“电磁场与电磁波”教学方法研究与实践

赵文婧

(徐州工程学院 信电工程学院， 江苏 徐州 221000)



“电磁场与电磁波”教学方法研究与实践

赵文婧

(徐州工程学院 信电工程学院， 江苏 徐州 221000)

摘要：“电磁场与电磁波”是我校应用型本科的一门基础课。为了提高学生的学习兴趣、动手能力和理论知识的工程应用能力，本文针对该课程的特点、学生学习以及教师教学过程中存在的普遍问题，采用举例法对理论课、实验课、网络以及实践教学四个环节的教学方法进行了探讨。实践证明，这些方法取得了良好的教学效果。

关键词：电磁场与电磁波；学科基础课；教学方法

0引言

“电磁场与电磁波”是我校电子信息、电气与自动化类专业的一门学科基础课，由于该课程理论性很强、概念较为抽象、数学推导繁多复杂，历来被公认为是一门难教、难学的课程[1-2]。

我校是一所应用型本科院校，学生的入学水平参差不齐，一些基础较差的学生对前修课程“高等数学”和“大学物理(电磁学)”掌握情况本就不好，再加上与“电磁场与电磁波”同一学期开设的“通信原理”和“信号与系统”等类似难学的课程，使之产生畏难情绪，据统计，80%的学生对该课程有所畏惧。此外，该课程课时少，内容多，如何在有限时间内让学生最大限度地掌握更多的知识也是一个亟待解决的难题。以上几点给学生学习和教师教学都带来了较大的压力和难度。

笔者认为在教学过程中，应当针对学生的实际情况和“电磁场与电磁波”课程的特点因材施教。对于应用型本科院校的学生，重点应培养其动手能力和工程应用能力。因此，教师不需要花费大量课时过多地对定理和繁琐的数学公式进行推导证明，只需直接给出结论，并尽量与实际相结合，使抽象的概念形象化、通俗化，引导学生会用结论去分析和解决问题就可以了，这样能够激发学生的学习兴趣，消除其畏惧心理。

1理论课教学方法

1.1选择合适的教材

想要上好一门课程，教材的选择是非常重要的，作为教师，应当根据教学大纲、课程的性质和学生的实际情况选择适合学生使用的教材。该课程教材的种类非常多，选择空间颇大。绝大多数的教材都是先介绍基础知识，然后按照静电场、恒定电场、恒定磁场、时变电磁场、平面波以及电磁辐射等内容来分章编写的，这种安排，对我校学生的学习可能会带来一定问题。

例如：在学习静态场部分时，先涉及的内容是静电场，而当讲到恒定磁场时，由于每一章节的内容都非常多，章节之间的间隔时间长，学生很容易遗忘前面学过的知识，两部分知识很难对比记忆，存在一定的脱节。

笔者仔细研究了该课程的主要内容，并结合上述问题选择了文献[3]作为教材。该教材把静态场中的静电场、恒定电场、恒定磁场三部分内容中的基本规律和定律先抽出来单独辟为一章，给学生以基本的印象，而接下来的章节是对这三种静态场的具体分析，这样安排可以在学生学习过程中起到较好的对比记忆作用，加强学生对静态场整体认知的连贯性。

当然在备课的过程中不能完全拘泥于该教材，要参考大量的资料并且吸取其他教材[4,5]的优点，这样在上课时才能有的放矢。

1.2制作生动活泼的多媒体课件

多媒体课件是目前能够有效地辅助传统板书的一种教学手段。但在实际的教学过程中，一些教师仅仅是把书本上的文字、公式推导和图片等死板的内容搬到课件中，并没完全发挥其作用。笔者认为，对于“电磁场与电磁波”这种概念抽象、看不见摸不着的课程而言，在制作多媒体课件时应当尽量增加一些动画的形式，使得内容生动活泼，能够加深学生的理解，由抽象的认识上升到感性的认识。

例如：在讲解电磁波的极化时，书上仅仅是静态图，学生往往难以理解、不易想象，而笔者制作的多媒体课件中同时含有静态图、二维和三维的动态画面，如图1所示。这些画面除了能够让学生看到在电磁波传播空间给定点处，电场强度矢量的端点随时间变化的轨迹(二维动画)，还能够清晰地看到电磁波在三维空间中传播的方向以及电场强度矢量的端点随时间变化的轨迹(三维动画)。这使得学生能够将抽象的概念形象化，更容易理解和接受。

图1　右旋圆极化波的动画演示截图

1.3将理论与实际应用相结合

笔者发现，很多学生认为课程内容枯燥、不感兴趣的原因之一在于教材中一般不会列举与日常生活中实际应用结合的例子，但恰恰只有用鲜活的实例才能让学生加深对理论知识的理解。事实上，日常生活中许多的现象都可以用电磁场与电磁波的理论来解释，这就要求教师在备课时要多搜集一些日常生活中的实例，引导学生用所学知识来解释这些现象，一旦学生觉得有趣，学习积极性自然也会提高。

