论文部分内容阅读
摘要：为了培养学生的学习兴趣，改善教师的课堂教学效果，根据“电磁场理论”课程的特点，从理论与实际结合、注重归纳对比、改进教学手段三方面对课堂教学方法提出了一些改革设想。
关键词：电磁场理论；课堂教学；教学改革
作者简介：单欣（1981-），女，回族，湖北武汉人，武汉大学电子信息学院，讲师。（湖北 武汉 430072）
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）03-0067-02
对电磁场的研究最早可以追溯到18世纪末期。随着现代科技的发展以及实际需求的变化，这门古老的学科依旧展现出其巨大的活力，可以说，对电磁场的应用已经深入到几乎所有信息类学科。因此，“电磁场理论”课程作为一门重要的理论基础课，不仅传统的如物理、通信类专业开设，其他诸如光电、遥感类等新兴专业也相继将该课程设为其专业基础课，并给予了充分的重视。
“电磁场理论”课程主要涵盖了宏观电磁场的基本性质和变化规律、电磁场与物质间的相互作用以及场的基本分析方法。[1]通过对课程的讲授，希望能帮助学生建立场的观念，并培养学生利用场的思维方式分析和解决实际工程问题的能力。然而，这门课程学生普遍反映抽象难懂，究其原因在于课程所涉及数学知识较多，理论推导繁难复杂，物理概念抽象，[2，3]学生难以深刻理解知识的内涵，不能有效地将数学工具与物理概念结合起来。
因此，在授课过程中，教师不能只重视物理定理的讲解和数学公式的推导，而应广泛结合实际的工程应用，培养学生学习电磁场知识的兴趣。与此同时，还可以结合一些目前主流的计算机编程技术（如Matlab）进行可视化教学，激发学生的积极性和创造性。[4，5]
一、课堂教学改革探讨
1.围绕应用实例，开展课堂讲授
在课堂的教学实践中，笔者深深感到如果只是单纯地推导公式，不仅完成不了教学计划，而且会使学生产生畏难情绪，对课程学习产生抵触心理。所以如何调动学生的积极性，帮助其建立良好的自信心，是课堂教学是否成功的关键因素之一。
在“电磁场理论”课程中，坡印廷矢量是一个非常重要的物理概念，它给出了电磁场能量传输的规律，与其相关的坡印廷定理则是关于电磁场的能量守恒的一个重要定理。通常的课堂讲授方式是，经由电磁场能量守恒的推导引入坡印廷矢量，然后根据坡印廷矢量的表达式给出电磁场的能量传输方式。但根据笔者以往的讲授经验，学生通常尚未等到推导完毕已经失去了学习的兴趣，导致其最终不能深刻理解坡印廷矢量及定理所蕴含的物理意义。但是，若能围绕相关的应用实例来进行物理概念的讲授，则往往能取得较好的授课效果。例如，在推导定理前，可以组织学生讨论电灯点亮过程中能量传递的问题。从这个生活中触手可及的物理现象入手，引导学生对这一瞬间的能量传递方式进行思考，探讨能量是通过电荷的运动还是通过场的形式实现瞬时的传播，进而引入坡印廷矢量的概念。利用这种方式，提高学生的思维能动性，抓住学生的注意力，使学生对相关的问题能保持高度关注度。因此，其后关于能量守恒定理的推导和坡印廷矢量的讲解就能够行之有效地开展起来。
电磁场课程中有很多抽象的概念和复杂的推导都可以通过上述方式来唤起学生的学习兴趣。例如，通过最新的3D电影技术原理，引入电磁波极化的概念；在推导电磁波反射特性前，可以首先探讨一下美国F22战机的隐形问题；而对于电磁波在良导体内传输问题的分析，可以通过潜艇对潜通信技术的发展进而开展课堂授课等。这些应用实例的选择，可以小到生活中随处可见的现象，大到与国家安全、人类生存发展相关的工程应用。如此一来，能够使学生在课堂讲授过程中充分认识到，这些抽象而枯燥的公式和理论概念与科技的发展和应用息息相关，有效激发学生学习这些基础理论的热情。
