电磁场理论课程教学改革和实践研究

陶凯晨 武向农

摘 要 电磁场理论课程是高等院校通信与电子信息类及相关专业本科生的必修课程。针对该课程难教、难学、难懂的特点，结合谢处方编著的高教版教材（第四版），从教学理念、教学内容、教学方法及课程作业等多方面提出教学改革和实践方案的思路，以期降低学生学习难度，有效提高教学质量。

关键词 电磁场理论；教学改革；课程作业；高等院校；教材

中图分类号：G652 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2018）14-0093-03

Studies on Educational Reform and Practices in Course of Theory

of Electromagnetic Fields//TAO Kaichen， WU Xiangnong

Abstract The theory of electromagnetic field is a compulsory course

for undergraduates majoring in communication and electronic infor-

mation and related majors in colleges and universities. The fourth

edition of the textbook edited by Xie Chufang in the Higher Educa-tion Press is used. As we all known， this course is characteristiced by

hard to teach， hard to learn and hard to understand， In the paper， tea-ching reform and practices are proposed from different viewpoints， such as ， teaching concepts， teaching contents， teaching methods， homework， and so on. It is anticipated to be useful in reduce the difficulties of students and helping teachers improving their teaching qualities.

Key words theory of electromagnetic field； teaching reform； course-

work； colleges and universities； textbook

1 引言

隨着科学技术的发展，电磁场与电磁波也得到迅速发展。其跨学科发展也十分迅猛，已深入物理学、电气工程、冶金工程、机械工程、电子科学技术等多个学科，并衍生出多个交叉学科主题。各大高等院校纷纷开设电磁场理论课程，它是通信工程、电气工程及其自动化等相关专业的必修课。电磁场理论这门课以学生已学完的高等数学、大学物理课程和一部分复变函数与数理方程知识为基础，让学生在学完该课程后能掌握电磁场和电磁波两方面的基本概念与基本理论，为今后学习其他专业课程（如通信原理、光纤通信、移动通信、微波和卫星通信等）打下基础[1]。

在多年的教学实践中，电磁场理论这门课程的教学面临很多困难。该课程理论性强，知识点多，公式繁杂，特别是很多概念非常抽象，不同于以往的概念，难以理解掌握。更难的是融合各种高等数学基础知识，计算过程繁复，特别是对数学基础薄弱的学生而言真是难上加难。学生普遍感觉电磁场理论难学难懂，甚至不少学生会“谈电磁场理论而色变”。现有的教学模式已较难适应该课程的发展，迫切需要对该课程教学理念、教学内容和教学方法等加以改革发展，以及通过对学生课后作业情况的了解，有针对性地对其反映出来的问题进行一对一指导，注重培养学生上课积极性以及解决问题的自信心[2]。

在电磁场理论教学中，各高校主要使用高等教育出版社出版的谢处方等编写的《电磁场与电磁波》（第四版）和杨儒贵编写的《电磁场与电磁波》（第二版）两种教材。上海师范大学通信工程专业本科生在教学中使用的是谢处方等编写的《电磁场与电磁波》（第四版），本文也以该版教材为基础进行相关讨论，相关方法理念适用于其他版本的教程。

2 教学理念改革

教学质量提升的关键在于教学理念和教学思路的转变，虽然电磁场理论课程开设已经很多年，但是教学理念并没有得到很大提升，改变最大的就是从以往的板书教学转变为现今很普遍的PPT教学。教学理念自始至终都是以教师为中心，教师教多少，学生就学多少，教学进度由任课教师根据经验把控，其中不乏满堂灌、堂堂灌的现象。学生只能被动地接受教师所教的内容，很难发挥自身的主观能动性，很多学术不愿意去学，上课容易走神。但电磁场理论这门课程又是连贯性很强的一门课程，一不留神就会跟不上课程进度，发现的时候为时已晚。不少学生反映：课程开始时很想跟上课程进度，把电磁场理论这门课学好学精，但是很多时候分了一会儿心，回过头来就发现跟不上教师的节奏了，很难继续下面的课程，最终只能无奈选择放弃。这样就形成一个恶性循环，从而导致教学质量和教学效果大打折扣。

