电子信息专业《电磁场与电磁波》教学内容体系结构改革的探索＊

丁 兰,陆建隆

(1.无锡科技职业学院电子工程系,江苏无锡214028;2.南京师范大学物理科学与技术学院,江苏南京210097)

电子信息专业《电磁场与电磁波》教学内容体系结构改革的探索＊

丁 兰1,陆建隆2

(1.无锡科技职业学院电子工程系,江苏无锡214028;2.南京师范大学物理科学与技术学院,江苏南京210097)

目前,《电磁场与电磁波》教材内容大致有两种体系结构:“静态场—麦克斯韦方程组—时变场”和“麦克斯韦方程组—时变场—静态场”.对这两种体系结构各自的特点与不足进行了比较,在布鲁纳知识结构理论的指导下,探索了一种电子信息类专业的《电磁场与电磁波》教学内容新体系结构,即“真空中的电磁场与电磁波—介质中的电磁场与电磁波—电磁场与电磁波专题介绍”,这一新体系结构克服原有教材体系结构的不足,使教材具有合理的静态结构与动态结构和与学生的接受水平相适应的呈现与传递方式.

电子信息专业;电磁场与电磁波;教学内容;体系结构

《电磁场与电磁波》是工科电子信息类专业本科生必修的一门基础理论课程,其教学内容着重阐述电磁场与电磁波的基本概念、原理、规律和基本分析方法,及其在实际工程中的应用,所涉及的内容是电子信息类专业学生知识结构的必要组成部分.随着新世纪对电子信息产业高级人才要求的提高,我们尝试对《电磁场与电磁波》教学内容进行改革,而教学内容的体系结构是决定教学内容质量的关键.如何构建一个最佳的教学内容体系结构,是新形势下《电磁场与电磁波》课程实现最佳教学功能值得探索的问题.

1 各类《电磁场与电磁波》教材内容体系结构的比较

教材是教学内容的具体体现和“物化”,从教学的角度看,教材的体系结构就是向学生呈现知识的顺序,下面我们对《电磁场与电磁波》教学内容的体系结构从宏观角度进行比较.

1.1 体系结构比较

教材的宏观结构是从整个教材内容的视野出发,来考虑教材知识的呈现顺序.《电磁场与电磁波》教材的宏观结构,大致可以分为以下两类.

体系结构1:静态场——麦克斯韦方程组——时变场

国内《电磁场与电磁波》课程的传统教材内容以谢处方和饶克谨编写的《电磁场与电磁波》[1]经典教材为代表,其他教材也在类似的框架内,对章节的安排、具体内容的叙述和习题的选择上略作调整.这类教材按“静态场——麦克斯韦方程组——时变场”的顺序组织教学内容,其推理方向由特殊到一般,其中麦克斯韦方程组的提出是从一些实验定律出发,逐步将其一般化,最后综合而成.这类结构的优点在于:在学生具备高等数学和物理学中的《电磁学》知识的基础上,采用这一体系结构组织教材内容,起点较低,学生易于接受.

体系结构2:麦克斯韦方程组——时变场——静态场

为了充实时变电磁场的内容,有一类教材在一开始回顾电磁学的基本定律,从而引出麦克斯韦方程组,紧接着讨论时变电磁场,进而讨论电磁波的传播与辐射特性,最后把静态电磁场作为时变电磁场的特殊情况来呈现.杨显淸、赵家升的《电磁场与电磁波》[2]就采用这样的体系结构.这类结构的优点在于:有利于建立电磁场与电磁波的整体概念和理论框架,在与《大学物理》中的电磁学部分有较好的衔接的同时,又避免了在内容上过多的重复,有效地压缩了静态场,充实了时变场的内容.