例如：在讲解电磁波在良导体中传播时会产生“趋肤效应”(即高频电磁波只能存在于良导体的表面层内)这个问题时，如果仅仅是把概念介绍给学生，那么学生很快就会遗忘，教师可以在这个概念的基础上，提一个问题“为什么不能用金属器皿在微波炉里加热食物呢？”，以此引导学生结合“趋肤效应”来解释这个问题：因为金属器皿是良导体，电磁波进入不到良导体内部，自然也就无法加热食物。此外，电磁波遇到良导体还要产生全反射，这也是不能在微波炉中使用金属器皿的原因之一，这个问题可以在后续章节讲到电磁波的入射与反射时再次回顾，以加深印象。

1.4采用形象类比的教学法

并不是所有的概念都可以与实际应用相结合，比如一些定理、定律，很多学生都只是死记硬背，为了便于学生理解和记忆，笔者采用了类比的教学方法，用简单的容易理解的例子来形象地类比枯燥的定理。

例如：在讲解“亥姆霍兹定理——在有限区域V内，任一矢量场由它的散度、旋度和边界条件(即限定区域V的闭合面S上的矢量场的分布)唯一确定”时，我们可以用房间类比有限区域V，用房间内音响设备类比散度和旋度(因为散度和旋度是产生矢量场的源)，用音响效果类比矢量场，用房间内的环境类比边界条件。将相同的音响设备放在两间相同大小的房间内，一间是没有装修的普通房间，另一间是装修过的音响视听室(隔音效果很好，地面铺了厚厚的地毯，墙和天花板用吸音材料处理过)，显然，在这两种房间内收听到的音响效果是截然不同的。房间的大小相同说明讨论的区域V相同，相同的音响设备说明产生矢量场的源是相同的，但房间内的环境不同即边界条件不同，那么音响效果必定不同即矢量场的分布不同。简单来说：在相同大小的房间内，收听到的音响效果由音响设备和房间内的环境唯一确定。因此说明，一个矢量场应该是由产生它的源和边界条件唯一确定的。

2实验课教学方法

实践是检验真理的唯一标准，笔者认为该课程不能仅仅局限于理论知识的讲解，还要用实验来验证理论的正确性，并培养学生的动手能力。此外，由于电磁场和电磁波现象都具有复杂的空间分布，而且都具有不可视见的特性，一般只能进行抽象的想象，虽然笔者制作了一些三维动画辅助教学，但通过学生自己动手实验才能获得更好的效果。因此，笔者安排了硬件操作与软件仿真相结合的多个实验任务。

2.1基于硬件操作的实验

近年来，学院加强了“电磁场与电磁波”实验课程的建设，引入了“电磁波教学综合实验仪”。该仪器通过磁电转换形成可见光能量，通过观察光的亮度变化，巧妙地将复杂难教难学的电磁学理论，演变成对电磁波传播过程可视化研究性学习。

例如：使用该仪器可以开展“电磁波传播特性研究”实验，如图2所示，其中半波接收天线中间的馈电部分安装了一个无源小功率白炽灯泡，当发射天线发射电磁波时，接收天线上能够感生高频电流，能量足够时可使白炽灯发光。由发射天线发射出的电磁波，在空间传播过程中可以近似看成均匀平面波。此平面波垂直入射到金属板，被金属板反射回来，到达半波接收天线；直射波也可直接到达半波接收天线，这两列波接收到叠加将形成驻波，两列电磁波的波程差满足一定关系时，在接收天线处可以产生波腹或波节。固定接收天线的位置，从远而近移动反射板，使灯泡明暗变化，以灯泡明暗度判断波节(波腹)的出现。当测到灯泡两个相邻最亮时，表明反射板位置的坐标间(波腹点到波腹点)的距离即为λ/2，或灯泡两个相邻最亮到最暗时，反射板位置的坐标间(波腹点到波节点)的距离即为λ/4，由此可得到电磁波的波长和频率。

图2　电磁波教学综合实验仪

2.2基于软件仿真的实验

除了硬件操作的实验外，还可采用软件进行仿真，用虚拟实验演示硬件仪器无法做到的部分实验。

仿真实验采用Ansoft 软件，主要包括maxwell 2D和HFSS 等子软件，是较为成熟的商业有限元仿真软件，在电磁领域应用广泛。大量实验测量证明，它的计算结果十分可靠，而且具有强大的前处理和后处理功能[6]。

在讲解静态场部分时，让学生使用Ansoft Maxwell 二维仿真软件进行静电场和恒定磁场问题的仿真，通过建模和相关参数的仿真测量，加深对静态场基本原理的认识，掌握仿真方法与步骤。

