“电磁场理论”课程教学方法探讨

朱凡

摘要：本文讨论了“电磁场理论”课程教学的现状，针对课程在以往教学中存在的概念理论抽象、教学内容零散、计算繁多、基础知识与实际应用联系存在缺失这几个问题，进行了深入的理论分析和探讨，以教学内容优化融合为主线，转变教学观念，提出了基于MATLAB的可视化教学、基于模块化的教学和增加以往知识的复习与总结等教学方法，通过精心组织安排教课内容，让学生积极参与到教学过程中，旨在使抽象的理论变得可视化，提高授课效果，实际教学实践表明该教学方法充分激发了学生的学习兴趣，提高课堂效率，获得很好的教学效果。

关键词：电磁场;教学现状;教学内容;教学方法

中图分类号：G642.41     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2015）23-0271-02

随着以4G为代表的新通信技术的迅猛发展，该产业对电子信息类专业人才的需求也呈逐年递增的趋势，“电磁场理论”课程作为电子信息工程专业的一门重要的专业基础课程，也是微博技术与天线、通信原理等后续课程的基础[1-3]。在教学方式上也需要随时代进步，同时，对教师教学质量和效果上的要求也越来越高。

一、对我校“电磁场理论”课程教学现状的分析

本课程以物质存在的一种特殊方式——电磁场为基础，讲述了电磁场基本规律、静态场（包括静电场、恒定电场、恒定磁场）平面波、电磁波的反射和折射、电磁辐射等基础理论问题[4，5]，涉及到的概念、理论较多。本课程是用高等数学的方法来研究磁场（包括恒定磁场、时变磁场），涉及到较多的高等数学的知识，公式推导较多，计算复杂，需要学生具备坚实的数学基础。此外，电磁场不仅涉及时域、频域，还涉及空域等，要求学生具有良好的空间想象能力、抽象思维能力和逻辑推理能力。这些对于少数由于数学基础不牢固的学生，导致其入门学习困难、无法深入的理解掌握本课程知识。随着教学改革的不断深入和发展，以及信息时代培养宽口径人才的需要，要求学生学习的课程门数呈现不断增加的趋势，在总学时不变的情况下，也必然使每门课程的平均学时有所下降，在教学内容不变的情况下就只有增加每节课的授课内容，这样在一定程度上加重了学生的学习负担。根据近三年学生的学习时间的分配来看，学生对本课程的有效学习时间的投入也是非常有限的，因此如何更有效地利用课堂50分钟时间，提高课堂授课质量，这对教师教课水平提出了更高的挑战。综上所述，“电磁场理论”课程具有数学基础要求高、公式繁多和理论性强、概念抽象等特点。课本上繁多的公式也给很多学生的学习带来很大的困难，学生不清楚哪些公是重要的，或者哪些需要熟练记忆的。另外，由于受传统教学手段的限制，电磁场的三维特性和电磁波的波动性等抽象内容无法生动、形象地展示给学生，使得许多学生无法理解从这些模型中建立起来的许多概念，从而影响对整个课程的学习。

二、教学内容及方法的改革

1.课程设置方面的改革。学科教研组针对以往教学中的经验和教训，参考其他兄弟院校的课程设置，总结“电磁场理论”所需的基础知识主要包括：电路分析、高等数学（微积分、齐次方程部分）、线性代数、大学物理（电磁学部分）等，后续课程主要包括：“微波技术”、“无线通信”等。考虑到“电磁场理论”也是一门重要的研究生入学考试的专业课程，因此，将本课程安排有原来的大学本科四年级下学期调整到大学本科三年级下学期，此时学生也已经修完相关的基础课程，能够更好地接受本课程的内容，也为大四考研的学生提供了另外的考研方向课程选择与指导。

2.教学内容的组织。总结笔者近三年的教学经验，从教学大纲出发，把教学内容分解为以下几个方面：矢量计算基础、场论基础、麦克斯韦方程组、典型静态场分析。第一部分的内容是课程计算的基础，在此教学中尽可能回顾有关线性代数和微积分的计算，使学生在接触本课程开始有个前期知识的预备。第二部分是本课程的理论基础，在讲解过程中注重模块化的讲解，让学生清晰地看到所学知识点在整体的场的表述中的位置。使学生能够从整体把握所学到的知识。第三部分是本课程的核心和难点，可以从学生已学过的课程中导出麦克斯韦方程组，阐述电场与磁场密不可分的联系，最后由麦克斯韦方程组根据不同场的特点，过渡到静电场、恒定电场和恒定磁场的相关计算。以上由已知带出未知、由浅入深的组织安排教学内容，大大降低了本课程的理论难度和对计算复杂的接受程度，教学质量大大提高。

