西部高校“电磁场与电磁波”课程可视化教学的探索和实践——以吉首大学为例＊

唐炳

西部高校“电磁场与电磁波”课程可视化教学的探索和实践——以吉首大学为例＊

唐炳

（吉首大学物理与机电工程学院，湖南 湘西土家族苗族自治州 416000）

“电磁场与电磁波”这一课程本身内容晦涩难懂，概念抽象，数学公式复杂繁多，加上西部高校师资力量不足，导致西部高校老师对这一课程难教、学生对这一课程难学。以吉首大学为例，通过与广州粤嵌公司合作开展了对“电磁场与电磁波”这一课程的可视化教学研究。将课程中的理论知识与现代流行的科学计算软件相结合，利用科学计算软件强大的计算功能和可视化功能，让学生加深对理论知识背后物理图像的认识。课后让学生自己编程，做与课堂知识有关的实验，提高学生的编程能力和创造力，让他们得到多方面的发展。

“电磁场与电磁波”；可视化教学；现代科学计算软件；教学研究

1 引言

“电磁场与电磁波”是我校电科专业本科生一门必修课程。其所涵盖的基本理论是很多交叉学科的生长点和新兴边缘学科发展的基础[1]。通过对该课程的学习，有助于电子信息类本科生完善自身科学素养，以适应现代科学技术的发展。但是要学好“电磁场与电磁波”这一课程是比较艰难的，因为它涉及了高等数学与物理学两方面的知识，历来被称为教师难教、学生难学的课程[2]。

对于西部地区高校而言，尽管国家出台并实施了一系列措施来促进和提高西部地区高校教育发展水平，但是由于长期以来受地理位置和交通等的影响，西部地区师资力量薄弱，高校教育发展水平相对而言比较落后[3]。因此，在西部高校地区要教好“电磁场与电磁波”这门课程显得更为困难。校企合作教育是实现高校教育人才培养模式的有效手段，是实现创新创业人才培养的一种有效途径[4]。课堂上教师将课程中的理论知识与现代流行的科学计算软件相结合教学，利用科学计算软件强大的计算功能和可视化功能，让学生从繁杂的数学推导中解放，让他们的思维不停留在理论知识的表面，而是扩展到对理论知识背后物理图像的认识。课堂外通过企业教师对学生进行适合培训，让学生能自己动手编程，做与课堂知识有关的实验，对书中理论知识进行深入的理解和掌握。

2 “电磁场与电磁波”教学介绍

我校所使用本课程教材为谢处方、饶克谨教授编写的《电磁场与电磁波》第四版本，全书共有八章节，包括矢量分析、电磁场和电磁波三大部分。该课程的教学有几大的难点：①数学公式多，理论性强，求解电磁场问题复杂，教师在教授这门课程的过程中需要用大量的时间来完成公式运算与推导，在课时有限的情况下影响了该课程的教学进度和效果，要求学生有较强的数学功底和理性思维能力；②物理模型抽象，书中缺乏相应的物理图像的建立，要求学生要有良好的抽象思维能力。对于西部高校来说，要教好“电磁场与电磁波”这一课程，探索一个新的教学方案是势在必行的。通过与粤嵌公司的合作，开展可视化教学的探索与实践是一个很好的途径。近年来，计算机软件技术蓬勃发展，具有强大的科学计算能力和强大的绘图功能的软件越来越流行，如MATLAB和Python等软件。它们几乎能满足所有现代数学计算，课堂上可以减轻教师的数学公式推导压力，让学生从初始条件中快速得到结果，不用花大量时间在数学公式的推导上，可以利用节省的时间理清知识框架结构。

3 “电磁场与电磁波”课程可视化教学的探索和实践

借助科学计算软件来进行“电磁场与电磁波”课程的可视化教学，目的是提高课堂效率，利于教师对课程知识内容的讲解和学生对理论知识的学习，用生动形象的图片或者动画来提高学生的学习兴趣，课后让学生们自己动手，用软件对书中的例题进行计算和绘图来加深他们对书本知识的理解，同时提高他们的动手能力。通过与广州粤嵌公司合作，由双方共同完成该课程的教学。院校教师通过引入科学计算软件教学，增加实验设计和习题设计，在原有的习题基础上，布置关于利用软件仿真的习题，使教学内容更加形象生动，激发了学生的学习兴趣，改善了教学效果。下面是几个实验教学实例。

