电磁场与电磁波课程的教学改革与实践

谢 华



电磁场与电磁波课程的教学改革与实践

谢 华

(三明学院 机电工程学院，福建 三明 351000)

电磁场与电磁波是电子信息类专业的一门重要的专业基础课程．通过对课程教学现状和难点分析，以培养学生的学习兴趣、实际应用能力为目标，对课程的教学内容和教学方式进行了改革和探索．应从纵向、横向进行教学内容优化，重点突出引入课程导入、类比归纳、案例教学、演示教学等多元化教学手段，实施灵活考核评价模式，提高教学质量．

电磁场与电磁波；课程；教学改革

电磁场与电磁波课程是高等工科院校电类专业一门传统的基础课程．课程包括电磁场与电磁波两大部分内容，主要讲解电磁场与电磁波的基本概念、基本规律、基本理论和典型的分析方法及其在电磁工程中的应用．在电子专业的课程体系中，它是一门重要的专业技术基础课程，是后续的通信原理、微波技术、天线、移动通信以及其他高频电子设备课程教学的基础，在基础课和专业课之间起到承上启下的桥梁作用．考虑到这门课程所需的数学和物理知识结构以及后续课程的需要，将课程安排在本科第四学期，计划学时为54学时．

在课程教学的过程中，发现问题总结如下：1) 学生怕学、厌学．课程概念抽象、理论性强、公式繁多，所以要求学生数学、物理基础要好．但是有的学生由于数学、物理基础不扎实，学习难度很大，导致厌学；内容多，课时紧再加上繁多的公式及较大的计算强度也使好学的学生怕学．2) 电磁场和电磁波现象具有复杂的空间分布，都具有不可见的特性，无法生动、形象地展示给学生，这些内容的学习要求学生具有一定的空间想象能力，没有空间的思维无法理解场的分布、性质及波的传播特性等理论，影响整个课程的学习效果[1]．3) 课程内容和知识点偏重于理论分析和推导，知识点、例题、习题和实际应用脱节，学生学后不知有什么用，用在哪，造成学习兴趣缺乏．因此电磁场与电磁波这门课成了难学难教的课程，考试的不及格率也较高．如何上好电磁场与电磁波课程，提高学生的学习兴趣，让学生能学、肯学、学以致用，从而提高教学质量，笔者从多个方面对课程教学进行改革探索，取得了较好的教学效果．

1 优化教学内容

本课程采用高等教育出版社出版、谢处方编第四版《电磁场与电磁波》教材，从三大实验定律——库伦定律、安培定律、法拉第电磁感应定律和两个基本假说——有旋电场假说和位移电流假说为基础，导出麦克斯韦方程组，再讨论静态场、时变场及电磁波的传播与辐射特性．

在整个教学周期，将教学内容横向分为电磁场和电磁波两大部分，其中电磁场分为静态场与时变场，授课时突出时变场部分，以有旋电场假说和位移电流假说为基础，通过高斯散度定理与斯托克斯定理的联系，导出经典电磁理论的核心“麦克斯韦方程组”，由此讨论时变场的性质，把静态场看成是时变场的一种特殊情况．通过对静态场中的静电场、恒定电场、恒定磁场的分析，其内容和大学物理中的电学、磁学的部分内容有重叠；而这三种场在讲授过程、讲解思路上非常相似．所以先从学生熟悉的库伦定律入手着重讲解静电场，然后采取类比教学的方法讲解其他场，使学生学习起来有参照，用已经掌握的知识导入新课内容，学生较容易接受，便于知识的吸收．这样处理的好处有两点：1) 避免与大学物理中电磁学内容的重合，学生不会感觉重复厌烦，同时大大压缩了课时．电磁场这部分的教学时间约占总课时的1/3，相对“电磁场”而言，“电磁波”的内容得到了强化．2) 适当降低了学生的学习难度．这样就有更多的时间用于讲授与电子、通信领域相关的知识和实际工程应用方面的内容，提高学生的学习兴趣，也更加符合电子信息工程专业的人才培养需求．

在纵向上，将教学内容分为3大部分：1) 基本概念、定律、公式；2) 典型的分析计算方法；3) 工程实际应用案例．第一部分的内容要让学生清楚地知道本门课程要理解和掌握的概念、三维现象和规律、公式，熟悉相关的定义和术语．在教学中尽可能采取板书推导公式，结合动画、视频、仿真软件等多媒体资源，力图让复杂抽象的现象具体化，概念清晰化，公式简单易记化；对第二部分的内容，每一个知识点选择一个对应的典型例题，进行深入分析讲解与讨论，同时选取合适的习题让学生练习，深化对第一部分内容的理解．考虑到电磁场问题的复杂性，习题的选取可独立完成，也可团队合作，目的是使学生可以独立地探索，更好地掌握课程内容，理解科学研究中的理性精神．第三部分工程实际应用案例讲解，讲授与本专业相关的电磁场与电磁波知识及应用的典型例子，让学生了解这门课程能够应用于解决实际生活中有关工程问题，增强学生的学习兴趣．通过这3部分的学习，学生对这门课程的知识体系结构、重难点、工程应用有很好的了解，学习目标明确，学习自然轻松不少！

