电磁场原理的实验课程改革探索

陈建军 辜永红 于彦涛

摘 要：通过分析对电磁场原理的实验课程存在问题，根据实验的目的和难易程度不同，设计利于提高学生综合应用能力的三级实验体系，并根据实验内容的不同，设立交叉并行的实验考核体系，同时建立有效的考核评价机制，与教师项目驱动机制相结合，不断更新教学内容，提高电磁场原理的教学质量。

关键词：电磁场原理；教学体系；评价机制

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2017）02-0065-03

Abstract： The problems of experimental course of electromagnetic field theory are discussed in this paper. The three level experimental systems are proposed according to the purpose of the experiment and the difficulty degree of different experimental course. We want to improve the comprehensive application ability of the students by setting up cross parallel experimental evaluation system. We establish effective evaluation mechanism and update the contents of experimental course. We improve the course quality of the electromagnetic field though reforming the curriculum.

Keywords： electromagnetic field theory； teaching system； evaluation mechanism

一、概述

电磁场原理课程是电气工程、电子信息工程和通信工程专业一门重要的专业基础课，主要研究电磁场与电磁波的基本原理、电磁波与物质的相互作用，电磁波的传播特性及应用等。随着社会对电子信息产业高级人才要求的提高，本文以重庆大学的电磁场原理课程为探讨对象，探索电磁场原理课程教学方法的改革和创新。

二、电磁场原理课程存在的问题

电磁场原理课程的应用前景非常广泛，如电子标签设计（RFID），物联网中的远程智能遥控技术，高速宽带无线接入方法，远程无线定位等领域中都得到广泛且迅速的应用。但是受到软硬件条件的影响，理论教学和实验教学都不能及时跟踪最新技术的发展，与社会对人才的需求有一定的脱节，因此对课程的改革势在必行[1-4]。

虽然前期也进行了一些必要的改革，但是改革过程中也出现了一些新的问题，而这些新的问题也是国内高校教学改革的关注焦点。就目前而言，电磁场与电磁波课程存在的主要问题集中在以下几个方面：

（一）电磁场原理教学内容需要进一步更新

电磁场原理教学内容需要不断更新，主要原因有以下几方面：一方面电磁场原理课程内容与新技术结合不够紧密。电磁场原理课程中需要用麦克斯韦方程解析电磁场的现象，但是现有教学内容与电磁场技术结合比较少，特别是相关的应用技术结合较少，使得学生的学习目标不明确，不知道学习这些内容今后在哪些技术领域得到应用，学习主动性不足。二是部分学生在电磁场数值分析上不足。电磁场课程本身需要学生熟练运用数学方法分析和计算，对于电磁场的分布和传播特性，特别是要求学生熟练运用矢量分析方法进行電磁场特性的分析，但部分学生受制于数学基础知识和运用数学知识的能力，难以掌握电磁场的相关矢量计算方法，以至于觉得学习较为困难。第三方面是教学内容和教学手段结合不够紧密。随着科技的发展，电磁场原理相关的分析和计算软件也得到了发展，除了可以计算的Matlab，Ansoft，Hfss和ADS等电磁场分析软件[5，6]，到近几年分析多物理场的Comsol和Ansys软件等，都可以为电磁场原理提供较为形象化的教学效果，但是现在这方面结合的教学内容还较少，缺少这些形象化或动态化的演示，部分学生难以理解电磁场的传播本质和相关特性。

（二）实验教学环节存在的问题

除了电磁场原理的理论教学存在一些问题，电磁场原理的理论课程对应的实验课程也是困扰各高校的一个难点问题。

一方面在实验平台上存在软硬件实验条件不足的问题。无论是基础实验还是专业型实验的开设，都涉及到电磁场测量和分析相关的设备，而这些设备的科技技术含量都非常高，而且几乎被国外垄断，价格昂贵，如果让所有学生都能够进行操作实验仪器，需要配置较多设备，那么需要投入大量的资金，这对于很多高校来说都是难以承受的。

另一方面实验项目存在更新不足问题。现有课程实验许多是验证性实验和演示型实验，缺少多专业应用背景的融合。由于电磁场系列实验面向各工科专业，不同专业、不同背景，对实验内容的要求就有所不同，以往的实验体系只针对通信工程或电子信息工程专业的学生，没有考虑其它专业的应用背景，随着电磁场相关技术的发展，以往的实验体系已经不能适应各专业人才培养的目标。在实验模式上，缺少对学生设计能力、创新精神的培养机制。电磁系列实验在综合设计、分析方法上尽管已有不少改革成果，但仍有相当多的实验还局限于验证原理和训练操作技术，学生只是看现象，而对实验思路、实验设计和实验综合分析能力重视不足，需要对现有的实验综合、分析方法进行研究和改革。

三、电磁场原理实验课程改革的探索

加强电磁场实验教学是升华电磁场原理的理论教学的一个重要环节。需要从实验内容，实验方式和实验考核评价方式三个方面进行系统的建设。

（一）需要理论教学结合实践，完善实验教学体系

在电磁场原理课程教学的基础上，进一步根据实际开发实验新课程，将现有的无线电技术结合进来，提高学生对学习理论知识的理解和掌握水平。同时需要进一步丰富现有的实验教学内容，从设计能力和工程开发能力的两个方面入手，提升实验教学的深度与广度。以电磁场原理的理论为基础，根据不同专业性质的不同，设置不同应用方向的实验，并根据学科交叉，设置交叉性综合实验方案。