2.注重归纳对比，进行阶段总结
“电磁场理论”课程中涉及到的物理概念多且抽象，学生在学习特别是复习的过程中通常感到无所适从。因此，在进行阶段总结时，将课程前后学习的相关知识点归纳起来并进行对比能够有效提高学习效率，帮助学生更好地掌握电磁规律，达到事半功倍的效果。
电磁波在不同介质中的传播特性有较大不同，究其本质，是源于波动方程中的波矢量的不同。在总结时，可以通过列表的形式进行归纳对比。
从表1中可以看出，不同的介质中，不论是波动方程，还是电、磁场分量的解，从形式上看都是一模一样的，差别只是在于其中波矢量性质的不同。而正是由于波矢量实数和复数性质的差异，最终造成波的传播特性产生显著区别：第一，理想介质中电磁波不衰减，而导电介质中电磁波为衰减的行波，能量也随着传播的距离不断减弱；第二，理想介质中电磁波的电磁场分量间没有相位延迟，而导电介质中电磁场分量有一个固定的相位差；第三，由于在导电介质中相位因子与波的频率有关，因此导电介质中波在传播时存在色散现象，而在理想介质中波以一个固定的速度传播；第四，在良导体中电磁波才具有趋肤效应，且波的频率越高，趋肤效应越明显。
这种归纳对比的方法可以贯穿整个电磁场课程始终，如散度和旋度的对比、静电场和稳恒磁场性质的对比、电偶极子和磁偶极子的对比、电磁波在不同界面的反射折射性质的对比等。从学生的反馈上看，归纳对比法能帮助学生迅速找出关键的核心问题，将知识点融会贯通，提高学习效率。
3.结合Matlab，实现可视化教学
Matlab是一款功能强大的科学计算软件，它集数值计算、符号计算、可视化功能以及诸多的工具箱为一体，已成为大学生、研究生必备的工具软件。Matlab具有强大的图像处理软件、丰富的工具箱与模块集，使得程序环境简单易于操作，非常适合教师在课堂讲授中使用，不仅能丰富教学手段和方法，还能有效改善授课效果，激发学生学习积极性。
笔者曾承担过不同专业的电磁场课程，根据专业性质的不同以及学生知识储备的差异，电磁场课程的课时安排也有所不同。但总体看来，课时量的安排相对需讲授的课程内容来说始终有所欠缺。由于课时的限制，在课堂时间充裕的情况下，通过简单的Matlab程序语句的编辑，现场进行一些小规模电磁场问题的计算演示。而对于需要大规模数值计算的复杂电磁场问题，可利用Matlab的图像处理功能实现一些可视化控件，在课堂上通过图像或动画的形式对抽象的电磁场问题进行形象的说明展示，例如演示带电粒子在电磁场中的运动图像等。将形象思维和抽象的逻辑思维紧密结合起来，不仅可以提高学生学习电磁场的兴趣，同时可以引导学生去探索Matlab语言，有效提高学生的综合素质。
二、结论
电磁场理论是一门研究宏观领域电磁现象的科学，具有数学推导复杂、物理概念抽象的特点，被公认为是工科学生的“天书”课程之一。但是作为众多专业的必修课程，学好“电磁场理论”对学生来说又是非常重要的。笔者根据多年的教学经验，从理论与实际结合、注重归纳对比、改进教学手段三方面进行了初步的探索，以解决课程存在的教师“难教”、学生“难学”的问题。目前，这些方法在实际的教学实践中也取得一定效果，得到学生良好的反馈。
参考文献：
[1]柯亨玉，龚子平.电磁场理论基础（第2版）[M].北京：人民邮电出版社，2003.
[2]田雨波，张贞凯，李峰.《电磁场理论》教学的体会与思考[J].武汉大学学报（理学版），2012，（S2）.
[3]王慧，尹凡，蔡红涛，等.《电磁场理论》课堂教学实践[J].中国校外教育，2012，（6）.
[4]王明军，李应乐，唐静.MATLAB在电磁场与电磁波课程教学中的应用[J].咸阳师范学院学报，2009，（2）.