2 多元化的教学

2.1 课程导入教学

教学导人，目的是激发学生的学习兴趣，启发和引导学生的思维，让学生用最短的时间进入到课堂教学的最佳状态中去．在以往的教学中我们比较重视课程本身的内容，而忽视获得知识的过程及科学的研究方法；强调知识本身的逻辑，忽视获得这些知识的历史线索，这些都不利于培养学生的学习兴趣和研究能力[2]．电磁场、电磁波与日常生活联系十分紧密，小到家庭电器、每日不离的手机，大到现代信息传输、卫星、交通、军事等等，教学中我们从身边的实例入手，讲授相关技术的发展历史与趋势以及在经济、生活和军事等领域中的应用，让学生对这门课程具有浓厚兴趣，感觉学有所用；对于相关的知识点可以以课前习题、科技小报告和小论文的形式让学生提前参与，例如，在讲均匀平面波在无界空间中的传播时，课前可以布置关于“电磁波的传播”的科技小论文，也可设几个课前小习题：1) 什么是平面波？2) 什么是良导体，良导体与理想导体有何区别？3) 什么是波的极化？等等，提高学习的兴趣和自主学习能力，同时课上的互动性也能得到提高．俗语说：良好的开端是成功的一半，如果课题引入得恰当、生动，课堂的教学效果将事半功倍．

2.2 类比与归纳教学

类比教学是一种比较教学，在“电磁场与电磁波”课程中引入类比的教学策略，不但可以提高教学效率，压缩课时，从教学效果看，学生也相对容易接受新知识[3]．静电场、恒定电场和恒定磁场在教学内容上有很多的相似点，都可以沿着“场的基本概念→场的方程→场函数及边界条件→能量”这种基本思路展开讲授，重点讲授静电场的内容，然后应用类比教学的方法相互比较多种具有对称性和可比性的概念和理论[3-4]，如“静电比拟”“极化与磁化”“边界条件”“场方程和场的性质”的比较等方面来讲授恒定电场和恒定磁场．讲授均匀平面波在导电媒质中的传播时，从“波的传播方向、传播速度、振幅、波阻抗、平均磁场能量密度”进行类比，从而得到平面波在3种介质中传播的特点．利用类比的方法能更加形象、直观地传授知识点，步步深入，启发学生创造性思维．

归纳总结也十分重要，每学完一章后，按知识的逻辑关系进行归纳总结，这也是学生再认识的过程．课程中需要学生掌握的定理、公式比较多，归纳总结要重点突出，能反映相关概念规律间的联系与区别，展现知识网络，简明扼要[3]．教师应指导学生开拓思维，将类比与归纳总结相结合．例如矢量分析这一章上完后，可将矢量场和标量场、有旋场与无散场对比分析，归纳出本章的三度(梯度、旋度、散度)公式和两定理(散度定理和斯托克斯定理)，使枯燥复杂的定理、公式便于理解、记忆和应用．

2.3 引入案例教学

运用案例教学，可以提高学生分析和解决问题的能力．在实际教学中发现，将大量的课时用在概念的讲授、公式的推导、计算方法的灌输上，既浪费课时，教学效果也差．但在教学环节中大量引入实例，通过讲解实际工程应用例题，反而使抽象的概念和方法具体化，活跃了课堂氛围，大大激发了学生的求知欲和创新动力．在讲电磁波的传播时，先让学生观看声波和水波的相关视频，然后提出问题：一个点源所发射的电磁波的等相位面是什么样？学生有感而发，畅所欲言，此时再引入平面电磁波的概念，学生对波阵面、平面波等概念很好理解，记忆深刻．在讲电磁波的极化时先引入两个案例：1) 在用手机打电话时，信号不清晰，你会怎么做？2) 收听调频广播时，收音机的天线调到怎样的位置能使收听的节目最清晰？通过这两案例，学生知道波的传播是有方向性的，如何接收信号和波的极化方式有关，这样他们对电磁波的极化有了深入的了解，也掌握了实际工程应用．在案例式教学过程中，不必拘泥于非要教师准备案例和讲解，也可以让学生全程参与，从感兴趣的知识点入手到资料的收集、整理和讲解，调动学生学习兴趣和自主学习的积极性，取得较为理想的教学效果．

