“电磁场与电磁波”课程教学改革思考与探索＊

王波云

（湖北工程学院物理与电子信息工程学院，湖北孝感432000）

1 引言

“电磁场与电磁波”课程是电子信息类学生必修的技术基础课程，是电气工程师必备的基础知识，是电磁理论的重要组成部分，并且“电磁场与电磁波”课程理论知识非常系统完备，应用技术非常广泛实用，学好这门课程有助于增强学生利用电磁场和电磁波的理论知识解决实际电磁工程问题的创新能力。

电磁理论在麦克斯韦方程组建立后的一百多年里，随着科学技术的发展，电磁理论得到了广泛的应用和发展。电磁理论在生产生活的各个方面得到广泛应用，尤其近三十年来，随着无线电电子学、计算机和网络技术的飞速发展，生物电磁学、环境电磁学和电磁兼容等学科的建立，电磁理论产生了许多新的前沿研究课题。但是，要学好“电磁场与电磁波”这门课程，需要非常扎实的数学物理基础，由于多数学生“高等数学”“数学物理方法”和“大学物理”学习不扎实，导致学习这门课程的难度很大，学生在课堂上觉得听不懂，在平时学习的过程中感觉太难。其实“电磁场与电磁波”这门课程知识内容比较系统全面，知识主线比较清晰，只要掌握了这门课程的学习规律，掌握了利用数学方法解决实际电磁工程问题的一般步骤，掌握了分析、解决和归纳问题的一般方法，学习起来并不困难。

2 “电磁场与电磁波”课程教学存在的问题

目前我校光电信息科学与工程、电子信息工程、电子信息科学与技术、电气工程及其自动化4 个本科专业开设了“电磁场与电磁波”这门课程，均安排在大二下学期，学生在大一、大二上学期完成了“高等数学”“数学物理方法”“大学物理”等课程的学习，为“电磁场与电磁波”课程的学习储备了必要的数学物理知识。但是，由于主观和客观的原因，使得学生在学习这门课程时遇到了很多困难。

首先，部分学生的数学物理基础不够扎实。学生学完数学、物理等基础课程之后，再学习这门课程，中间间隔了一年左右的时间，利用数学物理知识解决实际电磁问题不够熟练。

其次，“电磁场与电磁波”这门课程理论性强、知识抽象、公式方程繁多，课程的性质就决定了学生学习起来具有难度。需要掌握的重要定理和定律包括散度定理、斯托克斯定理、电荷守恒定律、库仑定律、电磁感应定律、安培环路定理、坡印廷定理等20 个以上，重要的公式方程包括梯度、散度、旋度、麦克斯韦方程组、电位、磁矢位、磁标位、波动方程、达朗贝尔方程等40 个以上。另外，通过分析时变电磁场，得到电磁波的性质及应用。在分析推导的过程中，学生不仅要熟练掌握电磁理论知识，而且需要灵活运用高等数学和数学物理方程中的一些经典性的解法，例如灵活运用镜像法、分离变量法、时域有限差分法求解电磁场问题。

最后，由于实验教学条件的限制，电磁场的基本规律和电磁波的技术应用无法通过实验手段形象地展示给学生，使得许多学生无法理解抽象的物理概念、物理内容和物理过程，不能建立一个很清晰的物理图像，理论知识与实验实践脱离，从而影响整个课程的学习。

总之，“电磁场与电磁波”这门课程对学生来说难度很大，学生学习起来觉得很枯燥，不能有效地激发学生的学习兴趣和提高学生的学习质量，导致考试不及格率较高，学生利用电磁场与电磁波的理论知识解决实际电磁工程问题的能力不强，尤其是解决电磁技术难题的实际动手能力不强。

3 课程教学改革探索与实践

3.1 理论联系实际激发学生的学习兴趣

“电磁场与电磁波”这门课程理论知识深奥，公式方程晦涩难懂，我们可以通过讲解一些电磁场与电磁波在生活中的应用，激发学生的学习兴趣，加深学生对知识的理解。在讲到电磁场理论的发展历史时，会出现很多物理中耳熟能详的名字，通过讲解这些名人重大发现的励志故事，激发学生学习兴趣，同时对学生的学习也是一种激励。在讲到电磁感应定律时，回顾法拉第如何由一个木匠家庭出身的辍学少年，通过自己的刻苦努力，最终发现了著名的法拉第电磁感应定律，法拉第的励志故事对学生的学习和以后的成长都具有激励作用。讲到手机通信、电视、广播、卫星通信、GPS定位与导航、磁悬浮列车、隐形飞机等技术，能够使学生产生浓厚的兴趣。讲到电介质的极化时，可以举例说明家用电器微波炉就是利用电介质极化的原理加热食物。讲到电磁波的极化时，为了实现信号的最佳接收，收音机和广播天线要与地面垂直放置，电视天线与大地平行放置。讲到半波长介质窗时，气象站的雷达天线罩就是利用半波长介质窗原理设计而成。理论联系实际不仅能够激发学生的学习兴趣，而且能够使学生对所学知识融会贯通。

