原理”、“移动通信”和“卫星通信”等课程的理论基础，所以学生对其熟练掌握十分重要[1，2]。

该课程具有理论性强、概念抽象和数学推导繁多等特点，被认为是一门难教难学的课程。如何提高该课程的教学质量和教学效果，一直是教学改革探索和实践的课题[3，4]。

1 课程特点

“电磁场与波”课程主要涉及源与场的关系。它以Maxwell方程组为核心，主要讲述有关宏观电磁场的基本概念、基本原理、运动规律以及与带电物质的相互作用等内容[5]。该课程具有如下特点:

(1)理论体系严谨、公式繁杂:本课程基于Maxwell方程组论述电磁场的基本性质和基本原理。采用了三维矢量积分方程组、偏微分方程组、复数方程组以及时空偏微分方程组或积分方程组等，公式繁杂。

(2)概念抽象:电磁场随着时间沿空间传播形成电磁波，时变的电场和磁场在场空间中互相激发，描述和分析都十分抽象，难理解。

(3)涉及的知识点多:电磁场不仅涉及时域和频域，还涉及空域和极化等。要求不仅具备高等数学、复变函数以及数理方程等数学知识，需要“大学物理”和“电磁学”等先修课程的知识积累，且需掌握矢量分析和场论知识等。

(4)学时紧张:“电磁场与波”课程的学时数，已经大幅缩减，我校已经缩减至40学时。而大纲要求涉及矢量分析与场论、电磁现象基本原理、静电场、恒定磁场、时变电磁场和平面电磁波共六章内容，授课压力非常大。

2 教学方法改革

针对“电磁场与波”课程的特点，在授课时应当承接并深化高等数学和电磁学的相关知识基础，突出矢量分析与场论、宏观电磁现象基本原理等知识点的构建;确立以麦克斯韦方程组为主线索，掌握方程组的物理概念;突出电磁理论与相关学科交叉、渗透的结合;并在电磁场理论分析方法的讲授中，构建典型边值问题解析分析法与数值计算法并重的知识点等。

在授课过程中，教师必须在有限的课堂教学时间内组织好教学，理论与实际结合，用工程应用实例和生活中的例子来讲解相关电磁理论。比如，用有金属外壳的汽车可以避免雷击的事例来讲解静电平衡和静电屏蔽原理;根据电动机、发电机以及变压器的应用事例讲解法拉第电磁感应定律;举例雷达和隐形飞机之间的对抗来说明电磁波辐射和接收;通过对这些应用实例的讲授，可以帮助学生理论联系实际，增加学生的学习兴趣，加深学生对知识点的理解和掌握。我们在课后要给学生留出思考的空间，选择适量的讨论题或让学生参与科研课题等途径，来提高学生的学习兴趣。

3 教学手段改革

采用多媒体教学与传统教学相结合的方式，能很好解决学生的学习困难。多媒体教学能加快教学的进度，并使讲课的过程中增加趣味性，运用大量课件和影像资料及图像素材使学生清晰地理解深奥的理论问题，例如在讲解平面电磁波时，采用动画的方法可以形象地展现电磁波在空间中时变的电场和磁场互相激励产生电磁波的过程，如图1所示。

图1 均匀平面电磁波动画演示

而在公式推导中继续使用传统的教学模式，使学生理解每步推导过程，为学习以后的专业课打下坚实的理论基础。因此，两者结合，既能够充分发挥多媒体手段信息量大、形象和直观等优势，又保留板书教学这一传统教学手段，使学生能够深刻理解复杂抽象的电磁场定理和性质。

4 注重学生能力的培养

教学过程中，应该强调以学生为主体，注重对学生能力的培养。我们通过开展启发式教学调动学生自主学习的积极性，促使学生将书本的知识用于分析和研究问题，做到学以致用，培养学生探究性学习的能力，促进学生知识拓展应用能力的提高。例如，在讲解Maxwell方程组时，对前面讲授过的库仑定律、毕奥—萨伐尔定律、高斯定律、法拉第电磁感应定律和安培环路定律先进行总结，并指出应用于恒定电路的安培环路定律应用在交变电路时会出现的矛盾，进而启迪学生进行思考;然后讲解Maxwell为了解决此矛盾提出了位移电流假说，引入位移电流的概念，从而得到修正的安培环路定律，进而给出著名的Maxwell方程组，引伸出根据位移电流以及Maxwell大胆预言了电磁波的存在。