2.4 演示教学

电磁场与电磁波内容比较抽象枯燥，通过使用软件、图片、动画、视频等演示教学手段能够将抽象的理论直观地表现出来，增强学生的感性认识，加强对概念的理解程度和对知识点的记忆效果，有利于重点的突出和难点的突破[4-5]．例如电磁场的分布、电偶极子电位分布、静电场的边值问题、驻波等知识涉及到大量的数学推导和复杂的计算，仅靠板书教学学生无法理解和掌握，利用MATLAB软件在线演示，分布图形动态形象，使学生获得直观的深刻印象，大大提高学生的学习效率．讲到电磁波的圆极化时，学生对极化，左旋、右旋圆极化的概念很难了解，这时利用Flash动画把电场强度矢量的端点随时间变化的轨迹、旋转方向形象地演示出来，帮助学生认识和理解．这样一些很难用语言来描述的概念和理论就变得容易了．合理地利用网络视频，布置相关的内容，让学生课外观看和学习，并撰写相关的小报告，既节省课时，学生学习的主观能动性也得到加强．所以采用演示教学手段使得抽象枯燥的内容变得形象而生动，复杂的物理过程变得简单直观，使难教难学的课程变得容易起来．

3 灵活考核评价

教改前电磁场与电磁波课程的成绩主要以平时成绩和期末闭卷考试成绩为评定依据，其中平时成绩占30 %，包括出勤、笔记、作业完成情况等．期末闭卷考试成绩为70 %．这样的评价机制不能完全反映学生的学习水平，抑制了学生的创造欲，导致学生高分低能．教改中笔者以多种方式来评价学生的成绩：1) 学习成绩．考核对所学知识的理解和掌握情况．2) 专题研究(案例教学)．考核学生的知识运用能力、钻研精神．3) 课前习题．考核学生学习的主观能动性．4) 科技小论文．考核学习积极性和创新性．考核成绩时，以这几个方面综合评价，表现突出者给予一定的奖励．注重学生平时努力学习的过程，鼓励学生展现自我、发掘自我能力、培养学习兴趣和发挥主观能动性，全面客观地进行成绩评定．

本文针对电磁场与电磁波课程的特点，以培养学生的学习兴趣及主动性，增强教学效果为目标，从教学内容的改革、丰富教学方法、灵活考核机制等方面，提出了改革教学模式，提高教学质量的一些思路和想法．通过实践，取得了较好的教学效果，学生对这门课程不再抵触畏难，有了学习的兴趣和动力，能较好地深入学习和完成作业，考试不及格人数控制在10 %以下．学生也从准备案例、撰写科技小论文中得到了锻炼，通过查找文献学习新的理论、技术，增强了分析问题、解决实际问题的能力，为电磁场与电磁波的相关技术及后续课程的学习奠定了基础．

[1] 李文翔,熊庆国.“电磁场与电磁波”课程教学方法改革研究[J].中国冶金教育,2007,22(6):26-28.

[2] 田秀荣,桂志国.电磁场与电磁波课程教学改革探索[J].安徽工业大学学报:社会科学版,2010,27(1):137-139.

[3] 黄麟舒,柳超.疑难课程“电磁场与电磁波”中类比教学方法的探索[J].中国电力教育,2013(23):68-69,77.

[4] 杨红军,运高谦.“电磁场与电磁波”课程教学改革的探索[J].中国冶金教育,2010(16):72-73.

[5] 陈宇,崔炜,赵爽.“电磁场与电磁波”课程教学方法探讨[J].教育与职业,2011(12):167-168.

Teaching Reform and Practice in the Course of Electromagnetic Field and Wave

XIE Hua

(College of Mechanical Engineering, Sanming University, Sanming, Fujian 351000, China)

The electromagnetic field and electromagnetic wave is a major foundation course in electronic information specialty. Through the analysis of present situation and difficulty in course teaching, the curriculum and teaching methods are reformed with the goal of developing students' interest in learning and practical abilities. It introduces a new idea of teaching model reform for improving teaching quality, that is, from the longitudinal and transversal optimization of teaching contents, the course induction, analogy and conclusion, case teaching, presentations and many other multiple teaching methods to a flexible assessment method.

electromagnetic field and electromagnetic wave; course; teaching reform

(责任编校：李建明 英文校对：李玉玲)

10.3969/j.issn.1673-2065.2015.01.031

G642

A

1673-2065(2015)01-0112-03

2014-07-20

三明学院教育教学改革工程项目(L1114/Q)

谢 华(1975-)，女，福建上杭人，三明学院机电工程学院讲师，工学硕士．