工程认证背景下“电磁场与电磁波”教学改革与实践

钱 俊

（梧州学院电子与信息工程学院 广西 梧州 543002）

电磁场与电磁波这门课程是各学校理工电类的专业基础课程，它的内容涉及非常广泛，在学习过程中不仅要用到高等数学的基本矢量分析、微积分、正交曲线坐标系的应用等知识，同时还要用到普通物理学关于电磁现象的一些基础知识，由于该课程理论性强，所需要的基础知识广泛，为了把这门课程讲授好，各个高校的任课老师都在进行各种对应的改革。工程专业认证不仅能够为教学质量提供保障，而且能够为电类工程专业修订培养目标、重组课程体系、深化课堂改革、明晰教师责任、健全评价机制等教学工作的开展提供支持。随着社会经济的不断发展，培养实践能力较强、理论知识扎实的专业人才是高等院校电类工程专业教学改革的主要目的。

1 现状分析

“电磁场与电磁波”是梧州学院（以下简称“我院”）通信工程、电子信息工程、光电信息科学与工程等相关专业的必修课。该课程讲述了电磁场、电磁波的基本特性及规律，给出了解决实际问题的分析、计算方法，为相关专业的后续课程，如通信专业的“微波原理”，光电信息科学与工程班“信息光学”等打好基础，其地位非常重要。由于该课程涉及的公式多，推导也多，且多数都比较复杂，多用到如高等数学、复变函数等知识。另外，这门课程中描述电磁场的所有场量均是矢量，概念抽象，学生不仅对用矢量描述场量难以理解和想象，且电磁场电磁波中矢量运算的应用也不熟练。同时还要加上许多电磁学中的基础内容，在这样的前提下，教师在课堂上要花大量的时间进行数学推导及演算，以及复习电磁学的相关内容。近些年，为了适应社会发展的需要，我院逐渐向应用型大学转型，在符合国家标准的基础上，电磁场与电磁波的教学时数也在减少。基于以上各方面的原因，怎样在所需基础知识面广、推导多、计算难、课时少、内容多的条件下满足当前“新工科”背景模式下的课程改革要求，使该课程的教学向简单化，学生的学习向容易化转化，是本门课程教学改革首先要解决的问题。

2 教学改革的探索与实践

我院电类专业的学生选用的教材是谢处方的“电磁场与电磁波”（第4 版），该课程由矢量分析、电磁场基本理论、电磁波基本理论及电磁波传导基本理论四大部分组成。对本课程的教学内容进行改革，在教学过程中，对于数学运算问题，采用精简繁难的理论推导过程，重视对理论推导结论的理解和应用；针对公式多、难理解问题，采用重点内容精讲细讲，突出关键点，并注重知识点间的关联和方法的掌握，具体陈述如下。

2.1 数学矢量运算的问题

显然矢量的运算最后都可转化为各个方向的标量运算，对于学生来说就容易处理多了。另外本章中公式多，推导多，且复杂、烦琐，本校是一所应用型本科院校，许多学生数理基础不够扎实，具体讲解的话，不仅占用大量的教学时间，大大压缩后续电磁场与电磁波的教学课时数，而且学生熟练掌握也有一定的难度，因此，结合本校学生和课程设置要求的考虑，在讲授这一章时，重点突出梯度、散度和旋度的计算和其代表的意义，对其公式的推导可采取介绍其证明的要点或不讲，突出其计算的方法和结论的应用，如散度定理、斯托克斯定理，还有在不同坐标系下梯度、散度、旋度和拉普拉斯的运算公式都可采取这种方式，对于后面章节有的理论推导部分也可采取这种方式进行教学。针对这种教学改革方式，课程组进行了大胆的尝试，发现既节约了一定的课时，也可让学生直接获取解决问题的能力，效果较好。

2.2 注重各公式之间的联系

除了第一章的数学准备部分外，后面的章节可分三大部分，即静态场部分、时变场部分以及电磁波传播及辐射部分。这里主要给出了电磁场和电磁波描述的基本物理量、基本属性以及运动的规律，包括它和带电物质之间的相互作用。学生在学习这些章节时感觉内容多、公式多，对各章节及众公式之间不知道它们的联系，学习上感觉很迷茫，甚至产生厌学情绪，针对这一情况，要求教师在教学环节中，突出各章节及各个知识点之间的联系，在强调这些关联的时候，同时也要给学生讲清楚各知识点间的区别，这样才能充分有效地进行教学。本教材后面的每一部分都分别用到了场方程，我们以讲授电磁场与电磁波的场方程-麦克斯韦方程组为例，通过知识点之间联系进行教学这一思想在教学过程中的运用。

我们在本教材的第二章中通过对静态电磁场的分析，从而总结得到了麦克斯韦方程组，它的适用范围是一切宏观电磁现象，也就是说后面的时变电磁场、电磁波的运动规律都可以由它来给出，知道这一点之后，后面为什么又给出了波动方程，亥姆霍兹方程呢，要弄清楚原因，这里就要弄清楚它们之间的联系与区别。对于第四章开头我们首先推导了在无界空间中理想介质的波动方程，它是由麦克斯韦方程组直接推导而来，所以这里的波动方程就是电磁波的场方程，它实际上就是麦克斯韦的另外一种形式，只不过适用于理想介质中传播的电磁波。不难发现在后面学习亥姆霍兹方程的时候，这两个方程也是场方程，直接将波动方程转换过来的，只不过它适用的范围是时谐电磁波。弄清了这些之后学生只需要重点学习一般形式的麦克斯韦方程组及其意义，其他情况下的场方程，教师只需重点强调各个方程之间的联系与区别，这样学生便可以从整体上掌握所有的电磁场理论公式，让他们发现其实公式也没那么多，也没那么难记忆，从而提高他们的学习兴趣。

2.3 注重方法的训练

运用上述方法之后，尽管许多学生在此基础之上已经清楚了该课程众多数学公式之间的联系与区别，但解决实际问题时，很多学生还存在一定的困难，还是不能很好地运用公式，针对这一情况，为了得到各种情况下所需要的结论，教师还要强调对公式、原理推导方法的掌握，这里以“电磁场边界条件”为例，来体现这一思想在教学过程中的重要应用。

边界条件跟麦克斯韦方程组一样贯穿整个章节，对于其学习也很重要。首先我们在第二章中运用积分形式的四个麦克斯韦方程组推导出了电磁场边界条件：

给出了它们的物理含义及适用范围，得出边界条件实际上就是不同介质分解面的场方程的结论。在学习这里时一定要强调它的适用范围是一切宏观电磁现象，所以我们在学习后面的章节时直接把它拿出来引用，再结合具体的情况进行推导就可以了，下面以静态电磁场中的静电场边界条件为例来进行讨论。

3 总结

在新工科背景下，文章对梧州学院电类专业“电磁场与电磁波”课程的教学现状进行了讨论，提出在学习“电磁场与电磁波”课程中，应重视对理论推导结论的理解和应用，忽略繁难的理论推导过程，并注重各公式之间的联系，以及推导方法的掌握。通过这种教学方式对该课程进行教学改革，不仅能帮助学生对公式的记忆和理解，提升学习热情，也让学生直接获取解决问题的能力，效果较好。