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电磁场课程教学改革探索

来源：核心期刊咨询网时间：2022-03-02 11:2912

摘要：摘要：电磁场是一门重要的，难度较大的专业基础课程。通过总结电磁场课程的特点，从教学内容和方法上对课程进行教学改革探索。引导学生更容易理解电磁场的相关概念、定律和公式，提高学生的学习积极性和学习效果，进而能够更好地掌握其应用。关键词：工科课程;教学改

　　摘要：电磁场是一门重要的，难度较大的专业基础课程。通过总结电磁场课程的特点，从教学内容和方法上对课程进行教学改革探索。引导学生更容易理解电磁场的相关概念、定律和公式，提高学生的学习积极性和学习效果，进而能够更好地掌握其应用。

　　关键词：工科课程;教学改革;电磁场;教学方法;科学方法

　　1 引言

　　电磁场是我校测控技术与仪器专业本科生的专业基础必修课，也是电子信息科学与技术专业、通信专业的主干课程，对后续课程的学习具有重要意义。该课程包含了矢量分析、静电场、恒定电流、静磁场、时变电磁场、平面电磁波的传播、导行电磁波等内容[1-2]，具有概念抽象，数学公式和推导多、逻辑连贯性强等特点[3-5]。这些特点使得学生感觉电磁场难以理解，云里雾里，积极性受到严重打击，更别说进行工程应用了。因此，针对《电磁场与电磁波》课程普遍存在的问题，本课程需在如何调动学生积极性，提高学生理解和能力等方面进行改革。

　　2 课程特点

　　电磁场对学生来说是难以理解的一种物质，因为它看不见，摸不着，所以在相关概念和定理上比较抽象，学生很难理解。比如说，电场是什么?磁场又是什么，它们之间有什么关系?又是怎么传播的，电磁波如何产生，极化如何理解，又如何判断极化方式等。这些概念和特性由于“看不见，摸不着”，及其考验学生的空间想象力，所以，概念抽象是电磁场课程的一个主要特点。

　　为了能够定性定量地描述“看不见”的电磁场，只能采用数学的方式来表达。并且，因为电磁场本身的特性，很多物理概念和推导涉及了矢量运算，微分、积分等，再与电磁场结合在一起。对于数学较好的学生，需要学生从数学方法到物理概念的过度;而对于数学基础差的学生，其困难就不仅仅是概念的过渡了，还有对数学本身的理解和应用。比如说，为了解释时变电磁场的特性，就必须要理解麦克斯韦方程组，而麦克斯欸方程组涉及了数学上的标量、矢量、梯度、旋度、微分、积分的概念，如果不理解数学上的这些概念，就无法理解其在电磁场中描述的是什么特性。因此，烦琐的数学公式和推导成了电磁场的另一个重要特点。

　　数学本身是一门逻辑性强的科目，电磁场涉及大量数学推导，因此，电磁场也成为一门逻辑连贯性强的课程。这说明，如果课程的某一个知识点学生没有掌握好，会影响接下来牵涉到这个知识点的所有章节内容。

　　基于上述特点，电磁场这门课对学生的抽象理解能力、数学能力和逻辑能力提出了较高的要求，也对教师如何选取合适的教学方法帮助学生更好地掌握这门课发起了挑战。

　　3 电磁场教学内容改革措施

　　3.1 夯实数学基础

　　数学是电磁场的基础。对于电磁场的规律定理，很多都是使用数学表达式来说明的，比如哈密顿算符，行列式，矩阵等。因此，在讲解电磁场之前，必须要“唤起”学生对于这些数学符号和计算方法的记忆。这些知识虽然学生以前学习过，但是大多数学概念学生早已有些模糊，因此需要学生将相关的数学知识进行“复习”和理解，以便将数学和物理结合起来，进一步理解电磁场的特性。

　　3.2 追本溯源

　　对于电磁场的各种定理，比如高斯定理，安培环路定理等，都是前人通过推导和总结得到的，而不是凭空出现。只有知道电磁场的定理公式是如何推导和证明的，才能进一步理解这些公式的运用和局限性。这里所说的“推导讲解”重在方法上的连贯和推演，而不是具体到每一个步骤和公式，因为这些追本溯源的讲解最终是为了学生能够更好地应用，而不是讓学生运用数学知识再证明一次，这个讲解需要把控好过程，否则容易将电磁场这门课讲成“数学课”。

　　3.3 课内实验

　　课内实验是电磁场的一个重要内容，它能够帮助学生更直观地理解电磁场，也是培养学生实际动手能力的一种手段。实验一般根据专业的不同，设置1～3个实验较为合适，本校测控专业为了帮助学生更好地理解电磁场特性，设置了三个实验，分别是波的干涉和极化现象的观察，矩形波导(同轴线)中导行电磁波的观测和微波阻抗的测量，这些仪器设备都是在电磁场的实际应用中所使用的，能够让学生将理论和实际结合起来。

