电磁场理论教学改革的探索

姜宇驰

（常熟理工学院物理与电子工程学院，江苏 常熟 215500）

电磁场理论教学改革的探索

姜宇驰

（常熟理工学院物理与电子工程学院，江苏 常熟 215500）

电磁场理论是电子通信专业本科生的专业基础课程，根据该课程的特点，提出多种改善课堂授课效果的方法，包括补充“场”的知识和应用背景，比拟法的引入、和媒体的有效结合以及多种教材的整合等，有效地提高了学生学习效率，改善了课堂授课效果。

电磁波理论；比拟法；课堂教学

《电磁场与电磁波》这门课程是高校电子科学与技术、通信与系统等专业学生必修的专业基础课，由于该门课程的内容建立在数学矢量分析基础上，围绕麦克斯韦方程的求解，使学生熟悉电磁场问题的数学模型的建立，并掌握波动方程和拉氏方程的分析方法。另外，电磁场理论也是电子通信专业学生进行后续微波理论、天线设计以及电磁兼容等研究领域的前提。因此，《电磁场与电磁波》这门课程在整个教学培养方案中起着承上启下的作用。《电磁场与电磁波》这门课程与大部分基础课程相比，其涉及到的基本概念和思想方法较多，公式多而复杂，推导过程繁琐，如何改进教学方法，提高学生的学习兴趣成了该门课程教学的当务之急。

一、激发学生的学习兴趣

学生的学习兴趣源于学生对该门课程意义的总体把握，教学的目的就是使学生认识到“学以致用”，不切实际的纯粹空洞的理论往往使学生难以掌握该门课程的精髓，因此，要将课堂的理论学习和实际结合起来，将枯燥的公式融进工程实践中并用以指导实践，这必将极大地激发学生的学习兴趣。具体表现在以下几个方面：

（一）给学生适当补充与电磁场理论相关的“场”的概念和相关领域的工程背景知识

著名认知教学心理学家诺曼和鲁墨哈特根据图式理论，提出知识的掌握需经过生长、重构和协调三个阶段，学生通过接触各种形式的知识，包括术语、事件、理论解释等等，力图把这些“外来的”知识与自己原有的知识联系起来［1］。而电磁场理论与《数理方法》、《普通物理学》、《新型代数》、《场论》等课程有着紧密的关系，所以在绪论中要像学生普及“场”的基本概念。同时，在还要重点介绍电磁场理论在工程中的实际应用，比如微波技术，对天线设计的指导以及当下比较感兴趣的热门领域：电磁兼容，电磁屏蔽（如防辐射服的原理）等等，从而激发学生对该门课程的期待和憧憬。另外，在平时的课堂教学中，可以适时播放收集的视频动画等，精心组织材料，让学生感受到《电磁场与电磁波》这门课程的有趣性和重要性，形成对电磁场整体的认识和了解。

（二）始终牢记公式推导的目的和意义

关于电磁场理论中繁琐的公式推导，注意应尽量避免课堂上学生对细节部分的过多纠结，从而使他们的思想禁锢在各种枯燥的符号中，如同“井底之蛙”，只看到其中的极小极小部分，而错过了整个内容体系的完美表达。本人曾经给很多届电子科学与技术专业的本科生讲授过该门课程，发现很多学生对公式的推导毫无兴趣，但如果在板书推导之前，明确地告诉学生下一步要做什么，采取什么方法，将会得到什么样的结论，再给学生普及最后推导出的公式在什么情况下能体现它的用武之地，使学生有意识的，带有目的地听课，此时再增加师生互动环节，极大地提高了教师的课堂教学效果和学生的学习效率。例如，在求解真空中一个点电荷Q位于接地导体球附近时电荷所受的电场力。首先，要引导学生明白求电场力本质上就是求该电荷处的电场强度，显然接地导体球电位为零，计算方法采用镜像法，问题等效为空间只存在Q和镜像电荷Q'，再进一步将问题拓展为非接地导体球的情况，组织学生在课堂上进行讨论。类似的，将该方法应用到静电场、恒定电场和恒定磁场等情况的基本公式和边界条件推导上，做到在公式推导之前，让学生有目的地听课，课堂氛围更加活跃，考试中同样难度的题，学生的得分明显提高。

（三）适当运用“反转课堂”，提高学生的学习能动性和学习的主体地位

“翻转课堂”起源于美国［2］，相对于传统的课堂教学而言，翻转课堂把知识的获取和掌握放在课外，学生通过课外阅读和教学视频等途径学习知识，而在课堂上通过作业或讨论达到知识的进一步吸收和拓展。目前，关于翻转课堂被广泛认可的策略是将教学组织形式从传统式的“课堂授课+课后作业”转变为“课前学习+课上探究”的方式，使师生身份有所转移【3】。在国外，迈阿密大学的“微观经济学”翻转课堂得到了教育界普遍的关注，国内清华大学的部分课程和清华附中的相关教育实验也得到了同行的认可。考虑到电子通信专业学生较为繁重的课程学习任务，没有足够的时间和精力独自实现课外对该门课程所有知识的获取。我们在一个学期中抽出8-12个课时实行“反转课堂”的教学。在电磁场课程体系中，静电场，恒定电场以及恒定磁场三个章节的内容安排上存在很多相似之处，所以我们选择在恒定磁场这一章进行“反转课堂”教学。学生在课前自主阅读或观看相关视频，课堂上对相关内容进行讨论探究，并和前两章进行类比，经过实践与研究，采用新方法后的课堂提升了整体教学效果，在难度相当的前提下，得分率远远超过了前两章的得分率。