[5]唐军杰，王爱军，赵昆，等.MATLAB在电磁场可视化教学中的应用[J].物理与工程，2013，（2）.
（责任编辑：王意琴）
关键词：电磁场理论；课堂教学；教学改革
作者简介：单欣（1981-），女，回族，湖北武汉人，武汉大学电子信息学院，讲师。（湖北 武汉 430072）
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）03-0067-02
对电磁场的研究最早可以追溯到18世纪末期。随着现代科技的发展以及实际需求的变化，这门古老的学科依旧展现出其巨大的活力，可以说，对电磁场的应用已经深入到几乎所有信息类学科。因此，“电磁场理论”课程作为一门重要的理论基础课，不仅传统的如物理、通信类专业开设，其他诸如光电、遥感类等新兴专业也相继将该课程设为其专业基础课，并给予了充分的重视。
“电磁场理论”课程主要涵盖了宏观电磁场的基本性质和变化规律、电磁场与物质间的相互作用以及场的基本分析方法。[1]通过对课程的讲授，希望能帮助学生建立场的观念，并培养学生利用场的思维方式分析和解决实际工程问题的能力。然而，这门课程学生普遍反映抽象难懂，究其原因在于课程所涉及数学知识较多，理论推导繁难复杂，物理概念抽象，[2，3]学生难以深刻理解知识的内涵，不能有效地将数学工具与物理概念结合起来。
因此，在授课过程中，教师不能只重视物理定理的讲解和数学公式的推导，而应广泛结合实际的工程应用，培养学生学习电磁场知识的兴趣。与此同时，还可以结合一些目前主流的计算机编程技术（如Matlab）进行可视化教学，激发学生的积极性和创造性。[4，5]
一、课堂教学改革探讨
1.围绕应用实例，开展课堂讲授
在课堂的教学实践中，笔者深深感到如果只是单纯地推导公式，不仅完成不了教学计划，而且会使学生产生畏难情绪，对课程学习产生抵触心理。所以如何调动学生的积极性，帮助其建立良好的自信心，是课堂教学是否成功的关键因素之一。
在“电磁场理论”课程中，坡印廷矢量是一个非常重要的物理概念，它给出了电磁场能量传输的规律，与其相关的坡印廷定理则是关于电磁场的能量守恒的一个重要定理。通常的课堂讲授方式是，经由电磁场能量守恒的推导引入坡印廷矢量，然后根据坡印廷矢量的表达式给出电磁场的能量传输方式。但根据笔者以往的讲授经验，学生通常尚未等到推导完毕已经失去了学习的兴趣，导致其最终不能深刻理解坡印廷矢量及定理所蕴含的物理意义。但是，若能围绕相关的应用实例来进行物理概念的讲授，则往往能取得较好的授课效果。例如，在推导定理前，可以组织学生讨论电灯点亮过程中能量传递的问题。从这个生活中触手可及的物理现象入手，引导学生对这一瞬间的能量传递方式进行思考，探讨能量是通过电荷的运动还是通过场的形式实现瞬时的传播，进而引入坡印廷矢量的概念。利用这种方式，提高学生的思维能动性，抓住学生的注意力，使学生对相关的问题能保持高度关注度。因此，其后关于能量守恒定理的推导和坡印廷矢量的讲解就能够行之有效地开展起来。
电磁场课程中有很多抽象的概念和复杂的推导都可以通过上述方式来唤起学生的学习兴趣。例如，通过最新的3D电影技术原理，引入电磁波极化的概念；在推导电磁波反射特性前，可以首先探讨一下美国F22战机的隐形问题；而对于电磁波在良导体内传输问题的分析，可以通过潜艇对潜通信技术的发展进而开展课堂授课等。这些应用实例的选择，可以小到生活中随处可见的现象，大到与国家安全、人类生存发展相关的工程应用。如此一来，能够使学生在课堂讲授过程中充分认识到，这些抽象而枯燥的公式和理论概念与科技的发展和应用息息相关，有效激发学生学习这些基础理论的热情。
2.注重归纳对比，进行阶段总结
