“电磁场与电磁波”课程教学改革的探索

摘要:“电磁场与电磁波”课程是电类专业重要的基础理论课。本文从教学内容、教学方法和手段等方面对本课程的教学改革进行了探索,激发学生的学习主动性和创造性,同时在教学中注重启发性教学与现代教学手段相结合,突出对学生的逻辑思维能力和创新能力的综合培养。实践证明,该课程的教学改革是很有成效的。

关键词:麦克斯韦方程;静态场;MATLAB

作者简介:杨红军(1980-),男,河南郑州人,郑州轻工业学院技术物理系,讲师,工学硕士,主要研究方向:电磁理论的教学研究;运高谦(1979-),男,河南郑州人,郑州轻工业学院技术物理系,讲师,工学硕士,主要研究方向:光学设计的研究。(河南 郑州 450002)

随着信息技术的迅猛发展,电磁场理论在通信、广播、电视、雷达、遥测、遥控等众多领域中得到了广泛应用,同时也为诸多新型交叉学科的发展提供了重要的理论基础,要做到教育与经济建设接轨、与产业发展同步,课程的设置与改革就显得十分重要。在诸多高等工科院校中,“电磁场与电磁波”课程已经成为电类专业的一门基础理论课,在教学质量和效果上的要求也越来越高,在教学方式上也需要随时代进步。[1-4]

该课程包括电磁场理论与电磁工程两个部分,着重阐述电磁场与电磁波的基本概念、原理、规律和基本分析方法及其在电磁工程中的应用,是一门具有浓厚高等数学与物理色彩的课程,对于学生空间想象能力、抽象思维能力和逻辑推理能力等要求较高。[5-6]此外,电磁场的三维特性和电磁波的波动性等抽象内容无法生动、形象地展示给学生,使得许多学生无法理解从这些模型中建立起来的许多概念,从而影响整个课程的学习效果。[7-8]为了充分调动学生学习的积极性和主动性,促进学生更好地掌握“电磁场与电磁波”这门课,本文从教学内容、教学方法和手段等方面,对如何改革电磁场课程教学内容来提高教学效果进行了探索。

一、新的教学内容体系

本课程中的“麦克斯韦方程”是经典电磁理论的核心,包括积分与微分两种形式,这两种形式是通过高斯散度定理与斯托克斯定理联系到一起的。大二学生有大学物理的基础,因此在本课程的绪论部分,从“麦克斯韦方程”着手,对其方程的积分与微分形式、物理意义、适用的边界条件及三位奠基人做详细的分析与讲解,使学生了解本课程的思路、内容体系及安排、讲解方法、物理意义等,内容分解如表1所示。

由表1所示的内容体系,可以按照数学知识(矢量的代数运算)、静态场(静电场、恒定电场、恒定磁场)、时谐电磁场与电磁波(电磁波的传播)三大板块来讲述。教材最后几章是电磁工程,主要是为微波与天线技术作铺垫的,可根据不同专业进行取舍。

1.矢量的代数运算讲解

矢量的代数运算是本课程的基础,通过对标量、矢量、点乘、叉乘、散度、旋度、梯度、坐标系的转换等知识的讲解,教会学生如何把数学公式转换为物理知识,并用来求解物理问题,即给学生灌输一种思想,那就是如何把物理问题转换为数学问题进行求解。

2.静态场的讲解

电磁场与电磁波中的静态场包括静电场、恒定电场、恒定磁场三个章节,这三个章节在内容安排、讲解思路、理论推导、边界条件等方面具有相似性,如表2所示,因此只对一种场进行详细的讲解,使学生充分理解这种场的每个理论的推导和公式推导的过程,然后对其它场进行参数替换类比,比较它们之间的相似性与差异性。通过这种方式的讲解,教会学生如何学习这门课的方法,理清该课程的思路体系,提高其逻辑思维能力。

表2 静电场与恒定磁场的比较

静电场恒定磁场

此外,静态场中一个重要的内容就是静电场的边值问题,即利用电磁理论求解有限空间中电磁场问题。这种问题的难点在于静态场边值问题的求解,即用数学物理方法来求解与数值法求解。在讲解过程中,首先要理清求解这种问题的一般思路,即根据题意写出拉普拉斯方程或泊松方程,确定其维数,给出初始条件;然后把方程分解成几个相互独立的单函数方程;最后根据高等数学中微分方程的解析式进行求解。在思路明确的前提下,充分利用MATLAB软件进行数值运算,画出求解曲线,以更直观地加深对边值问题的理解。

