《电磁场与电磁波》和《大学物理·电磁学》教学探讨

刘咏梅

【摘 要】《大学物理》和《电磁场与电磁波》都是电子信息类各专业的必修课程，这两门课程在电磁学部分有一定重叠。本文针对两门课程的特点，结合学生的实际情况，从分析方法的引入、教学内容衔接、教学方法建议等方面对这两门课程进行教学探讨。

【关键词】大学物理；电磁学；电磁场与电磁波

0 引言

《大学物理》和《电磁场与电磁波》是电子信息类各专业的必修课程，在教学环节中起着非常重要的作用。

两门课程在电磁学部分有一定重叠，但不是简单的重复，前者为后者的先修课程，后者以前者为基础，对电磁学理论及应用进行深入研究与探讨。

1 课程性质不同

《大学物理》是理工科各专业必修的基础课，受众面广，内容为力学、热学、电磁学、光学和原子物理五部分，为后续专业基础课和专业课程的学习打下基础；《电磁场与电磁波》是电子信息类各专业的专业基础课，是后续专业课（如《微波技术与天线》等）的理论基础，其主要分为电磁场（静态场）与电磁波（时变场）部分，其中静态场部分与《大学物理》电磁学部分内容有一定重叠，但不是简单的重复，内容的深度和广度都有较大的拓展。

2 理论和分析方法区别

《大学物理》作为基础课程，引入知识由学生容易接受的物理现象入手，通过实验得到相关理论，以电磁学理论的开篇——点电荷之间的作用力为例，直接引用实验结果描述库仑定律：

其他重要定理如：安培力定律、电磁感应定律等，也都是直接引用实验结果描述相关理论公式；比较起来，《电磁场与电磁波》的理论性更强，首先以一定篇幅讲述矢量分析方法，引入电磁学内容时，从电磁场的“源”—电荷与电流出发，特别注重以散度源和旋度源区分静电场和恒定磁场：

图1 电磁场典型散度源与旋度源矢量线分布

引入理论计算公式时，理论更为严谨。

《大学物理·电磁学》中解决问题的方法，较多以积分形式表示，比如通过上式（1），得到真空中的高斯定理：

可以看出，《电磁场与电磁波》更注重理论公式的推导，一般理论均以积分和微分两种形式提出，其中微分形式更能体现矢量场与源的关系。在矢量运算时， 《大学物理·电磁学》一般以直角坐标进行描述；而《电磁场与电磁波》更多在圆柱坐标系和球坐标系中进行矢量运算。

3 基本内容的区别

《大学物理·电磁学》分别对静电场和恒定磁场进行说明后，引入电磁感应定律和位移电流密度概念，以麦克斯韦方程组的建立作为结束：

并以麦克斯韦方程组为出发点，展开理论的应用，研究时变电磁场的特性：建立无源区的波动方程；研究平面波在介质和导电媒质中的传播、均匀平面波的反射与透射等；研究导行电磁波、电磁辐射等。在静态场部分，《电磁场与电磁波》通过求解二阶微分方程：

以标量电位作为中间量，通过电场强度与电位的梯度关系求解电场。以唯一性定理为依据，用镜像法、分离变量法、有限差分法等多种方法解决静态场边值问题。

4 改进教学方法之探讨

《大学物理》是学生学习的第一门与专业直接相关的基础课，学生学习热情较高，加之大学物理涉及的物理现象在中学阶段基本有所了解，电磁学部分以静态场分析为主，学时设置较充足，学生接受起来比较容易；《电磁场与电磁波》是在学生已具备矢量分析与静态场基本计算的前提下，对电磁场进行深入的分析，特别是对时变场进行分析运算，学生需要更深入的数学知识：空间分析能力与矢量微积分运算、二阶微分运算与微分方程求解能力；理论难度相应增加，作为专业基础课，面临难度大、课时少等问题，同时学生反映理论枯燥、推导繁琐，难以接受。

在教学中，课堂教学是最重要的环节。课堂教学必须以学生为主体、教师为主导，师生互动，知识传授与能力培养相结合。在《电磁场与电磁波》课程的教学中，不一定总是从理论推导入手，也可以从实际问题或实验演示引入问题，或者以《大学物理》已有的结论作为出发点，应用理论知识进行推导和演绎并进行归纳总结，得到相应的结论，如上述真空中高斯定理，可以直接引述式（2），通过矢量散度定理：

同样得到上述式（6）。对于与后续课程（《微波技术与天线》等）有内容重叠的导行电磁波、电磁辐射等部分，可以只选讲部分内容，留待后续课程进行深入探讨。这样既可以突出重点、节约理论课程的时间，又能使学生巩固先期理论，对理论的发展和应用有更为深入的认识，使得教学达到更好的效果。

在实际教学中，根据学生的实际情况和对理论的掌握程度，《大学物理》和《电磁场与电磁波》两门课程不断进行教学改革，总的改革思想为打好基础和提高实践教学学时的比例。大学物理设置了单独的实验课程。《电磁场与电磁波》也探讨减少理论学时、增设实验实践内容等改革措施。针对《电磁场与电磁波》理论抽象、计算难度大等特点，探索采用仿真软件（如Matlab等）进行辅助教学，丰富教学手段，提升学生的学习兴趣；计划建设相关专业实验室，使学生通过实践教学，直观认识电磁现象并进行专业操作与测试，使得电磁学相关课程教学衔接更为顺畅，更为学生今后从事相关技术工作打下基础。

5 结语

《大学物理》和《电磁场与电磁波》都是电子信息类专业的必修课程。本文针对两门课程的特点，结合学生的实际情况，从分析方法的引入、教学内容衔接、教学方法建议等方面对这两门课程进行教学探讨。课程改革是一项长期的任务，任课教师必将克服困难、开拓创新，进一步完善教学手段、实践环节等诸多要素，以期达到更好的教学效果，为培养技术应用型综合人才贡献力量。

【参考文献】

[1]谭朝阳，高玉梅.大学物理学[M].1版.武汉：武汉大学出版社，2015：65-156.

[2]谢处方，饶克谨.电磁场与电磁波[M].4版.北京：高等教育出版社，2006：20-70.

[责任编辑：杨玉洁]