“电磁场理论”课程中涉及到的物理概念多且抽象，学生在学习特别是复习的过程中通常感到无所适从。因此，在进行阶段总结时，将课程前后学习的相关知识点归纳起来并进行对比能够有效提高学习效率，帮助学生更好地掌握电磁规律，达到事半功倍的效果。
电磁波在不同介质中的传播特性有较大不同，究其本质，是源于波动方程中的波矢量的不同。在总结时，可以通过列表的形式进行归纳对比。
从表1中可以看出，不同的介质中，不论是波动方程，还是电、磁场分量的解，从形式上看都是一模一样的，差别只是在于其中波矢量性质的不同。而正是由于波矢量实数和复数性质的差异，最终造成波的传播特性产生显著区别：第一，理想介质中电磁波不衰减，而导电介质中电磁波为衰减的行波，能量也随着传播的距离不断减弱；第二，理想介质中电磁波的电磁场分量间没有相位延迟，而导电介质中电磁场分量有一个固定的相位差；第三，由于在导电介质中相位因子与波的频率有关，因此导电介质中波在传播时存在色散现象，而在理想介质中波以一个固定的速度传播；第四，在良导体中电磁波才具有趋肤效应，且波的频率越高，趋肤效应越明显。
这种归纳对比的方法可以贯穿整个电磁场课程始终，如散度和旋度的对比、静电场和稳恒磁场性质的对比、电偶极子和磁偶极子的对比、电磁波在不同界面的反射折射性质的对比等。从学生的反馈上看，归纳对比法能帮助学生迅速找出关键的核心问题，将知识点融会贯通，提高学习效率。
3.结合Matlab，实现可视化教学
Matlab是一款功能强大的科学计算软件，它集数值计算、符号计算、可视化功能以及诸多的工具箱为一体，已成为大学生、研究生必备的工具软件。Matlab具有强大的图像处理软件、丰富的工具箱与模块集，使得程序环境简单易于操作，非常适合教师在课堂讲授中使用，不仅能丰富教学手段和方法，还能有效改善授课效果，激发学生学习积极性。
笔者曾承担过不同专业的电磁场课程，根据专业性质的不同以及学生知识储备的差异，电磁场课程的课时安排也有所不同。但总体看来，课时量的安排相对需讲授的课程内容来说始终有所欠缺。由于课时的限制，在课堂时间充裕的情况下，通过简单的Matlab程序语句的编辑，现场进行一些小规模电磁场问题的计算演示。而对于需要大规模数值计算的复杂电磁场问题，可利用Matlab的图像处理功能实现一些可视化控件，在课堂上通过图像或动画的形式对抽象的电磁场问题进行形象的说明展示，例如演示带电粒子在电磁场中的运动图像等。将形象思维和抽象的逻辑思维紧密结合起来，不仅可以提高学生学习电磁场的兴趣，同时可以引导学生去探索Matlab语言，有效提高学生的综合素质。
二、结论
电磁场理论是一门研究宏观领域电磁现象的科学，具有数学推导复杂、物理概念抽象的特点，被公认为是工科学生的“天书”课程之一。但是作为众多专业的必修课程，学好“电磁场理论”对学生来说又是非常重要的。笔者根据多年的教学经验，从理论与实际结合、注重归纳对比、改进教学手段三方面进行了初步的探索，以解决课程存在的教师“难教”、学生“难学”的问题。目前，这些方法在实际的教学实践中也取得一定效果，得到学生良好的反馈。
参考文献：
[1]柯亨玉，龚子平.电磁场理论基础（第2版）[M].北京：人民邮电出版社，2003.
[2]田雨波，张贞凯，李峰.《电磁场理论》教学的体会与思考[J].武汉大学学报（理学版），2012，（S2）.
[3]王慧，尹凡，蔡红涛，等.《电磁场理论》课堂教学实践[J].中国校外教育，2012，（6）.
[4]王明军，李应乐，唐静.MATLAB在电磁场与电磁波课程教学中的应用[J].咸阳师范学院学报，2009，（2）.
[5]唐军杰，王爱军，赵昆，等.MATLAB在电磁场可视化教学中的应用[J].物理与工程，2013，（2）.
（责任编辑：王意琴）