3.时谐电磁场与电磁波的讲解

时谐电磁场理论的核心内容是“麦克斯韦方程组”,为此,应该把重点放在该方程的导入、物理意义及其边界条件上,尤其是教会学生如何从经典电磁理论知识体系中发现问题的所在,如何进行理论的创新。通过对麦克斯韦的“位移电流假说”的讲解,让学生深刻理解理论创新是建立在深厚的数学知识和物理基础之上的,是大胆假设、抽象思维、逻辑推导的结果。在此基础上,以麦克斯韦方程组为核心,对其物理意义、影响、伟人的研究进行详细的阐述,以激发学生学习该课程的兴趣。

二、教学方法与手段

1.课堂在线演示求解过程

由于电磁场与电磁波某些问题涉及到大量的数学推导和复杂的计算,电磁场与电磁波传统教学仅靠板书的语言教学是不够的,采用多媒体技术及MATLAB软件,以动画、图像的形式将抽象枯燥的内容变得形象而生动,复杂的物理过程变得简单直观。例如能将抽象的电磁场、驻波、电偶极子电位分布图、静电场的边值问题等概念直接用MATLAB软件进行在线演示,输入初始条件与函数方程,形象地用动态图形显示出来,可使学生获得直观的深刻印象,大大提高学生的学习效率。

2.密切联系实际,互动式教学

“电磁场与电磁波”是以“麦克斯韦方程”为核心,因此应从该方程出发,紧密联系与实际生活相关的例子,如手机、电视、卫星、收音机的信号发射、传输、接收与电磁干扰和兼容等,以专题报告的形式,让学生参与到课堂的教学过程中,把学生查到的第一手材料与教师准备的材料进行衔接,深刻体会该课程的内涵。

3.采用“启发式”教学,提高学生逻辑思维能力

在“电磁场与电磁波”课程的整个学习过程中,应该引导学生主动去思考问题,在掌握好基础知识的基础上,适时地向学生提出一些综合性和灵活性的问题,使课堂生动活泼,吸引学生的注意力。有意义的启发性的问题可使学生聚拢目光,积极思考,提高学生的逻辑思维能力。如场的理解、亥母霍斯定理、电磁场的物理性质和运动规律;如何评价麦克斯韦的电磁场理论,为什么它被誉为19世纪物理学最伟大的成就;从它的建立能得到什么启迪;它对现代电磁工程有着什么样的影响等等。对这些贯穿电磁场理论建立和发展的始终的问题,不妨有机会就提及并以此统领课程的进行,吸引学生关注这些问题是如何解决的,提出一些有意义的问题,指导学生去查阅有关资料进行探究,以论文的形式来加强学生逻辑思维能力的训练。

4.强化电磁场的数值计算

由于“电磁场与电磁波”课程内容过于抽象,对空间抽象思维要求比较高,所以在描述一种场的时候不得不引用许多图,但黑板画的图不够形象与直观,难以激发学生兴趣。可以利用MATLAB、Mathemtic、有限差分等软件进行电磁场仿真和数值计算,画出电场、磁场、电位分布图、平面电磁波的传播三维立体图、半波天线辐射、圆形波导图,斯密斯圆图等,使抽象的问题形象化,促进学生对理论知识的学习。除此之外,在教学过程还将电磁场的数值计算作为研究题目应用到毕业设计与课程设计中,强化电磁场的数值计算。

三、结语

连续三年的教学实践证明:该课程的教学改革是很有成效的,学生对电磁场理论的学习兴趣明显提高,课程的教学质量得到了提高,学生不仅较好地掌握了“电磁场与电磁波”的基础理论,更提高了独立学习和科学思维的能力。

参考文献:

[1]刘靖纳,陈东阳,冀建利,等.“电磁场理论”课程教学改革的探索与实践[J].石家庄铁道学院学报,2008,2(2):105-108.

[2]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,2009,31(3):108-109.

[3]李文翔,熊庆国.“电磁场与电磁波”课程教学方法改革研究[J].中国冶金教育,2007,22(6):26-28.

[4]潘锦.电磁场教学中的挑战与新实验建设[J].电气电子教学学报,2008,30(5):54-55.

[5]李波,豆根生,袁超.电磁场与电磁波课程的教学方法探索[J].河南机电高等专科学校学报,2007,15(6):127-128.

[6]刘学观,郭辉萍,李富华.电磁场与电磁波课程体系规划研究[J].电气电子教学学报,2006,28(6):1-2.

[7]伍刚,张小萍.基于电磁场与电磁波的教学研究[J].攀枝花学院学报,2007,24(6):117-120.

[8]姜宇.在“电磁场与电磁波”课程中建立创新理念[J].电气电子教学学报,2009,31(1):95-96.

(责任编辑:刘辉)