3.1 实验一：带电粒子在电场中的运动仿真

3.1.1 实验目的

掌握带电粒子在电场中的运动规律是非常重要的，利用科学计算软件模拟带电粒子在电场中的运动，能够很好地帮助学生学习和掌握相关的理论知识。

3.1.2 实验原理

假设有一均匀电场，有一电子的质量为，电荷为 ﹣，它以速度0垂直射进均匀电场中。利用软件进行编程模拟电子的运动轨迹，可以直观地得到不同电场或者不同初速度的情况下的运动轨迹。变化电场下的电子运动轨迹如图1所示。

3.1.3 仿真结果

图1中变化电场下的电子运动轨迹生动形象，但是如果没有这个仿真，单靠想象力很难想象到该带电粒子在电场中是这样的一个运动轨迹，如果用仪器做实验也是很难实现。但是依靠可视化编程软件，却能够非常直观地得到实验结果，而且随时可以改变初始条件得到不同的运动轨迹，这样的仿真实验只需要一台安装好的现代科学计算软件就行，不受时间、设备仪器的影响。这样生动形象的实验仿真图能够激发学生学习的积极性。

3.2 实验二：点电荷在x、y平面电势分布的仿真

3.2.1 实验目的

点电荷的电场就是一个矢量场，模拟其电力线的分布就可以得到电场的空间分布，利用软件画出点电荷在、平面电势的分布情况。

3.2.2 实验原理

假设真空中一对正负电荷，正电荷位于（﹣1，0），负电荷位于（1，0）。先解析计算出出、平面上的电势，再利用可视化软件画出电势在、平面上的电势分布图，如图2所示。

图2 点电荷在x、y平面电势分布图

3.2.3 仿真结果

如图2所示，该图生动形象地展现了两个正负点电荷在、平面上的电势分布图，把学生从抽象的物理概念和数学公式带入直观的物理图像中来，增加了学习的趣味性，便于学生理解电势相关知识，为后续学习打好基础。

4 结语

本文根据西部高校对“电磁场与电磁波”这一课程难学、难教和师资力量不足的特点，以吉首大学为例，通过与粤嵌合作，将目前十分流行的科学计算软件运用到电磁场与电磁波的教学中来。利用科学计算软件的可视化功能，将抽象的物理概念或者数学公式以生动形象的图画显示出来，让学生不再觉得学习这门课程是枯燥无味的，并激发他们的学习积极性。事实证明，这一教学模式取得了良好的教学效果。

［1］张正峰，那薇.新中国西部高等教育的发展历程、逻辑与未来路径［J］.教育与教学研究，2020，34（9）：87-95.

［2］徐国雄.信息类本科专业“电磁场理论”的教学难点与解决方法探讨［J］.科教导刊（上旬刊），2019，388（10）：115-116.

［3］周雪芳，钱胜，李齐良.“电磁场与电磁波”精品课程建设的探索与实践［J］.中国电力教育，2011（4）：68-69.

［4］郭晋.创新人才培养模式的有效途径——校企合作［G］//深化校企合作促进科技创新学术论坛暨博士后科技成果洽谈会论文集，2011.

2095－6835（2021）06－0091－02

G642

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2021.06.033

唐炳（1986—），男，湖南益阳人，吉首大学物理与机电工程学院副教授，主要研究方向为理论物理。

教育部2018年第一批产学合作协同育人项目“电磁场与电磁波教学改革项目”（编号：201801193025）；吉首大学学位与研究生教育教学改革研究项目（编号：JG2018B06)；湖南省锰锌钒产业技术协同创新中心教学改革研究项目（4）

〔编辑：丁琳〕