“工程电磁场理论”课堂教学实践探索

李海 于文莉 王平建 魏书田

摘 要 “工程电磁场理论”是高校电子信息类专业的一门重要专业基础课程，重点阐述宏观电磁场和电磁波的基本概念规律、基本性质等理论及在工程中的应用。结合该课程特点以及教学中存在的实际问题，我们探索出一套行之有效的课堂教学模式。在实际的教学中起到了较好的教学效果。

关键词 工程电磁场 教学方法 教学改革

中图分类号：G424   文献标识码：A   DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2015.09.063

Research and Practice on the Theory of Engineering Electromagnetics

LI Hai[1]， YU Wenli[2]， WANG Pingjian[1]， WEI Shutian[1]

（[1] College of Information and Electronic Engineering，

Shandong Institute of Business & Technology， Yantai， Shandong 264005;

[2]College of Computer Science and Technology，

Shandong Institute of Business & Technology， Yantai， Shandong 264005）

Abstract "Theory of Engineering Electromagnetics" is a major basic course for electronic information specialty in high school， which mainly introduces the basic concepts， rules and the properties of electromagnetic field on the engineering applications. Combed with the features of discipline and the problems existing in the teaching practice we find an effective classroom teaching pattern which could improve the teaching quality highly.

Key words Engineering Electromagnetics; teaching methods; teaching reform

0 引言

关于电磁现象及其电磁理论的研究最早可以追溯至18世纪。随着麦克斯韦电磁理论的建立以及现代科技的发展，电磁场理论已越来越广泛地渗透到了通信、医疗、科学研究等人类生活的各个方面。因此，“工程电磁场理论”被物理、通信、控制、光电、遥感等众多理工类专业列为专业基础课而开设。

“工程电磁场理论”课程主要涵盖宏观电磁场的基本性质和变化规律、电磁场与物质间的相互作用以及场的基本分析方法。通过对本课程的学习，希望使学生掌握电磁理论基本概念与规律，为后续课程如电磁兼容，天线理论等学习奠定基础;同时，培养学生利用场的思维方式去分析和解决一些实际工程问题的能力。然而，在我们的实际教学过程中却碰到了各种问题，影响着教学质量的提高。如何能有效地提高工程电磁场理论课程的教学质量一直是许多高校教师关注的课题。经过多年的教学探索实践，我们找到了一些有益的教学经验与方法对提高教学质量非常有效。

1 工程电磁场理论课堂教学问题分析

在工程电磁场的实践教学过程中，我们发现对课程教学形成压力和问题的因素大体可归纳为以下几个方面：（1）当前课程改革引起教学课时大幅减少的压力。根据我校课程改革计划工程电磁场理论课程教学课时设置为32学时。如何在这么少的课时内完成本课程的教学任务并使学生有效地掌握各知识点，这一直是许多教师面临的问题;（2）本课程教学内容的特点给学生顺利学习带来的压力和问题。与大学物理和电路等课程相比，本课程具有涉及数学知识较多，理论推导复杂以及物理概念更抽象等特点。①②③因此，在学习的过程中许多学生有种畏惧的心理，特别是对数学基础掌握的不扎实的学生会感到本课程越学越难并很容易中途产生放弃继续学习的想法;（3）学生对本课程重要性认识不足以及在学习过程中积极性的缺乏。一些学生经常片面地认为课时少的课程一般不重要，往往表现出思想涣散、课堂上注意力不集中以及不认真完成课后作业等问题;（4）传统单一的教学模式和教学方法未能有效激发学生学习的兴趣。经过多年的不断探索实践，我们发现在工程电磁场教学的过程中沿用传统的教学方式如仅仅采用粉笔加黑板或多媒体课件教学方式，往往给学生学习带来不同的困难。前者容易使学生陷入繁杂数学的推导中从而忽略对物理图像以及实际应用的直观认识;后者则由于教学速度快，信息量大以及教学内容多等特点，使得许多学生在课堂上的思路跟不上教师从而严重影响课堂教学效果。此外，采用多媒体授课由于包含更多的授课内容和信息量，若处理不当很容易给学生消化所学内容带来困难。以上这些是我们在实际课堂教学过程中经常碰到的问题。

2 课堂教学方法探索与改革

基于以上课堂教学中存在的各种困难与问题，我们重点围绕学生、教学内容和教学手段和模式等几个个角度进行了探索与改革。

（1）调动学生学习的兴趣，充分重视第一次课堂教学。基于电磁场理论这门课程的最突出的特点：数学与物理高度结合、物理概念较为抽象且物理图像不易建立等，我们应充分备好第一次课，包括查阅电磁场研究进展文献、收集电磁场在工程以及生活中各方面的应用实例和视频材料等并精心组织材料、撰写讲稿和制作多媒体课件。通过对电磁场理论发展历史和趣事讲解、电磁场在工程和科技应用中的视频动画演示（如静电喷涂、避雷针的实际安装、高压作业、磁悬浮技术应用以及电磁弹射与微波武器等）、课堂交流互动等多种有趣的形式将电磁场理论在我们日常生活以及科学研究中的重要性最大程度地展现给学生，让学生感受到电磁场的有趣性和重要性并初步形成对电磁场整体的感性认识。通过第一次课堂教学，我们要实现的目标不仅仅是让学生简单理解电磁理论发展历史，更重要的是充分激发学生对电磁场的兴趣，为学生在后续知识学习中提供足够的动力。正如人们常说的“一日之际在于晨，一年之际在于春”，那么要使学生保持一种持续良好的学习势头，第一次课堂教学则显得更加重要。