例如：利用Ansoft Maxwell 对平行板电容器的电场、电位、电容值和极板所受到的力等进行仿真，图3给出了学生实验的仿真结果(电位分布图)。

图3　静态场平行板电容器仿真结果

在讲解电磁辐射时，借助功能强大的Ansoft HFSS三维高频电磁仿真软件进行天线的仿真设计，让学生清楚看到其三维方向图、矢量图、动画以及天线的一些重要性能参数，化抽象为具象。再如：利用Ansoft HFSS对半波对称振子天线进行仿真设计，图4给出了学生实验的建模和仿真结果(天线的三维方向图)，能够看出这比二维仿真更加立体、形象。

(a) 天线模型

(b) 三维方向图图4　半波对称振子天线仿真结果

3网络教学方法

笔者在授课之余，除了定期进行课后答疑，还充分利用学校提供的网络教学平台，建立了“电磁场与电磁波”课程网站，学生可以在课余时间利用网络资源自主学习，网络资源中除了包含常规的大纲、PPT、试题库和留言板等内容外，笔者还添加了相关知识点的微课视频，获得了学生的认可[7]。

例如：笔者就“电磁波的极化”这一知识点制作的微课视频，参加了学校首届微课比赛，获得了三等奖，师生们反响很好，并且笔者发现通过微课的学习，该学期的学生对这一知识点的掌握情况比往届学生要好，说明微课起到了良好的效果。

当然，除了可以将理论课中的重点、难点制作成微课外，还可以考虑制作与实验相关的微课，将一系列微课视频呈现在网站上，方便学生课余时间复习

回顾。

4其它实践教学方法

笔者在授课之余还向学生介绍与该课程相关的前沿技术领域的研究新进展，例如：物联网技术，主要包括射频识别技术和无线传感器网络，其基础之一为无线通信技术，而天线是其中的重要组成部分，为此组织学生针对不同的应用需求进行相应的天线设计。还引导学生参与大学生实践创新项目、学科竞赛以及参与教师科研。此外，毕业设计也是学生必须要参加的重要的实践环节之一，笔者引导学生选择以物联网为背景的与天线设计相关的题目进行毕业设计，为学生今后从事相关科研打下良好的基础。

5结语

本文根据我校应用型本科专业学生的实际情况和“电磁场与电磁波”课程的特点，采用举例法对理论课、实验课、网络以及其它实践教学四个环节的教学方法进行了探讨。实践表明，这些方法切实做到了将枯燥抽象的理论形象化，提高了学生的学习兴趣，强化了学生的工程应用能力，取得了良好的教学效果。

参考文献:

[1]马愈昭, 许明妍, 范懿. 电磁场与微波教学课程的三种教学手段 [J]. 武汉: 武汉大学学报(理学版), 2012, 58(S2): 109-112.

[2]李朋伟, 张文栋, 张雪英, 史建芳, 桑胜波.“电磁场与电磁波”课程教改与实践[J]. 南京: 电气电子教学学报, 2014, 36(4): 43-44.

[3]谢处方, 饶克谨. 电磁场与电磁波(第四版)[M]. 北京: 高等教育出版社, 2008.

[4]杨儒贵. 电磁场与电磁波[M]. 北京: 高等教育出版社, 2003.

[5]冯恩信. 电磁场与波[M]. 西安:西安交通大学出版社, 2006.

[6]郑庆庆, 吴谨. Ansoft软件在电磁场与电磁波课程教学中的应用[J]. 北京: 中国冶金教育, 2014, (4): 29-30.

[7]胡铁生, 周晓清. 高校微课建设的现状分析与发展对策研究[J]. 北京: 现代教育技术, 2014,02(24): 5-13.

Research and Practice of Teaching Method for Electromagnetic Field and Electromagnetic Wave

ZHAO Wen-jing

(DepartmentofInformationandElectricalEngineering,XuzhouInstituteofTechnology,Xuzhou221000,China)

Abstract:Electromagnetic Field and Electromagnetic Wave is a discipline basic course in our application-oriented universities, In order to improve the students' interest in learning, practice ability and engineering application of theoretical knowledge ability, aiming at the characteristics of the course, the common problems existing in students' learning and teaching process, the teaching methods of four teaching steps includes theory, experiment, network and practice by example are discussed in this paper. Practice proves that these methods have achieved good teaching effect.

Keywords:electromagnetic field and electromagnetic wave; discipline basic course; teaching method

文献标识码：A

文章编号：1008-0686(2016)01-0105-04

中图分类号：G642

作者简介：赵文婧(1984-)，女，硕士，讲师，主要从事电磁场与电磁波理论教学，射频识别、微波天线的科研工作，E-mail：157547532@qq.com

收稿日期:2015-04-09;修回日期:2015-09- 18基金项目：徐州工程学院高等教育教学研究课题(YGJ1533)