3.2 多媒体授课与板书结合创新课堂教学模式

教材中关于矢量分析、矢量的线积分和面积分、镜像法、均匀平面波在无界空间中的传播、电磁波的极化等内容，相对来说比较抽象，学生很难想象。利用多媒体课件具有生动、直观、形象的优点，用动画、图片的形式将静态抽象的内容变得形象生动，使复杂的电磁原理变得简单直观，这样大大提高了学生的学习效率，激发了学生的学习兴趣。但是，如果整堂课都采用多媒体授课，不仅授课内容知识量大，而且授课方式单调枯燥，学生容易产生疲劳的心态和枯燥的情绪，学生可能就会分散注意力，大大降低了学生的学习效率。为了缓解学生听课的紧张度和疲劳度，教师可以采用示范法、教练法、讲授法、课堂讨论互动等各种教学技能去配合多媒体课件的使用。板书内容可以是授课章节的内容框架，也可以是授课内容的重难点知识，一方面学生可以很清晰地掌握教师的授课思路和重点，另一方面为学生做好课堂笔记赢取时间。总之，教师平时要注意加强形象化知识的积累，比如收集图表、动画，制作Flash 动画，录制视频，不断丰富完善多媒体课件，同时要采取灵活多样的黑板板书，使得课堂教学形式变得丰富多样，有效激发学生的学习兴趣，提高课堂教学质量。

3.3 多讲例题和答疑辅导促进学生对知识的消化巩固

电磁场与电磁波的定理定律、公式方程特别多，学生多做例题有助于加深理解，有助于熟练地掌握知识，教师多讲例题能够归纳出解题规律。例如为了加深学生对电磁波的极化的理解，可以精讲一些例题，让学生掌握极化的概念和含义，掌握直线极化波、圆极化波、椭圆极化波的条件和特点，能够准确地判定一个电磁波的极化状态，这类题目的关键就是找到电磁波的瞬时表达式，得到各分量振幅之间和相位之间的关系。四分之一波长匹配层和半波长介质窗是均匀平面波对多层介质分界平面的垂直入射的一个非常重要的内容，求解四分之一波长匹配层和半波长介质窗的条件，是解这类题目的关键，通过分析规律，得出四分之一波长匹配层有消除界面反射和电磁波能够无损耗的通过半波长介质窗的结论。此外，利用课外时间定期对学生进行答疑辅导，辅导学生不会或者不懂的地方。通过作业反馈的信息，及时解决部分学生知识没有完全掌握的问题。

3.4 尝试开设新实验和虚拟仿真培养学生的创新能力

受实验条件的限制，我校开设的“电磁场与电磁波”课程为48 个学时，全部为理论学时，目前很多高校尝试开设“电磁场与电磁波”的实验课。通过开设实验课，学生动手机会多，手脑互动，既能够加深对理论知识的理解，又能够锻炼学生的实际动手操作能力，促进学生创新能力的培养。同时，利用FDTD 软件进行静态电磁场及其边值问题的求解等计算，并与理论结果相比较。我们“电磁场与电磁波”课程建设的下一步的重点是增设实验教学内容，主要是增设FDTD 软件虚拟仿真实验，通过软件虚拟仿真实验验证并巩固所学的理论知识，培养学生分析问题、解决问题及实际动手能力，训练学生的创新思维能力。

4 结论

本文通过分析“电磁场与电磁波”课程教学目前存在的问题，提出了4 条课程教学改革方案，通过理论联系实际，激发学生的学习兴趣，通过多媒体授课与板书结合创新课堂教学模式、多讲例题和答疑辅导，促进学生对知识的消化巩固，尝试开设新实验和虚拟仿真培养学生的创新能力，最终激发学生的学习兴趣，提高学生的学习质量。面对“电磁场与电磁波”这门课程学生难学、教师难教的现实，我们更应该克服困难，迎难而上，在平时教学过程中，多实践，多探索，多创新，同时要与学生多交流互动，真正做到教学相长，真正践行“不忘初心，教书育人”。