《電磁場(chǎng)與電磁波》和《大學(xué)物理·電磁學(xué)》教學(xué)探討

1、 電磁場(chǎng)與電磁波和大學(xué)物理電磁學(xué)教學(xué)探討 劉詠梅【摘 要】大學(xué)物理和電磁場(chǎng)與電磁波都是電子信息類各專業(yè)的必修課程，這兩門課程在電磁學(xué)部分有一定重疊。本文針對(duì)兩門課程的特點(diǎn)，結(jié)合學(xué)生的實(shí)際情況，從分析方法的引入、教學(xué)內(nèi)容銜接、教學(xué)方法建議等方面對(duì)這兩門課程進(jìn)行教學(xué)探討?！綤ey】大學(xué)物理；電磁學(xué)；電磁場(chǎng)與電磁波0 引言大學(xué)物理和電磁場(chǎng)與電磁波是電子信息類各專業(yè)的必修課程，在教學(xué)環(huán)節(jié)中起著非常重要的作用。兩門課程在電磁學(xué)部分有一定重疊，但不是簡單的重復(fù)，前者為后者的先修課程，后者以前者為基礎(chǔ)，對(duì)電磁學(xué)理論及應(yīng)用進(jìn)行深入研究與探討。1 課程性質(zhì)不同大學(xué)物理是理工科各專業(yè)必修的基礎(chǔ)課，受眾面廣，內(nèi)容為

2、力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)和原子物理五部分，為后續(xù)專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課程的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)；電磁場(chǎng)與電磁波是電子信息類各專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，是后續(xù)專業(yè)課（如微波技術(shù)與天線等）的理論基礎(chǔ)，其主要分為電磁場(chǎng)（靜態(tài)場(chǎng)）與電磁波（時(shí)變場(chǎng)）部分，其中靜態(tài)場(chǎng)部分與大學(xué)物理電磁學(xué)部分內(nèi)容有一定重疊，但不是簡單的重復(fù)，內(nèi)容的深度和廣度都有較大的拓展。2 理論和分析方法區(qū)別大學(xué)物理作為基礎(chǔ)課程，引入知識(shí)由學(xué)生容易接受的物理現(xiàn)象入手，通過實(shí)驗(yàn)得到相關(guān)理論，以電磁學(xué)理論的開篇點(diǎn)電荷之間的作用力為例，直接引用實(shí)驗(yàn)結(jié)果描述庫侖定律：其他重要定理如：安培力定律、電磁感應(yīng)定律等，也都是直接引用實(shí)驗(yàn)結(jié)果描述相關(guān)理論公式；比較起來，電磁

3、場(chǎng)與電磁波的理論性更強(qiáng)，首先以一定篇幅講述矢量分析方法，引入電磁學(xué)內(nèi)容時(shí)，從電磁場(chǎng)的“源”電荷與電流出發(fā)，特別注重以散度源和旋度源區(qū)分靜電場(chǎng)和恒定磁場(chǎng)：圖1 電磁場(chǎng)典型散度源與旋度源矢量線分布引入理論計(jì)算公式時(shí)，理論更為嚴(yán)謹(jǐn)。大學(xué)物理電磁學(xué)中解決問題的方法，較多以積分形式表示，比如通過上式（1），得到真空中的高斯定理：可以看出，電磁場(chǎng)與電磁波更注重理論公式的推導(dǎo)，一般理論均以積分和微分兩種形式提出，其中微分形式更能體現(xiàn)矢量場(chǎng)與源的關(guān)系。在矢量運(yùn)算時(shí)， 大學(xué)物理電磁學(xué)一般以直角坐標(biāo)進(jìn)行描述；而電磁場(chǎng)與電磁波更多在圓柱坐標(biāo)系和球坐標(biāo)系中進(jìn)行矢量運(yùn)算。3 基本內(nèi)容的區(qū)別大學(xué)物理電磁學(xué)分別對(duì)靜電場(chǎng)和恒

4、定磁場(chǎng)進(jìn)行說明后，引入電磁感應(yīng)定律和位移電流密度概念，以麥克斯韋方程組的建立作為結(jié)束：并以麥克斯韋方程組為出發(fā)點(diǎn)，展開理論的應(yīng)用，研究時(shí)變電磁場(chǎng)的特性：建立無源區(qū)的波動(dòng)方程；研究平面波在介質(zhì)和導(dǎo)電媒質(zhì)中的傳播、均勻平面波的反射與透射等；研究導(dǎo)行電磁波、電磁輻射等。在靜態(tài)場(chǎng)部分，電磁場(chǎng)與電磁波通過求解二階微分方程：以標(biāo)量電位作為中間量，通過電場(chǎng)強(qiáng)度與電位的梯度關(guān)系求解電場(chǎng)。以唯一性定理為依據(jù)，用鏡像法、分離變量法、有限差分法等多種方法解決靜態(tài)場(chǎng)邊值問題。4 改進(jìn)教學(xué)方法之探討大學(xué)物理是學(xué)生學(xué)習(xí)的第一門與專業(yè)直接相關(guān)的基礎(chǔ)課，學(xué)生學(xué)習(xí)熱情較高，加之大學(xué)物理涉及的物理現(xiàn)象在中學(xué)階段基本有所了解，電磁

