电磁场与电磁波教学思考

1、电磁场与电磁波教学思考蔡轶珩,陈华敏,窦慧晶，稂时楠（北京工业大学 信息与通信学院，北京 100124）摘要：“电磁场与电磁波”课程是电子科学与技术、通信工程、电子信息等专业的一门重要的专业基础课程。该课程具有内容多、涉及面广、理论性强、概念抽象、涉及数学概念多等特点，是有一定教学难度的课程。本文针对这些特点，从内容安排、形式设计多个角度展开探讨，认为通过细致的课堂教学安排，充分利用各类资源可以达到更好的教学效果。关键词：电磁场与电磁波；教学思考；教学方法中图分类号: TM154 文献标识码:AThoughts on the Teaching of Electromagnetic Field

2、and Electromagnetic WaveCAI Yi-heng CHEN Hua-min DOU Hui-jing LANG Shi-nan(College of Information and Communication Engineering，Beijing University of Technology, Beijing 100124，China)Abstract: "Electromagnetic field and electromagnetic wave" course is an important professional course for m

3、ajors such as Electronic Science and technology, communication engineering, electronic information and so on. The course has the characteristics of rich contents, wide range of theories, strong theoretical, and conceptual abstraction so that it is a course with certain teaching difficulty. According

4、 to these characteristics, teaching methods are discussed from the aspects of content arrangement and form design. It is believed that better teaching effect can be achieved by careful classroom teaching arrangement and making full use of various resources. Key words: electromagnetic field and elect

5、romagnetic wave; teaching thinking; teaching methods北京工业大学教育教学重点项目(ER2018B040201)，面上项目(ER2018C010306)；第一作者：蔡轶珩（1974-）女，博士，副教授，主要从事电磁场与电磁波的教学工作，研究方向为智能信息处理. Email: caiyiheng0 引言“电磁场与电磁波”课程是高等学校电子科学与技术、通信工程、电子信息等专业本科生的一门基础课，也是微波技术、通信电路、电磁兼容等课程的理论基础。特别是在现代电子技术高速发展的信息时代，电磁场与电磁波被广泛运用到广播电视、信息通讯、军事侦察、电子对抗等

6、各个领域中。因此，它是一门重要的基础理论课程。另一方面，该课程内容涉及面广、理论抽象、数学分析多，也是被公认为难教、难学的一门课程。如何分析其课程特点，充分利用各种条件，增强该课程的授课效果，是相关专业提高学生培养质量的关键环节。1 电磁场与电磁波课程特点“电磁场与电磁波”是一门教师难教、学生难学，理论性很强的课程。在教学中面临的内容多、理论性强、概念抽象、涉及数学概念多等诸多问题，对教学设计、水平提出了非常高的要求。1.1教学内容多、涉及面广“电磁场与电磁波”课程内容主要包括电磁场的基本规律、静电场、恒定电场和恒定磁场的分析、时变电磁场、电磁波的传播、导行电磁波、电磁波的辐射等内容。可以分为

7、电磁场、电磁波两大部分。电磁场部分主要从三大实验定律出发，建立源与场的关系，再从真空到媒质，从静态到动态，总结得到麦克斯韦方程组这一核心理论。电磁波部分则基于动态电磁场的数学描述，通过电磁波的波动方程，揭示出电磁波在不同介质中的传播特性，以及反射、透射规律。可以看到，该课程的内容既包括基本实验定律的介绍，也包括电磁场理论方程的推演；既包括应用电磁场理论对静态场的分析，也包括对动态时变场的分析；既包括场的数学描述，也包括波的特性表达。可以说内容广泛、层次多样。在有限的学时内，教师往往很难发挥课堂教学的优势，不能及时解答学生学习上的问题，一定程度上影响了教学质量和教学效果。特别是近年来，为了适应社

