“电磁场与电磁波”与“大学物理·电磁学”教学衔接问题的探讨

潘长宁　何军　周昕

摘要：“电磁场与电磁波”与“大学物理·电磁学”这两门课程所研究的都是电磁场的基本问题，但是由于它们的课程定位不同，前者是专业基础课，后者是公共基础课，所以它们之间存在很大的差异。本文从教学目标、教学内容、教学方法上分析了它们之间的异同，探讨了教学中的衔接问题，对提高教学质量大有裨益。

关键词：大学物理；电磁场与电磁波；教学衔接

中图分类号：O31 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）03-0159-02

一、引言

大学物理是我国高等院校理工科类非物理专业的必修基础课[1]，它的内容包括力学、热学、电磁学、光学和原子物理等五大部份。通常在大学低年级开设，其主要目的是为以后的专业课的学习打下基础。“电磁场与电磁波”一直以来是高校电子电气类专业开设的专业基础课程[2]，它的前期基础就是大学物理中的电磁学部分，但知识内容在深度和广度上都有很大的加深和拓展，同时也有很大一部分内容重叠。而在一般的高校开设的“电磁场与电磁波”课程中，由于它属于专业基础课层次，而不属于专业课程，所以在课时安排上相对较少。但本课程又具有理论性强、难度较大的特点，因此在教与学的过程中出现教学课时紧，而学生学习枯燥、乏味的教学现状。为了在教学过程中既避免与大学物理电磁学知识简单的重复，又能让学生学好电磁场与电磁波课程的核心内容，为专业课的学习打下良好的基础，那么如何做好大学物理电磁学、电磁场与电磁波课程的教学衔接[3]，是一个值得探讨和研究的问题。

二、“电磁场与电磁波”与“大学物理·电磁学”教学衔接问题

电磁场的运动是自然界中最基本的物质运动形式之一，电磁场理论渗透到生活的许多领域，例如：信息技术、通讯技术、传感器技术等，促进了现代科学技术的快速发展。所以对于理工科类的大学生来说，了解和掌握有关电磁场的基本知识是非常重要的。“大学物理·电磁学”与“电磁场与电磁波”这两门课程从整体上来看都涉及到了电磁运动基本理论，从研究的对象来看没有本质的区别。但是由于它们的教学目标不同，导致它们的教学内容不同，因而在教学方法、教学重点和难点上也有很大的差别。如果能够把这两门课程在教学上进行很好的衔接，那就能起到提高学生的学习兴趣作用，树立学生在电磁学知识的基础上学好”电磁场与电磁波”这门课程的信心。

1.教学目标的衔接。大学物理课程在大学一年级就已经开设，作为一门通识性的基础课程，它在很大程度上肩负着基础知识教育和科学素养教育为一体的双重教育功能。而大学物理中的电磁学部分，又是该课程中教与学的难点。通过该课程的教学，让学生对电场、磁场、电磁波的基本概念、基本规律和基本方法有比较全面和系统的认识和理解，为学生以后专业课程的学习和其他科学技术的学习打下坚实的基础。“电磁场与电磁波”是工科类高校电子工程、信息工程、通信工程等专业学生的必修课程，是通信技术的理论基础，是电子信息类专业本科学生知识结构的重要组成部分。在课程定位上，它是专业基础课，是以后专业课学习的基础，例如“无线电技术”、“微波技术”等；因而相对于大学物理这门公共基础课来说，它的教学目标有所不同。通过该课程的学习，让学生建立场的概念，认识到场的物质性；掌握电磁场运动的基本规律，知道麦克斯韦方程的物理意义以及数学表达式。同时让学生熟悉一些重要的电磁场问题，把它抽象成具体的数学模型，如平面电磁波的波动方程、静电场电位的拉普拉斯方程等。使学生学会用“场”的观点去观察、分析和计算一些简单、典型的电磁学的基本问题，所以更加强调对学生严密的逻辑推理、理性思维能力的培养。两门课程在教学目标上是一个由低到高的层次递进关系。