对于相同专业的学生，根据实验的难易程度不同，设计验证性实验为基础，设计型实验为提高学生创新能力，综合性实验为提高学生综合应用能力的三级实验体系。根据实验内容的不同，设立交叉并行的实验考核体系。同时结合教师的研究项目和学生的竞赛项目，形成完善的实验教学体系，建立如图1所示的电磁场原理实验教学体系。

首先根据不同专业，在教学方式上进行改革。不同专业的学生，学习电磁场知识的应用目的不同，可以根据应用目标进行不同的实验方案。如生物工程专业的学生学习生物电磁学，可以将生物研究和电磁场研究结合起来，考虑新的生物控制和测量机制。通信工程专业的学生学习无线控制技术，可以将具有电磁接收或发射机制的物体与现代控制技术紧密结合，实现新的控制方式。电气工程专业的学生学习电磁控制技术，可以将电机的控制和电磁场的结构结合起来，实现机电结构的自动控制。

对于相同专业的学生，需要以电磁场与电磁波为基础，根据不同实验条件，设置交叉性综合实验方案，以及设置验证型/设计型/综合型三级实验方案，同时进行交叉性实验考核和综合考核方式。将学生的竞赛项目和教师研究项目进行适当分解和组合，结合到电磁场与电磁波的理论和实验教学过程中。如果推广成功的案例，那么继续深化推广，反之，結合新的教学内容和方式，加以改进，达到继续提高电磁场与电磁波的教学质量的目的。在实际教学过程中，即使实现同一个目标，也可以选择不同的软件，应用不同知识，参考不同的期刊和文献资料，设计完全不同的解决方案。

（二）需要根据设置实验的不同，设立有效的评价机制

对于验证性实验，可以采用实验报告的形式进行评价，主要是从理论分析角度，对验证性实验的结论进行分析，得到验证效果的好坏。教师对学生的评价可以从学生分析过程的思路和分析的详细过程进行考核。对于设计型的实验，同样可以采用实验报告的形式进行考核，但是重点是过程考核。对于不同的设计思路，不同的设计结果，设计过程一般是不一样的，但是这个设计过程是最能体现学生创新能力，所以不能以实验报告的结果作为评判。对于综合性的实验，更是需要体现过程考核和应用能的考核。特别是对于一些应用，需要采用交叉学科的特点，设置交叉学科的实验。如电气工程学院的老师在研究脑电波项目过程中，可以分别设置脑电波读取的实验和电磁场分析的实验，其中脑电波读取的实验有还可以分为传感器读取大脑皮层电磁脉冲的实验和传感器阵列数据的处理实验，而电磁场分析的实验也可以分为电磁计算实验和电磁与生物电波的相结合的实验。

（三）需要不断充实理论和实验内容

电磁场原理的相关技术在不断的发展，教学内容也需要不断地变更和充实。一些理论知识和实验项目需要通过各种途径紧跟技术发展的步伐，满足社会对人才技术方面的越来越高的要求。如有些实验项目可以通过学生参加相关专题的竞赛，不断充实实验项目。教师方面也可以将自己的项目进行分解，形成不同难度的设计项目，让学生参与项目的研发，提高学生的分析和解决问题的能力。也可以通过精品课程的建设和参加相关会议，扩大电磁场建设的思路，结合其他形式的技术合作拓宽电磁场原理的理论和实验教学内容，不断地提高教学质量。

（四）教学效果的好坏需要从学生和社会反馈，不断总结和更新

实验教学的效果的好坏，一方面需要从学生解读反馈。学生能否理解，能否掌握知识的内涵，能否运用知识解决实际问题，都需要从学生中反馈回来，让教师不断改进教学方法和教学内容。另一方面也需要从社会的角度进行反馈。学校培养的学生能否胜任企业的要求，成为教学重要的目标。如果学校培养的学生与社会需求的脱节太大，那么说明学校的教学是存在问题的。如果把学生比喻成企业生产的产品，是次品还是优秀产品，需要社会和企事业单位来评价。那么学校培养的学生的知识水平和能力是否合作，同样需要社会和企事业单位来评价。通过评价，改进不足之处，发扬优点和长处，不断提高教学质量。

（五）教学效果需要不断总结和推广

教学效果的需要不断地总结，对于较好的理论和实验教学内容，需要不断地充实到新的教学内容中，而对于部分电磁场的内容，可以考虑精简。如电磁场原理中的部分静电场的知识，其内容与大学物理的部分磁学内容重叠，可以考虑进行精简。而对于通信工程专业的学生，其内容涉及载波和调制的内容，可以增加电磁波的色散机制，特别是增加载波和包络波的内容，同时增加行波和行驻波传播机制相关的内容。

总之，需要从学生，社会和教师等多方面共同努力，改革电磁场原理的理论和实验课程，提高电磁场教学质量。

四、结束语

文章通过对电磁场原理课程存在的几方面进行讨论，包括电磁场原理的理论课程和实验课程两方面存在的问题，提出建立电磁场理论和实验体系的建议。建议理论教学结合实践，完善实验教学体系，同时建立有效的考核评价机制，并将教师项目驱动机制结合，不断更新教学内容，提高教学质量。

参考文献

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