二、利用比拟法提升学生对内容体系的整体把握

通过电磁场理论的学习，用综合和统一的角度来研究物理场，利用对偶和类比方法等，按照物理内在的规律，把不同的物理参量归纳为统一的表达形式，然后再从综合和统一的角度研究各种场的边值问题，从而进一步研究它们的数值解法。比如通过麦克斯韦方程推导出的静电场和恒定电流的公式，如果考虑参量之间的对偶关系，两种物理量所满足的方程是相同的，若边界条件也相同，那么，通过对一个场的求解或实验研究，利用对应量之间的关系就可以得到另一个场的解。

类似的，在达朗贝尔方程中，若考虑物理参量的对偶关系，则A⇀和φ也满足同样的方程。

在电磁场理论的学习中，比拟法贯穿整个电磁场课程始终，除此之外，还有散度和旋度的对比，电偶极子和磁偶极子的对比，电磁波在不同界面的反射折射性质的对比等等［4］。通过归纳对比，可以使学生更容易记忆或者掌握物理本质，也极大地缩短了繁琐的公式推导，提高课堂授课效率。

三、和计算数值软件有效结合，培养学生的科研素质

除了课本知识，课堂上给学生适当补充电磁波求解的数值方法，保障课程内容体系的完备性，这也是将科研思想渗透到课堂教学中，提高学生科研素养的有效途径。

电磁场计算在一定程度上解决了很多科学研究与工程应用问题，在雷达成像，天线，微波，电磁成像，无损检测等领域得到了广泛的应用。在电磁分析领域，很多有效的数值方法（比如有限元法、矩量法、边界元法，时域有限差分方法）以及在此基础上的各类计算分析软件都能有效地替代人工，完成繁琐的计算，从而有效地解决电磁场问题。

利用比例边界有限元求解静电场问题不仅可以得到满意的结果，方便处理开域问题，而且能极大地减小数据准备工作量。对于材料特性分布比较复杂或无穷域静电场问题，可采用比例边界有限元-子结构的方法进行处理，为此对数值方法的改进可在“翻转课堂”中进行小组讨论。

图1 长直接地金属槽边界条件示意图

图2 金属槽截面电位分布图

四、引入相关教材的融合，提高教学效果

作为电子通信专业的专业基础课程，《电磁场与电磁波》面对教学改革带来的授课时数缩短的压力，如何解决授课内容和较短课时数之间的矛盾是我们首先考虑的问题。目前，各大高校均开设了该门课程，并且采用的教材也很多样化，比较经典的教材如《电磁场与电磁波》（谢处方、饶克谨著），《电磁场理论基础》（王蔷、李国定等编著）、《电磁场与微波技术》（李绪益主编）等，教师在授课过程中充分融合不同教材中的相关内容，使教学内容安排和知识点结构与专业设置更为吻合，并利用网络搜索和相关的期刊文献，在有限的课堂学习时间使学生掌握更多的内容。

五、结束语

电磁场与电磁波是电子通信专业本科生的基础必修课，也是一些交叉学科的重要基础，电磁场理论在通信、雷达、能源等领域获得了广泛的应用。开设该门课程的目的就是使相关专业的学生通过该门课程学习，掌握电磁场与电磁波的基本属性、基本规律和电磁现象的基本分析方法，了解电磁场理论在实际工程领域中的应用以及常用的求解电磁场的数值分析方法，从而促进学生抽象逻辑思维能力的提高和科学素质的培养。

［1］吴良美，电磁场与波课堂教学方法浅谈［J］，安徽工业大学学报，2010，27（2）：128-129.

［2］张文杰，翻转课堂在中学教学中的应用［J］，教育探索，2014（4）：56-57.

［3］席亚彬，浅论翻转课堂在高职院校中的应用［J］，教育教学论坛，2015（16）：101-102.

［4］单欣，“电磁场理论”课堂教学改革的探讨［J］，中国电力教育，2014（3）：67-68.

An Exploration of Teaching Reform in Electromagnetic Field Theory

JIANG Yuchi
(School of Physics and Electronic Engineering,Changshu Institute of Technology,Changshu 215500,China)

Electromagnetic field theory is the basic course of undergraduates who major in electronics and commu⁃nication,which focus on describing basic laws of macro electromagnetic wave,and solving methods of electromag⁃netic fields and engineering applications.According to the characteristics of this course,different kinds of skills to improve teaching effects in class have been proposed,including supplementing“field"knowledge and applying the background,introducing analogy method in combination with multimedia and the integration of many kinds of teach⁃ing materials.Therefore,both learning effects for students and teaching effects for teachers are greatly improved.

electromagnetic wave theory;analogy method;classroom teaching

G420

A

1008-2794（2016）06-0106-03

2015-04-25

姜宇驰（1978—），女，江苏灌南人，讲师，硕士，主要研究方向为电磁场的数值计算。