我国的《电磁场与电磁波》教材宏观结构大致为以上两种.在书中或最后增加了一些专题章节的教材,其基本结构还是属于以上两类.国外《电磁场与电磁波》教材的宏观结构大致也可分为以上两种,大部分采用“静态场——麦克斯韦方程组——时变场”的体系结构,只是国外教材的内容涵盖面要广泛得多,注重理论联系实际,所以篇幅一般较大.教材供超过一个学期使用,当然,教师也可以灵活选择内容,供一个学期使用.

1.2 体系结构分析

从以上比较来看,教材的基本结构仍以“静态场——麦克斯韦方程组——时变场”和“麦克斯韦方程组——时变场——静态场”为主.两种体系结构虽然各自有其优点,但又各自有其不足.

体系结构1中静态场部分与《电磁学》内容重复较多,所占课时多,势必压缩了时变场部分的内容.体系结构2以时变场为起点,起点较高,在可接受性上不如体系结构1.也有部分教材期望在原有的基本结构基础上,增补一些电磁场与电磁波前沿知识或学科发展过程的内容,来丰富教学内容.如采取另设章节的方法将新增内容嵌入原有教材结构,但在专题内容的选取中,内容的前沿性、新颖性、启发性以及对后续课程铺垫功能上需要编者下功夫,同时应考虑教材的系统性是否受到影响.此外,这种实践会增加学生学习负担,在体系结构上并没有弥补原有结构的不足之处.

因此,有必要从教材的宏观结构着手,对《电磁场与电磁波》的体系结构进行改造,而不是在原有的体系结构上修修补补.但无论教材结构如何改,仍应抓住麦克斯韦方程组这条主线对知识结构进行梳理.

2 《电磁场与电磁波》教学内容新体系结构的构建

2.1 理论依据

美国著名的心理学家、教育学家杰洛姆·希摩尔·布鲁纳认为:“不论我们教什么学科,务必使学生理解该学科的基本结构[3]”.明确的知识结构是易于理解并易于领会的知识整体,也就是说个别的、特殊的事实和现象与知识结构建立起联系,这些个别特殊的事实和现象是知识结构中给出的一般情况中的各种特例.布鲁纳认为:1)现行的极其丰富的学科知识,都可以结构化.2)好的学科知识结构应当可以使学科内容尽量简约化,并使之具有迁移力. 3)人所具有的知识同该知识以什么顺序、什么方式加以掌握紧密联系.4)从形成知识的顺序和方式看,至少有三层阶段.第一层是行为掌握,第二层是图像掌握,第三层是符号掌握.这三种掌握方式有一定的相互关系,形成一连串的顺序阶梯.对教学内容结构体系的设计应从学生的心理学角度进行考虑,注重创造性地把命题转化成适合学生心理特性的内容,以更好地发挥他们的主体性.

2.2 新内容体系结构构建

在比较了教材内容体系结构的基础上,在布鲁纳知识结构理论的指导下,我们对《电磁场与电磁波》课程的内容体系结构进行了大胆的改革设想,采用“真空中的电磁场与电磁波——介质中的电磁场与电磁波——电磁场与电磁波专题介绍”这一新颖的体系结构组织教学内容.

电磁场与电磁波的数学基础作为第一章.以下的教材内容分三篇,第一篇为真空中的电磁场与电磁波,分为:真空中宏观电磁现象的基本规律、真空中的电磁场与波两章.第二篇为介质中的电磁场与电磁波,分为:介质中的麦克斯韦方程组及边界条件、电磁场边界问题的求解、平面电磁波的传播、导行电磁波四章.第三篇为电磁场与电磁波专题介绍,分为五个专题:静态场的应用、静态场边值问题的数值分析、光纤通信、天线系统、生物电磁学.传输线的内容则安排在后续课程《微波技术》中讲述.

这一体系结构的开头一章电磁场与电磁波的数学基础简要介绍矢量分析与场论,它是研究电磁场与电磁波问题的主要数学工具.第一篇则以矢量分析为主要推理工具,展开对描述电磁现象的基本概念、基本规律、基本方法的研究和学习,总结出在真空中的麦克斯韦方程组.

