地方高校《电磁场与电磁波》课程教学思考

地方高校《电磁场与电磁波》课程教学思考

甘德成刘建欣

长江师范学院   408100

【摘要】对地方省属高校课程电磁场与电磁波教学现状，学生基础，课时及课程体系的设置，虚拟实验环境搭建，讲好基本概念及其概念背后物理学家及其数学家的科学研究，电磁场与电磁场在日常生活中的相关应用，借助仿真工具，设置合理考核方式，从培养学生基本的数学思维，及其空间场域的抽象概念。增强教学效果，培养学生学习兴趣，应用电磁场与电磁波的理论知识于社会生产实践中，增强创新能力。

【关键词】电磁场与电磁波；电子信息类；课程教学改革；

《电磁场与电磁波》是高等院校电子信息类，通信工程等专业的一门重要的专业核心课程。笔者所属院校是一所地方省属本科院校，学生基础差，所招收的学生对口电子高职、及对口通信高职的学生，职高没有开设高中物理课程，所学习的大学物理有关电磁学部分授课老师基本上也是一带而过，高等数学所涉及到多元微积分，曲线积分，曲面积分，高斯定理、斯托克斯定理、格林定理、拉普拉斯方程、亥姆霍兹方程的应用也是掌握较少，笔者在问及这些授课老师时，学生听不懂，就没有对学生做更多的要求。即使是985，211的学生也感到该门课程概念抽象，需要扎实的物理数学知识，理论性强，公式繁多，不易理解，学生难学，教师难教，学生只是为了应付考试过关，学习积极性欠佳，没有达到《电磁场与电磁波》教学目的。至于目前地方省属高校工科电子类课程学时设置一个是32学时，一个是48学时，全是理论学时，无实践学时，缺乏有效直观手段帮助学生理解“场”与“波”类等抽象概念。在这教学课时有限，学生生源差，教学实验环境匮乏的地方省属高校，如何进行电磁场与电磁波的教学，提出几点思考和建议，希望有助于类似高校的教师在进行电磁场与电磁波教学时，能提高教学质量，达到较良好的教学效果，提出几点建议。

讲好基本概念，不拘泥于重要定理和定律及重要公式、方程组的数学推演，注重概念的内涵的理解，理解好电场、磁场的产生机理及电磁波在空间的传播形式。

场是一种物质，空间和时间是场存在的基本形式。若描述场的物理量只与空间有关，与时间无关，称之为静态场；反之，描述场的物理量即与时间有关，又与空间有关，称之为动态场。根据描述场的物理量是标量或者是矢量，把场又可以分为标量场和矢量场。为了定量的分析场量，而场与空间有关，必须引入描述空间的坐标系，根据常见的物理建模，引入的直角，圆柱，球三种空间坐标系。特别注意各种空间坐标系下位置矢量，线元矢量，面元矢量，体积元的数学描述。注意三“度”梯度，散度，旋度的物理概念的理解与计算；标量场的梯度，矢量场的散度和旋度，标量场的梯度表示标量的物理量在空间某点变化率最大的方向，其大小等于其最大变化率；产生矢量场的源既有散度源，又有旋涡源；矢量场的散度与产生该场的散度源在空间某点的密度分布有关，矢量场的旋度与产生该场的漩涡源在空间的密度分布有关。电荷是产生电场和磁场的基本物质源，电荷周围产生电场，电荷定向移动形成电流，电流的周围产生磁场，电荷定向移动形成的恒定电流在其周围的空间产生恒定磁场，变化电流产生变化的磁场，变化的磁场产生变化电场，变化的电场又产生变化的磁场，周而复始的进行下去，从而空间形成电磁波。法拉第电磁感应定律说明随时间变化的磁场会产生电场，而麦克斯韦方程组则表明随时间变化的电场会产生磁场，于是变化的电场会产生磁场，新产生的变化的磁场又会产生电场，如此反复形成电磁波，波在空间的传播是以能量形式传播，根据波印廷定理波的传播方向垂直于电场和磁场所决定的平面。联立麦克斯韦方程还能导出真空中的波动方程等于光速的传播速度，这也验证了光就是电磁波的说法。