8、会发展需要，电子信息类专业增加了一些新的专业课程，进一步压缩了基础课程的学时，使得电磁场与电磁波这样的难度课程面临更加窘迫的局面。1.2理论性强、概念多且抽象“电磁场与电磁波”课程一般从三大实验定律出发，利用高等数学、矢量代数、复变函数的数学手段，总结描述电磁理论的基本性质和规律（麦克斯韦方程组、波动方程等），并结合具体条件分析静态场和时变场的分布，以及波的传播特性，具有很强的理论性。另外，电磁场与电磁波课程涉及的概念较多，从散度、旋度这些有关源的基本概念到麦克斯韦方程这样的系统理论，从真空条件的静态问题分析到不同媒质条件的动态问题分析，从一般场的分布到时谐情况下的电磁波特性分析，包含大量的概

9、念、公式、定律知识，对于学生而言，背诵、记忆难度较大。同时，公式的原理推导也较为复杂，很难利用课堂充分讲解，影响了学生在理解基础上的有效掌握。最后，该课程所涉及的概念大都比较抽象。比如电磁场的概念，由于空间的电磁场不能被人们直观地感受到，只能用公式将其表示出来。这些概念知识抽象性较强，学生要理解并掌握它，必须要有一定的抽象思维和数学表达能力。可见，课程所涉及的理论性强、概念抽象的特点，大大增加的课堂教学的难度，如何生动形象地讲述这些理论和概念，增加学生的学习兴趣是提高教学效果的关键。1.3数学要求高“电磁场与电磁波”课程以高等数学、大学物理、复变函数等课程为基础，特别涉及比较复杂的高等数学和复

10、变函数等数学知识。麦克斯韦方程组有微分、积分两种形式，在进行分析时通常会用到散度、旋度相关的微分运算，也会用到积分运算。电磁场是矢量场，必然与矢量分析密不可分，可以说点积、叉积等矢量运算贯穿整个课程的学习。而在时变电磁场中，引入了复数表达后，还需要掌握复变函数的相关数学运用。总之，数学知识的积累及应用在“电磁场与电磁波”课程学习中尤其重要。2 电磁场与电磁波课程教学策略针对“电磁场与电磁波”课程教师难教、学生难学的现状，课堂教学需要更为细致的安排，并且因时制宜，充分利用各类资源才能达到较好的教学效果。2.1优化整合教学内容，提高课堂效率“电磁场与电磁波”的教材往往是先介绍标量场梯度、矢量场散度

11、和旋度等矢量运算，再在电磁场的基本规律一章中结合电场和磁场进行散度、旋度分析1。正如文献中的观点，先对矢量分析进行介绍，然后再讲授静电场和恒定磁场的做法合乎逻辑，但占用教学学时多2。同时，脱离电场和磁场的矢量分析也显得与课程核心不够紧密，使得学生感到抽象和模糊。因此，在学时紧张的情况下，可以考虑将矢量分析、电场磁场基本规律相关内容整合。学生通过矢量分析在电场磁场基本规律的应用，可以更高效地理解散度、旋度、梯度等数学概念的物理含义，也更有效地掌握这些基本理论和规律。又如位函数的内容，在无散场和无旋场部分以及后续的电场和磁场部分均有介绍，也可以整合为更为具体的综合讲解。分析另外，面对教学内容多且难

12、的情况，有限的课堂学时应该更多的用在重点和难点内容上。可以利用课下作业环节，在课前安排与课堂内容相关的数学练习，从而压缩课上在数学基础知识方面的讲解时间。2.2基于逻辑关系梳理知识体系，加深认识理解“电磁场与电磁波”课程虽然内容多，但是知识具有很强的系统性和关联性。在麦克斯韦方程组这一基本理论中，根本上讲述的是源与场的因果关系，同时还存在静态场与时变场，真空中的场与媒质中的场这样具有对立统一关系的多组概念。在电磁波的传播理论中，也存在理想介质和导电媒质两种情况的对立统一。而在传输线中的导行波，虽然采用等效电路的方式加以分析，但与采用场的方式分析的均匀平面波具有相似的方程形式、参量及求解的结果，