第二篇介绍介质的极化、磁化以及时变场中介质的色散,平面电磁波在无界介质、介质分界面、有界介质中的传播特性,以求解各种边值问题为目的,体现演绎法的特点和功能.

第三篇的内容可以分为静态场、动态场以及与电磁理论交叉的领域三块.第三篇内容是在第一篇与第二篇基础上的拓展.

3 新体系结构的特点

3.1 克服原有教材体系结构的不足

这一新体系结构突破原有的基本体系结构,在第一篇和第二篇中把静态场与时变场有机结合,有效克服了体系结构1中时变场“姗姗来迟”的缺点,同时也克服了体系结构2中以时变场开头,起点高的不足.第一篇所研究的基本定律以及它们的解只限于真空中的情况,第二篇则引入介质,讨论介质中的麦克斯韦方程组及其解,是上篇的应用.这样的体系结构让学生能循序渐进地学习课程的基本知识、方法和技能,学会应用;并且有效地分散教学难点,减少学生的学习难度.体系结构的变革也为新内容的增添提供了广阔空间,第三篇的设置用于增添新内容,克服在原有结构中过多新内容的嵌入破坏体系风格的缺陷.

3.2 夯实基础教学内容,教材的静态结构合理

所谓知识结构,是在学科结构的基础上,加上教学中涉及到的学科的知识而构成的知识体系,教材的静态结构是教材体系结构中的知识构成问题[4].在《电磁场与电磁波》教材中,麦克斯韦方程组是线索,它完整而严密地描述了电磁场的全部特性,包括电磁场与电荷、电流分布之间的关系以及变化的电磁场量之间的关系,它以基本实验定律为基础.麦克斯韦方程组的解给出了所有电磁场问题的解答.在新体系结构中我们依然抓住了这一条主线,从麦克斯韦方程组可以导出静电场的标量电位、恒定磁场的矢量磁位、时变电磁场的滞后位,讨论真空中的静态场和真空中的平面电磁波传播以及真空中的电磁波辐射.在介质中,根据麦克斯韦方程组和特定条件解波动方程,讨论电磁波在无界介质中的传播;麦克斯韦方程组转化的波动方程加上边界条件解得平面波在分界面的反射、折射和在有界空间中的传播.从教材的静态结构看,内容覆盖电磁场与电磁波的基本知识点,而且知识要素的结合极富创造性.

3.3 教材内容的局部与整体更新相结合,教材的动态结构合理

体系结构的变革不仅带动已有内容发生变化,同时也为增添新内容提供了广阔空间.教材内容和体系结构更新的问题,即教材内容和体系结构的动态结构[5].新体系结构中教材内容的更新,主要体现在第三篇电磁场与电磁波专题介绍,本篇介绍了光纤通信、天线系统的前沿技术以及电磁场与波和生物学科的交叉内容——生物电磁学,包括视网膜中的光纤,心脏偶极场、生物场等内容.此外,随着计算机的发展和用于计算的软件的大量涌现,在PC机上实现数值方法也显得尤为重要,在第二篇中介绍了电磁场边值问题的解析法,第三篇的静态场边值问题的数值分析专题中介绍MATLAB软件基本功能、基于MATLAB的电磁场数值计算.我们旨在把下篇的内容作为电磁场与电磁波的先进主题,为学生的后续课程以及研究作铺垫.此外,我们加强了对教材内容的整体更新,即在第一篇和第二篇部分以“评述”的形式开一些“窗口”和“接口”,用以介绍一些电磁场与电磁波中的前沿内容和当代热点问题.比如在平面电磁波的传播一章,介绍超光速;在各向异性介质中的均匀平面波中,介绍极化面旋转效应在微波器件中的应用.