因此，提出对传统的教学理念进行改革创新，极力主张将以教师为中心的教学转换为以学生为中心的教学，从学生的不同自我、不同水平出发，充分发挥学生学习的主观能动性，力求激发学生学习兴趣，着重培养学生发现问题、分析问题、查找相关资料、解决问题的能力。教学目的要从教学生解题做题最终通过考试，转变成培养学生具有开放、独立、系统的思维方式，帮助学生建立系统的电磁场理论体系框架，引导学生系统分析看待问题。

3 教学内容改革

电磁场理论课程内容繁多，但在大多高等院校其所占课时又极为有限。为了避免满堂灌、堂堂灌的现象，这就需要教师对教学内容有针对性地删繁就简。以上海师范大学为例，电磁场理论课程通常开设在本科二年级下学期，大部分学生已经预修大学物理和高等数学等公共课程[3]，对其中的电磁学以及矢量分析等部分内容都有一定印象。因此，教师在电磁场理论课程教学中可以对相关内容加以删减，带领学生迅速复习一遍即可。

教学时首先让学生初步建立“场”的观念，而后将教学重点放在麦克斯韦方程组以及静态场和时变场的分析中[4]；

亦可通过生动形象的比喻来增强学生对基本概念的理解。如在讨论“场”和“源”之间的关系时，可以用“鸡”和“蛋”来对照解释，通过对“先有鸡还是先有蛋”的讨论，加深学生对“场”和“源”关系的理解。鉴于电磁场理论课程连贯性很强的特点，可以在静态场边值问题、恒定场分析等课程学习过程中再度对矢量分析等基础内容进行复习，以学促用。

还可以根据各高校培养目标舍弃部分纯理论课程，以及将所需的理论内容与实际应用结合起来，用实例教学，提升教学内容广度，开阔学生的眼界。例如：在均匀平面波的教学中，可以向学生介绍天线测量的相关知识；在介绍电磁感应时，可以顺带讲解极低频磁场的生物学效应；在电磁辐射的教学中，可以加入卫星通信系统及雷達传感器等知识；在教趋肤效应时，可以介绍它在电磁屏蔽、金属表面淬火中的应用等[5]。

通过这样的教学内容改革，不但可以节省学时，还可以激发学生学习电磁场理论的兴趣，让学生在理解电磁场理论的基础上对相应的实际应用也有所了解，从而有效提升教学质量。

4 教学方法改革

任何课程的第一节课都是至关重要的，基于电磁场理论课程的特点，第一节课对于电磁场理论课程后续的展开更是重中之重，第一节课没有上好，可能直接导致学生产生厌学、畏学情绪。近代教育学之父扬·阿姆斯·夸美纽斯在《大教学论》中指出：“每门功课都应该这样开始，使它能引起学生的真正爱好，做法是向他们证明它是如何的美好、有用、快意，是如何需要。”[6]在电磁场理论课程的第一课中可以向学生介绍以下几方面内容。

1）电磁学的发展史以及相关历史人物轶事。如可以向学生介绍麦克斯韦从小就有很强的求知欲和想象力，爱思考、好提问的故事，一方面可以活跃课堂气氛，另一方面可以引入对麦克斯韦方程组的介绍，培养学生对电磁场理论的兴趣爱好。

2）针对有意向报考相关专业研究生的学生，可以简单介绍各大高校电磁场理论硕士点研究生教学情况，向学生推荐适合的高校，并说明电磁场理论通常为初试必考科目，帮助学生提早定下目标，从而有针对性地准备考试，为研究生入学考试奠定基础，让学生对电磁场方向考研有个初步的认识。

3）结合市场人才需求，向学生介绍电磁场理论相关专业的在IT、通信等行业的就业前景，让学生对未来的职业生涯有个清晰认识，不再以为该课程是对未来职业发展毫无关系的课程，从而达到激发学生学习兴趣的目的。

4）告知学生学习电磁场理论的学习方法，如先理解后记忆，再理论联系实际，最后实践出真知。通过运用适当的学习方法，完全可以学好电磁场理论课程，帮助学生建立信心，克服心中对电磁场理论课程未学先畏的心理。