13、均满足对偶关系，也就是说两者在本质是统一的3。因此，在课程讲授过程中，认真梳理这样的逻辑关系，可以建立各知识点之间的联系，非常有助于学生的理解和掌握。2.3丰富教学手段，充分利用互联网资源，提升内容吸引力“电磁场与电磁波”课程内容多，很多概念又十分抽象，影响了学生学习的积极性，因此对教学方式也提出了更高的要求。例如，电磁波的传播过程、涉及到的传播参数，以及反射后波的合成等，采用公式表达往往理论清楚，但难以形成具象的认识，即使采用绘图方式也很难理解其动态过程。如果采用动画、视频等丰富多样的教学手段，演示波的动态过程，会更加生动形象，易于理解。同时，结合现代仿真工具如SIMULINK, MATLA

14、B, ADS等进行形象化教学，以工程任务为导向，让学生参与并可以看到实际运行结果，也将使得该课程不再神秘。随着科技发展，在课堂中不断创新教学方法，采用多样化的教学手段，努力提高学生的学习兴趣，是本课程教学中不可或缺的一环。另一方面，互联网的发展也衍生了大量优秀课程资源，结合网络资源，可以大大充实课程内容，补足课堂教学的局限4。2.4理论联系实际，结合课程思政，培养学习主动性和家国情怀对“电磁场与电磁波”这样理论性的强的课程，理论与实际的有效结合对于学生理论内容的理解具有重要的意义。理论与实际相结合的最好的教学方式是在理论讲解的同步，进行实践设计5。但由于“电磁场与电磁波”课程是基础课，还没有学

15、习后继的相关专业课程，一些综合的实践内容尚未能开展，使得学生对课程内容的意义和价值并不能充分了解，造成学习的目的性不强。对此，在授课时可以增加实际案例，明确各部分内容在实际中的应用。例如，可以借助通信系统的组成，介绍电磁波的发射、传播、接收的对应基础内容；可以借助隐形飞机的设计原理，介绍电磁波反射的实际应用等等。此外，在“思政课程”向“课程思政”的立体化育人转型的大背景下，在授课过程中融入专业发展历史，增加人文元素，通过横向、纵向对比思考一门学科的发展规律，激发学生强烈的民族自豪感、历史使命感和奋发进取心6。例如在70周年阅兵式上的歼11隐形无人机，就在多个方面考虑了针对雷达电磁波的隐身设计，

16、并融合了多项复合功能，代表了我国在这些方面较高的自主研发水平。这些示例的引入，可以有效激发学生的民族自豪感，提高学习主动性。我们在实施上述教学策略后，教学效果有了明显改善。学生评教的反馈显示，虽然这门课程仍被认为是很有难度的，但是学生普遍反映课堂的演示手段丰富，逻辑更为清晰，对于一些综合分析内容能够联系实际应用。3 结论“电磁场与电磁波”课程是电子科学与技术、通信工程、电子信息等专业的一门重要的专业基础课程。该课程具有内容多、涉及面广、理论性强、概念抽象、涉及数学概念多等特点，被认为教师难教、学生难学，对教学设计、水平提出了非常高的要求。本文针对这些特点，结合课程教学实际，提出优化整合教学内容，提高课堂效率；基于逻辑关系梳理知识体系，加深认识理解；丰富教学手段，充分利用互联网资源，提升内容吸引力；理论联系实际，结合课程思政，培养学习主动性和家国情怀等多种教学策略，认为通过细致的课堂教学安排，充分利用各类资源可以达到更好的教学效果。参考文献1. 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，2006.2. 徐国雄. 电磁场理论课程教学改革的探讨J.石家庄： 当代教育实践与教学研究,2019, 20:62-63.3. 任宇辉，王夫