5、學(xué)部分以靜態(tài)場(chǎng)分析為主，學(xué)時(shí)設(shè)置較充足，學(xué)生接受起來比較容易；電磁場(chǎng)與電磁波是在學(xué)生已具備矢量分析與靜態(tài)場(chǎng)基本計(jì)算的前提下，對(duì)電磁場(chǎng)進(jìn)行深入的分析，特別是對(duì)時(shí)變場(chǎng)進(jìn)行分析運(yùn)算，學(xué)生需要更深入的數(shù)學(xué)知識(shí)：空間分析能力與矢量微積分運(yùn)算、二階微分運(yùn)算與微分方程求解能力；理論難度相應(yīng)增加，作為專業(yè)基礎(chǔ)課，面臨難度大、課時(shí)少等問題，同時(shí)學(xué)生反映理論枯燥、推導(dǎo)繁瑣，難以接受。在教學(xué)中，課堂教學(xué)是最重要的環(huán)節(jié)。課堂教學(xué)必須以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)，師生互動(dòng)，知識(shí)傳授與能力培養(yǎng)相結(jié)合。在電磁場(chǎng)與電磁波課程的教學(xué)中，不一定總是從理論推導(dǎo)入手，也可以從實(shí)際問題或?qū)嶒?yàn)演示引入問題，或者以大學(xué)物理已有的結(jié)論作為出發(fā)點(diǎn)

6、，應(yīng)用理論知識(shí)進(jìn)行推導(dǎo)和演繹并進(jìn)行歸納總結(jié)，得到相應(yīng)的結(jié)論，如上述真空中高斯定理，可以直接引述式（2），通過矢量散度定理：同樣得到上述式（6）。對(duì)于與后續(xù)課程（微波技術(shù)與天線等）有內(nèi)容重疊的導(dǎo)行電磁波、電磁輻射等部分，可以只選講部分內(nèi)容，留待后續(xù)課程進(jìn)行深入探討。這樣既可以突出重點(diǎn)、節(jié)約理論課程的時(shí)間，又能使學(xué)生鞏固先期理論，對(duì)理論的發(fā)展和應(yīng)用有更為深入的認(rèn)識(shí)，使得教學(xué)達(dá)到更好的效果。在實(shí)際教學(xué)中，根據(jù)學(xué)生的實(shí)際情況和對(duì)理論的掌握程度，大學(xué)物理和電磁場(chǎng)與電磁波兩門課程不斷進(jìn)行教學(xué)改革，總的改革思想為打好基礎(chǔ)和提高實(shí)踐教學(xué)學(xué)時(shí)的比例。大學(xué)物理設(shè)置了單獨(dú)的實(shí)驗(yàn)課程。電磁場(chǎng)與電磁波也探討減少理論學(xué)時(shí)

7、、增設(shè)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐內(nèi)容等改革措施。針對(duì)電磁場(chǎng)與電磁波理論抽象、計(jì)算難度大等特點(diǎn)，探索采用仿真軟件（如Matlab等）進(jìn)行輔助教學(xué)，豐富教學(xué)手段，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；計(jì)劃建設(shè)相關(guān)專業(yè)實(shí)驗(yàn)室，使學(xué)生通過實(shí)踐教學(xué)，直觀認(rèn)識(shí)電磁現(xiàn)象并進(jìn)行專業(yè)操作與測(cè)試，使得電磁學(xué)相關(guān)課程教學(xué)銜接更為順暢，更為學(xué)生今后從事相關(guān)技術(shù)工作打下基礎(chǔ)。5 結(jié)語大學(xué)物理和電磁場(chǎng)與電磁波都是電子信息類專業(yè)的必修課程。本文針對(duì)兩門課程的特點(diǎn)，結(jié)合學(xué)生的實(shí)際情況，從分析方法的引入、教學(xué)內(nèi)容銜接、教學(xué)方法建議等方面對(duì)這兩門課程進(jìn)行教學(xué)探討。課程改革是一項(xiàng)長期的任務(wù)，任課教師必將克服困難、開拓創(chuàng)新，進(jìn)一步完善教學(xué)手段、實(shí)踐環(huán)節(jié)等諸多要素，以期達(dá)到更好的教學(xué)效果，為培養(yǎng)技術(shù)應(yīng)用型綜合人才貢獻(xiàn)力量