（2）合理选择教材、有效组织教学内容。面对教学改革带来的较短授课时数的压力，如何协调授课内容和课时量之间矛盾是我们必须考虑的问题。首先，在教材选取方面要结合所教授专业和授课学时数量对教材进行合理选择。教材选择要重点考虑几个方面：（1）教材重点教学内容设置是否与所教专业更吻合;（2）教材结构安排和知识点阐述等是否清晰简洁便于学生自学;（3）教材中重点内容设置是否完整且合适相应学时的授课等。其次，在教学过程中，我们一般选择一些比较经典的电磁场理论方面的教材如《电磁场与电磁波》（谢处方、饶克谨著），④《工程电磁场原理》（倪光正著），⑤《工程电磁场（英文版）》（Hayt，W.H，Buck，J.A）⑥和《Elements of Engineering Electromagnetics》（Rao， N. N， 6th Ed）⑦等作为参考，对课堂教学中的部分知识点进行扩充，促进学生对某些概念、规律更加深入的认识;同时，我们也通过网络搜索和查阅一些相关电子期刊文献了解电磁场在工程应用中的最新进展，并将其在相应的理论学习中引入介绍，不仅有助于学生对理论知识的深入认识、开阔他们的视野而且也有助于理论与实践结合提高他们学习的兴趣。最后，结合教材和参考资料认真撰写讲义，列出每节课的教学重点和难点并根据教学内容设计相应的教学方法。此外，为便于学生学习和理解，有时需要根据自己对教学内容的理解适当调整和重新组合各知识点的教学次序。如在介绍麦克斯韦微分方程组时多数教材都将四个方程分别作为独立的内容引出，这样显得有些零散;我们发现：如果在讲授完通量和环量积分以及散度和旋度定理之后就可以在引导的基础上让学生从两个积分公式（通量积分和环量积分）出发自己来导出麦克斯韦方程组，然后再对各方程暗含的电磁特性进行分析说明则效果更好。这不仅让学生体验了麦克斯韦方程组如何得来而且也使重点内容更加突出利于学生对麦克斯韦方程组的深刻理解。

（3）结合教学内容教学方法多样化。在教学的过程中，如果我们一味地采用传统的板书教学或过分依赖多媒体全部内容都采用PPT进行讲授则很容易让学生感到枯燥并产生畏难情绪。因此，为调动学生的学习积极性，充分发挥课堂教学的效率，我们需根据各部分教学内容的特点设计相应的教学方法，如在讲授电磁场的“场”和“源”的关系、静电场和恒定磁场的特性时，我们可以运用“比拟法”和“类比法”进行讲解;关于电磁波传播特性的讲授中，可以充分利用视频演示与理论推导结合的方法进行：在首先提出问题（电磁波在不同介质中有何特性？）的基础上，进行电磁波在不同媒质中传播的视频演示（如高频淬火、微波炉加热和海水中通信等），最后进行传播特性的理论推导说明;在讲授利用镜像法和分离变量法求解工程问题中，除通过板书推导展示问题的处理方法外，最好利用 Matlab 或 Mathematic 软件进行问题仿真以展示和分析场的分布特征等;此外，基于问题的启发式教学也是我们常用的一种教学方法，此方法针对某具体问题的拓展模型教学中特别适用，如点电荷或线电荷分布对不同特征的金属导体球与面的镜像以及点位、电场分布特征的讨论等。在教学方法的设计上，没有固定形式但要遵循几点原则：（1）讲授的知识要点突出，比拟、类比运用恰当;（2）对于需要进行理论推导的部分尽力简洁并重点注重对所推导数学表达式反映的物理含义以及表达式适用范围和条件的阐述与说明;（3）在教师引导下能有效调动学生的积极性，使课堂能体现“学生为主体”的指导思想。

3 结束语

工程电磁场理论在电子信息类专业中占据着非常重要的地位，如何能够有效地提高工程电磁场理论的教学质量——为相关专业学生打好理论基础并提高他们分析、解决实际问题的能力，这一直是许多高校教师不断探索实践的一个问题。本文通过对电磁场理论课堂教学实践的归纳与总结，希望能为提高高校工程电磁场理论课堂教學提供有益的参考。

基金项目：山东省自然基金项目（编号：ZR2013AQ013，ZR2013AL014）;山东工商学院博士启动项目（编号：BS201418）

注释

① 田雨波，张贞凯.“电磁场理论”教学改革初探[J].电气电子教学学报，2008.30（1）：11-13.

② 张华美，徐立勤.“电磁场理论”课程教学的几点认识[J].科技信息，2010（14）：3.

③ 彭麟，姜兴.中美高校电磁场教学比较研究[J].中国电力教育，2014（17）：73-74.

④ 谢处方，饶克谨.电磁场与电磁波（第4版）[M].北京：高等教育出版社，2006.

⑤ 倪光正.工程电磁场原理（第2版）[M].北京：高等教育出版社，2009.

⑥ Hayt，W.H，Buck，J.A.工程电磁场（英文版）（第7版）[M].北京：清华大学出版社，2009.

⑦ Rao， N. N. Elements of Engineering Electromagnetics[M].6th Ed. Pearson Prentice Hall;Upper Saddle River，NJ，2004.