3.教学方法的改进。①增加以往知识的复习与总结。针对本课程所公认的公式繁多、物理量众多的特点，笔者在教学过程中总结了几个关键的物理量，例如D（电位移适量）、E（电场强度）、H（磁场强度）、B（磁感应强度）、J（电流密度）、A（矢量磁位），并指导学生在每次上课开始上课前有目的的复习这些物理量。根据教学内容进度，逐步地展开各物理量之间的内在联系。例如在讲解完静电场的相关理论之后，让学生自己组合讨论小组，围绕静电场所涉及的各个物理量，由高斯定理出发，总结静电场所涉及的理论及计算公式。在讲解麦克斯韦方程组时，通过已经学过的定理和定律来引入该知识点，如图1示，其中法拉第定律、安培换路定律、高斯定律和磁通连续性定理都已经是学习过的理论，所以在此基础上分析电场—磁场间的内在联系，对以往零散知识的梳理与总结，帮助学生更好地巩固与掌握所学的知识。②MATLAB可视化教学。在电磁场理论的教学中，基本上是用数学语言来描述物理现象，教师在讲解内容时会用到大量的数学知识，如拉普拉斯方程、泊松方程、散度、旋度、矢量运算等，可以利用MATLAB强大的计算及图形演示功能[6，7]，把它应用到本课程教学中，考虑到大三下学期已经开设过MATLAB编程课程，其特点是语言简洁易懂，上手快，用简单的几条命令就可以代替烦琐的计算，并能把计算结果以图形形象直观的显示出来，为此笔者在教学过程中考虑对于抽象的物理概念和模型，例如矢量线（电力线、磁力线）及等位线，利用MATLAB强大的图像演示功能，在MATLAB环境下绘制电磁场图，将抽象的电磁场的分布具体化、可视化，能够直观地模拟和演示各种电磁现象，给出直观的图像，更加形象、精确、可视性很强，从而激发了学生的学习兴趣，并锻炼了他们使用计算机的能力，收到了较好的教学效果。③模块化教学。针对场论理论概念繁多的特点，注重强调从场的概念出发，涵盖本章所有的知识点，如图2为场论第一章的知识点总结框图，使学生清楚正在学习的知识点位于整体场论的位置，是为解决什么问题而提出的。例如：通量是表述场在一个区域中总的情况，而不能说明该区域内每个点场的性质，所以提出了散度的概念，来研究场中任一点矢量场与场源的关系。这样的思路使得学生学习的理论有根有据，增强学生对整体理论的理解。同时，模块化的框图形式也使得零散的知识点变得有联系性和系统性，学生可以从更高层面上整体理解和把握所学的知识点，加深学生对理论的掌握，提升教学效果。

三、结语

通过对以上教学内容与方法的改进，很多枯燥难懂的理论变得较容易接受，学生的学习积极性显著提高。通过引入MATLAB可视化教学，提高了讲课效率，同时也让学生从原来枯燥乏味、复杂的计算中解脱出来，把重心放在对概念的建立和理解上，以培养学生对电磁场知识产生浓厚的兴趣，激发他们的积极性和创造性。

另外，对于零散知识的模块化整合，使课程内容变得更有联系性和系统性，学生对基本的理论和分析计算方法掌握情况有了显著提高，学生考试不及格人数控制在5%以下，在近两年的教学实践中，“电磁场理论”课程的教学质量与效果有了很大的提高。

参考文献：

[1]林相波，刘军民.“电磁场与电磁波”课程教学中的几点思考[J].电气电子教学学报，2009，（4）：95-96.

[2]张具琴，贾洁，吴显鼎.“电磁场与微波技术”课程的改革与实践[J].中国电力教育，2012，（17）：54-55.

[3]张会芝，刘艳芳.通信工程专业电磁场理论课程教学探索[J].中国现代教育装备，2009，（8）：107-108.

[4]谢处方，饶克谨.电磁场与电磁波[M].北京：高等教育出版社，2003.

[5]邬春明.电磁场与电磁波[M].北京大学出版社2008.

[6]孙朋，张晓东.高压线工频电场数学模型及仿真[J].电力建设，2005，（4）：39-42.

[7]周立鹏.MATLAB在电磁场教学中的应用[J].科技信息，2009，（35）：516：517.endprint