电磁场理论课程中许多物理概念非常抽象，传统的板书式教学很难将这些概念清晰直观地展现给学生。教师可以在教学过程中加入一些计算机软件仿真，如用MATLAB软件画磁场的点位分布图，用Flash展示磁场变化的实验图等。有条件的学校还可以通过晶体检波器的校准、驻波比的测量、阻抗测量与阻抗匹配等实践实验课，让学生加深对理论的理解。这样既丰富了教学内容，又强化了理论的应用，让教学能够取得更好的效果。

5 课程作业改革

课后作业一直都是教学内容的重点之一，其重要性不言而喻。但是在现阶段，众多高校的课后作业如同鸡肋一般“食之无味，弃之可惜”。就学生而言，课后作业本是为了帮助其巩固课堂所学知识，但是有部分学生对于课后作业的态度十分随意，甚至存在大量的抄袭作业行为，使得作业的答案千篇一律。这种环境下，课后作业不仅没能帮助学生加深对所学知识点的理解，反而让批改作业成为任课教师相当大的负担。因此，对课程作业进行改革已经迫在眉睫。

开放性作业 教师在布置课后作业时可适量增加有思维发散性的题目。如可以让学生就课本中的某个原理（如互易原理、惠更斯原理、亥姆霍兹定理等）举几个现实中应用的例子，然后选定其中一个应用进行深入调研，完成一篇课程论文。通过这样的开放性作业，一方面由于没有唯一正确的答案，可以避免学生抄袭；另一方面能够激发学生去思考、去创新，有利于学生发散性思维的开发。

层次性作业 从教育心理学角度看，学生的身心发展由于先天禀赋以及后天诸多因素的影响，存在个体差异，要想让不同层次的学生都能在完成作业的过程中获得成功的体验，任课教师就必须采取作业分层（难度分层、作业量分层、完成时间分层）的策略。可以将课后习题按照难度系数进行划分，以上海师范大学本科生电磁场理论教学第一章[7]课后作业为例，通过分析学生对各题目完成情况后，设定各个题目难度系数（如表1所示）。这样将布置下去的课后作业统一划定难度系数，可以让不同基础的学生自由选择适合自己难度系数的作业习题，通过层层递进的练习，最终彻底解决作业难的问题。

课后答疑 每个教学周可专门安排一节课时由任课教师对学生进行课后答疑辅导，可针对单个学生个体给予课程作业指导。上海师范大学电磁场理论教学中实行每周两次任课教师坐班答疑、学期中期辅导和学期末辅导相结合的课后辅导答疑举措，效果显著，对学生帮助巨大。

6 结语

本文在多年教学实践的基础上，结合电磁场理论课程难懂难学难教的特点，大胆提出各项教学改革和实践方案的新思路。在教学理念上，以学生自身发展为出发点，引导学生系统地分析看待问题；在教学内容上，根据学生的实际情况灵活调整，有针对性地进行取舍，并对难点增添实例教学和动画演示等生动形象的内容；在教学方法上，强调第一堂课的重要性，并在教学中添加一些实践实例和结合计算机仿真应用；在课堂和课后作业上，有针对性地提出布置开放性作业、作业按难度分层次、课后答疑等实际措施。多年的教学实践证明，通过这些教学改革，能在保证教学内容的前提下形象丰富化教学内容，极大降低学生的学习难度，激发学生的学习兴趣，增强学生的自信心，完成各项教学任务，有效地提高教学效率，增强教学效果，获得较好的教学成效。

参考文献

[1]许碧惠.“电磁场与电磁波”课程的教学思考[J].电气电子教学学报，2009（3）：108-109.

[2]周宏威，张少如，黄晓舟，等.电磁场课程理论及实践教学改革[J].实验室研究与探索，2013（8）：371-374.

[3]陶鹏，武向农.电磁场理论课程教改实践[J].中国教育技术装备，2017（4）：105-106.

[4]李平，赵志辉.麦克斯韦方程组的教学新探[J].高等函授学报：自然科学版，2012（4）：28-30.

[5]乌拉比.应用电磁学基础[M].尹华杰，译.北京：人民邮电出版社，2007.

[6]张梦清.试论夸美纽斯的教学彻底性原则[J].文学教育，2016（7）：181.

[7]谢处方，饶克谨.电磁场与电磁波[M].北京：高等教育出版社，2006.