　　4 电磁场教学方法改革措施

　　4.1 引入及时反馈方式

　　电磁场的特性以及相关公式很多，由于课时的限制，老师认为较简单的一些公式就讲得比较少，但是某些基础差的学生就可能会卡在这里，又不好意思打断上课进程，最后困惑越来越多，课后无从问起，以致失去了学习兴趣。因此，及时掌握学生的情况是至关重要的。但是传统课堂有上百位学生，一一知晓每个学生的情况是很困难的，这就需要学生及时向老师反馈，通过课堂互动来实现。目前将传统课堂与线上结合得较好的一个PPT插件是雨课堂，通过雨课堂的弹幕功能，能够在上课的时候及时看到学生发出的“求助”信息，老师可以通过这些信息了解学生的困惑，及时交流和解答。同时，手机上能够显示PPT，避免了后排学生看不清黑板的难题。

　　4.2 引入回放机制

　　在课堂上学生很难保持长时间的专注力，而且每个学生的专注程度也不一样，有经验的老师可以根据学生的专注程度调整讲课的节奏，但也只能照顾大部分学生。为了让学生能够在课后回顾上课时老师讲的内容，这里我们引入了线上授课时采用的回放机制。在线下讲授PPT时使用雨课堂的直播功能或者腾讯课堂，就能够将上课的视频存放在网上，学生能够随时回看，进而帮助学生及时查缺补漏，也对那些课程冲突的重修生提供了学习的途径。

　　4.3 三维动画模型的建立

　　电磁场和电磁波牵涉到偏振方向、传播方向、能流方向以及在不同坐标系下各个坐标轴分量等，但是对于学生来说，这些表达式和符号很容易混淆，而且如何选择合适的坐标系也理解得不够深刻。这就需要建立具体的三维动画模型来帮助学生理解电磁场究竟处于什么状态，如何判定这些情况，行波、驻波的波形是什么样的，随时间和空间是如何变化的，从而推出它们的特性，进而对电磁场建立起正确、稳定的模型。

　　4.4 公式具象化

　　理解电磁场的公式是一个关键问题，而正是因为公式的抽象性使得电磁场的学习变得困难重重。因此将电磁场课程变得可视化是一个趋势[6]。比如积分、微分、矩阵、行列式，还有电磁波的时域和复数表达式等，学生对公式如果不够理解，就不会运用相关定理列出积分式或微分式等。为了让学生进一步理解公式，对公式进行具象化是一个方法。通过Matlab将公式具象化变成图，或者动态图，让学生知道公式的各个变量对结果产生了怎样的影响。

　　4.5 引入直播答疑

　　传统电磁场的答疑方式是课后固定时间固定地点答疑，一周大约一次，这显然是不够的。因此，现在我校大多数课程与时俱进地建立了QQ答疑或微信答疑等。但是直群里在群里答疑显然不像线下答疑那样自由地写画。为了克服这个问题，我们引入了直播答疑来对线下答疑进行补充。除了线下答疑的时间，我们还增加了一个固定的线上答疑时间，通过雨课堂或腾讯课堂的白板功能进行直播答疑，加强与学生的交流，重构教师与学生之间的关系，使学生学习更具有主动性[7-8]。

　　5 结论

　　通过分析电磁场课程的特点，从教学内容和方法上对课程进行教学改革探索。将这些教学改革应用到教学活动中，引导学生更容易理解电磁场的相关概念、定律和公式，提高学习效果，进而能够更好地掌握其应用。

　　参考文献：

　　[1] Bhag Singh Guru，Huseyin R. Hiziroglu.电磁场与电磁波(第2版) [M].周克定，等译. 北京：机械工业出版社，2006.

　　[2] 谢处方，饶克谨. 电磁场与电磁波[M].第 4 版. 北京：高等教育出版社， 2006.

　　[3] 石艳梅，郭映，秦娟，等.电磁场与电磁波课程教学方法探索[J].中国现代教育装备，2020(11)：96-97.

　　[4] 李若舟，方玉明，于映，等.比較教学法在电磁场理论教学中的应用[J].科技视界，2020(7)：3-4.

　　[5] 李小燕，郑金魁.电磁场与电磁波课程的教学探索[J].教育现代化，2019，6(79)：277-279.

　　[6] 马天磊，曾庆山，罗勇，等.基于可视化案例的“电磁场”课程教学改革与实践[J].电气电子教学学报，2020，42(3)：30-33，40.

　　[7] 赵玉荣，姚玲，王亓剑.基于“雨课堂”的《电磁场与电磁波》课程教学改革研究[J].电子测试，2020(21)：112-113，90.

　　[8] 陈义明，傅自钢，张林峰，等.基于雨课堂的深度学习教学模式——以离散数学为例[J].计算机教育，2020(8)：117-121.

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