讲好电磁场与电磁波的相关理论知识在我们日常生活中的应用，培养学生对电磁场与电磁波的学习兴趣，讲好一些伟大的物理学家及数学家（奥斯特、库仑、安培、法拉第、麦克斯韦、赫兹；高斯、拉普拉斯、亥姆霍兹等）对电磁场理论发展史所做出的历史贡献，激励学生进行科学研究，推动人类社会不断进步。电磁场与电磁波的理论知识用于广播，电视，卫星通信及手机通信、GPS定位和导航、磁悬浮列车、隐形飞机等技术。例如在讲到静电场的应用时，可以讲静电除尘、静电复印、静电屏蔽的工作原理及静电的危害与防护。恒定磁场的磁屏蔽，回旋加速器、磁聚焦、等离子体的磁约束、霍尔效应等应用。电磁场在医学领域的应用，CT、磁共振成像、微波切除肿瘤；电磁频谱，极化技术的应用，射频识别技术，电磁波的增透技术与隐身技术，电子战等的应用；电磁炉、微波炉、GPS定位、条形码阅读器，电磁兼容技术、气象站的雷达天线罩。引导自行查找相关资料，弄清工作原理，培养学生主动学习该课程的兴趣。

将多媒体课件、虚拟仿真软件应用于教学，利用MATLAB工具实现标量函数、矢量函数可视化，矢量梯度、散度、旋度可视化，将抽象、难懂的物理概念变得更加形象直观，加深学生对概念的理解与认识。电磁场与电磁波中梯度、散度、旋度、拉普拉斯、通量、环流、曲面积分、曲线积分、体积分在三种坐标系的计算非常繁琐和复杂，借助MATLAB数学工具，帮助进行计算，省去复杂的计算过程，理解真正的物理概念，克服学生数学功底不足，影响物理概念的理解。场类实验设备价格昂贵，地方院校实验经费不足，随着计算机技术发展，增设虚拟仿真实验，弥补实验硬件设备不足等教学条件，利用MATLAB工具绘制电场线，磁力线，等势面，隐形衣的射线追踪，行波驻波的动态展示，电磁波极化的动态演示，矩形波导中的电磁波的传输等。通过虚拟仿真实验的可视化效果验证和巩固所学理论知识，将电磁场的三维特性和电磁波的波动性形象直观展现，抽象的概念变得生动具体；提高学生分析问题、解决问题及实际动手的能力，培养学生创新思维能力，培养学生应用数学物理方法解决实际问题的能力，极大的提高了学生学习兴趣。

设置合理考核方式，考核方式决定其教学效果，采用何种考核方式对课程教学会产生很大影响，学生只会死记硬背公式，定理及基本概念，对课程的体系及其概念不会融会贯通，考试成绩的高低并不能反应的真实水平，鼓励学生对课程感兴趣的领域进行探索，以小论文，成果汇报的形式进行考核。采用过程考核，期中，期末考核相结合，过程考核有作业，小论文，上课提问等方式，占其比重的20%；期中考试占40%，期末占比40%。鼓励学生多做习题，加深对电磁场与电磁波基本定理，公式，定律的理解与应用。

电磁场与微波技术是电子信息类专业所具备的基础知识，在通信，航空航天，国防，集成电路，无线电能传输，WiFi连接，电动汽车等领域应用非常广泛。鉴于地方省属高校师生素质，资金短缺，课程本身具有难教，难学，难用等特点，提出了讲好基本概念，讲好背后故事，理解其应用场景，借助仿真工具，设置合理考核方式等举措来增强电磁场与电磁波的教学效果，提高教学质量。

参考文献：

［1］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.

［2］杨显清，王园，赵家升.电磁场与电磁波（第 4 版）教学指导 书［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［3］ 管爱红.《电磁场与电磁波》课程教学思考［J］.教育教学论 坛，2015（14）：227-228.