2.教学内容的衔接。从教学内容上看，大学物理的电磁学部分介绍了静电场的基本性质、稳恒磁场的基本规律、电磁感应的基本规律，并以简单地描述麦克斯韦方程组而结束该部分内容，至于时变电磁场以及电磁波的产生和传输等问题，它根本不涉及。故它只是从“静态”的观点对电磁场的基本问题进行了简单的描述。让学生从整体上对电磁场有一个“感性”的认识。在静电场部分，它介绍了电场强度、静电场的高斯定理和安培环路定理，同时也介绍了静电场中的导体和电介质；在稳恒磁场部分，它介绍了磁场中的高斯定理、安培环路定理、毕奥-萨伐尔定律等磁场的基本规律以及磁介质的特性。接下来在电磁感应中对动生电动势和感生电动势以及自感互感等内容进行了介绍，最后以对麦克斯韦方程的描述而结束。这些基本内容选取是由这门课程的公共基础课定位决定的。作为电子电气类专业不可或缺的专业基础课，“电磁场与电磁波”的内容丰富得多，难度也大得多。它包括“电磁场”与“电磁波”两大部分的基本内容。电磁场部分是在大学物理电磁学课程的基础上，运用矢量分析的方法，描述静电场恒定电流电场和恒定电流磁场的基本物理概念，在总结基本实验定律的基础上给出电磁场的基本规律，给出了静电场和稳恒电流磁场的边界条件，研究了静态电磁场边值问题的解题方法，例如镜像法、分离变量法和有限差分法。电磁波部分主要是介绍有关电磁波在真空中和各种介质中的传播规律以及天线的基本理论。具体地，它包括平面电磁波，导行电磁波以及电磁波的辐射等基本理论。因而它从“动态”的侧面对电磁波进行描述。由于该课程通常在大学三年级才开课，学生在掌握矢量分析的基础上，掌握恒定和时变电磁场的麦克斯韦方程组、泊松方程、电磁波的波动方程的求解；理解电磁场的矢势、标势、规范变换、规范不变性、库仑规范、洛仑兹规范、时谐平面电磁波、推迟势、电磁辐射、截止频率和谐振频率等电磁波的概念。

由以上讨论我们知道，“电磁场与电磁波”这门课程相对于“大学物理·电磁学”在教学内容上不是简单的重复，而是呈现很大的递进关系[4]。众所周知，静电场和静磁场等静场在空间是相互独立的，它们不能产生电磁波。只有时变的电磁场才能产生电磁波。那么在电磁场与电磁波的教学中，利用大学物理电磁学所学过的电磁场的实验定律：电场和磁场的高斯定理、安培环路定理以及法拉第电磁感应定律等推导出电磁场方程的积分形式：

高斯定理 ·ds= ρdV

磁通连续性原理 ·ds=0

安培环路定律 ·d = ·

法拉第电磁感应定律 ·d =- ·d

在此基础上引入全电路位移电流密度 （ = ），扩大电流的概念，使电流不仅包括自由电荷定向移动形成的电流，而且包括电场随时间变化形成的位移电流。从而导出麦克斯韦方程组：

·d = （ + + ）·d

·d =- ·d

·ds= ρdV

·ds=0

这样在教学中既避免的简单的重复，又起到了知识承上启下，衔接紧密的作用。使学生从知识上达到了自然过渡，从而提高学习的积极性和自信心。

3.教学方法的衔接。大学物理电磁学部分的知识相对比较简单，很多概念和规律都是在实验的基础上，通过学生的感性认识后抽象出物理模型而建立起来的。然而电磁场与电磁波这门课程却侧重于利用矢量分析与场论等数学工具，对具体的物理模型所满足的物理规律进行严密的理论推导，得出合理的结论，构建完整的物理理论体系。因此，在教学中教师应该有意识地引导学生从“形象思维”向“抽象思维”转变与过渡[5]。学生学习时必须通过理性的思考、严密的逻辑推理才能真正领悟到电磁波传播的内在规律。例如毕奥和萨伐尔对大量实验结果进行分析和总结得出了描述稳恒电流周围磁场的毕奥-萨伐尔定律，在此基础上，人们推导出磁场的安培环路定理。但实验对物理规律的再现有它的局限性，我们必须在实验定律的基础上，通过归纳、总结和严密的逻辑推理把实验结论推广到更一般的情况，使之既反映原来的实验事实，又符合新的情况；或者建立新的理论使它具有更高的慨括性。因而在实验建立了恒定电流的安培环路定理后，通过抽象思维和逻辑推理，引入位移电流及全电流的概念，从而磁场的安培环路定理就可以推广到时变电磁场的情况，得到麦克斯韦第一方程，变化的电场能产生磁场，建立了电磁波传播的第一大理论支柱。另外，法拉第通过实验建立了电磁感应定律，证明了变化的磁场能产生电场，建立了电磁波传播的第二大理论支柱。这样我们在教学方法上对两门课程进行了衔接。

三、结束语

本文从教学目标、教学内容、教学方法上分析这两门课程的异同，找出它们之间的切入点，在教学过程中对两门课程进行很好的衔接、承前启后，使学生在知识上自然过渡，树立学习的信心，提高电磁场与电磁波课程的教学质量。

参考文献：

[1]罗益民，余燕.大学物理[M].第2版.北京：北京邮电大学出版社，2008.

[2]孙国安.电磁场与电磁波[M].第2版.南京：东南大学出版社，2003.

[3]马书云，吴方平，王慧.对大学物理与中学物理教学衔接的调查分析与改进建议[J].物理通报，2009，（12）：13-16.

[4]姚文俊，程衍富，戴同庆，等.“电磁场与电磁波”和“大学物理”教学类比研究[J].中国电力教育，2012，（23）.

[5]任宇辉.电磁场与电磁波课程教学方法研究[J].陕西师范大学学报，2008，（36）.