3.4 教材体系结构具有与学生的接受水平相适应的呈现与传递方式

教材的编写,不只是在学科结构上作一些精简,在内容数量上作一些变化后就移入教材,教材的知识选择和体系结构应符合人的认知规律,其中思维起着核心作用.从宏观的角度来考虑《电磁场与电磁波》的体系结构,由布鲁纳的螺旋式课程教材系列原则规定,序列化的内容要同智力发展水平相一致,该序列应围绕着基本概念而建立.第一篇所研究的基本定律以及它们的解只限于自由空间(即真空).第二篇则弥补这个缺陷,讲述了电介质和磁介质中电磁场的宏观特性,借助极化强度矢量P,对电介质进行研究,然后对第一篇中已介绍的自由空间中的麦克斯韦方程组进行修正.相仿,借助磁化强度M,对磁介质进行研究,引入磁荷模型,通过与电荷系统的类比得到磁场的解答,对自由空间中的麦克斯韦方程组加以修正,得出在介质中的麦克斯韦方程组.在电磁场与波中,麦克斯韦方程组是核心概念,按照布鲁纳的理论,对于这个相同的概念要在每个阶段反复讲授,但其复杂水平则应逐步提高.在第一篇与第二篇中对于麦克斯韦方程组这一同一概念的周期性循环产生了一个螺旋序列,并且随着学生认识的发展,加深对麦克斯韦方程组的阐述.

4 结束语

对《电磁场与电磁波》课程结构体系的改革收到了初步的成效,学生反应良好.这门课程的进一步改革,仍要考虑实际教学中出现的问题的合理解决.教学内容体系结构的构建好比构建一栋大厦,在基本内容相同的情况下,不同的体系结构、阐述方式可以翻出许多花样,正所谓仁者见仁,智者见智.随着新世纪高等教育改革的不断深化,《电磁场与电磁波》的教学内容体系结构将越来越多样化,我们要不断地摸索、实践,着眼于新世纪电子通信人才创新精神的培养与综合素质的提高,不断完善课程的教学内容体系结构及与之相应的教学模式.

[1]谢处方,饶克谨.电磁场与电磁波[M].第3版.北京:高等教育出版社,1997:10.

[2]杨显淸,赵家升,王园,等.电磁场与电磁波[M].北京:国防工业出版社,2003:7.

[3]联合国教科文组织.教育——财富蕴藏其中[M].北京:教育科学出版社,1996:30.

[4]范印哲.教材设计与编写[M].北京:高等教育出版社, 1998:216.

An I nvestigation of Teaching Content and Plot Structure’s I nnovation"Electromagnetic Fields andWaves"for Electronic I nformation Engineering

D INGLan1,LU Jianlong2

(1.Electronics EngineeringDepartment,Wuxi Professional College of Science and Technology,Wuxi Jiangsu 214028,China;2. College of Physical Science and Technology,NanjingNormalUniversity,Nanjing Jiangsu 210097,China)

Currently,Electrom agnetic Fields and W avesteaching content has two different structures,which are“Static Field–Maxwell Equations-T ime-varying Field”and“Maxwell Equations-Time-varying Field -Static Field”.After comparing characteristics and limitations of the structures,and under the guidance ofBruner’s theory,the paper tries to find a new kind of plot structure ofElectrom agnetic Fields andW avesfor the major of electronic and information science.The new structure,which has overcome limitations of the original teachingmaterial,is“Electromagnetic Field and Electromagnetic Ware in Vacuum-Electromagnetic Field and ElectromagneticWare in Medium–Topic Introduction of Electromagnetic Field and Electromagnetic Ware”.Besides,the structure makes static state structure and dynamic state structure of teachingmaterial teachingmaterialmore logical, and has a suitable present and transfermode for acceptable level of students.

electronic information engineering;electromagnetic fields and waves;teaching content;plot structure

book=9,ebook=346

G642.0

A

2010-08-01

丁兰(1980-),女,江苏无锡人,讲师,硕士,研究方向:微电子技术及其教学.陆建隆(1962-),男,江苏常州人,教授,硕士,研究方向:理论物理和大学物理及其教学.

1673-2103(2010)05-0116-04