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摘 要 研究电磁场理论课程特点，分析该课程的教学与学习难点，提出教学内容、方法及教学手段的改革思路，以期提升电磁场理论课程教学质量。
关键词 电磁场理论；仿真实验；通信工程
中图分类号：G652 文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2017）04-0105-02
Abstract We have discussed the characteristics of the Course of the
Theory of Electromagnetic Field， analyzed the difficulties in teaching
and learning. The reformation of teaching content， method and tea-ching means have been put forward， then to improve the teaching quality of the Theory of Electromagnetic Field.
Key words theory of electromagnetic field； communication engi-neering； simulation results
1 引言
近几年，科学技术迅猛发展，引力波的发现验证了爱因斯坦相关理论的正确性，互联网技术的大发展改变了现代人的生活方式，手机发展的日新月异使其成为人们生活中不可或缺的重要工具。而这一切的发展都离不开电磁场，以及对电磁场理论这门基础学科的深入学习与研究。
电磁场理论的主要内容包括电磁理论必要的数学基础、电磁场的基本问题、静态场、时变电磁场、平面电磁波、导行电磁波、电磁波的辐射，是通信工程专业学生必修的一门重要的专业基础课程。这门课程所涉及的内容既是电气类专业学生，也是通信工程师应具备的知识结构的重要组成部分之一。电磁场与电磁波基本理论还是一些交叉学科（如生物电磁学、微波化学等）的生长点和新兴边缘学科（如计算电磁学、负折射率介质）发展的基础。课程理论性强，概念抽象，公式推导较多，难度较大，对学生的数学知识及应用能力要求高。而电磁波又非常抽象，既看不见又摸不着，对于该课程的重难点——电磁波的传播特性、工作状态等就不太好把握。因此，该课程无论对教师的“教”，还是对学生的“学”，都有较大的难度。而且本课程的教学效果也多少影响学生对于后续专业课程的理解深度，如移动通信、微波通信、光纤通信等。因此，电磁场理论课程在电子通信工程专业建设中有着重要的意义。
2 教学内容体系改革
夯实数学基础 电磁场理论课程对学生的数学基础要求较高，涉及矢量计算、微积分、偏微分方程等数学工具，方法灵活。在上海师范大学，通信工程的教学安排在大二下学期，虽然学生已经学过高等数学等相关课程，但是到了学习本课程时，相应的数学知识已经有些生疏，或基础不坚实，无法顺利达到学习本课程要求，仍要花费相当气力补数学基础和基本计算。从以往的教学经验来看，很多学生之所以在学习本课程时感到困难，就是因为数学基础不牢。因此，在课程开始的第一章对课程内容相关的数学基础知识进行复习，尤其是散度、旋度、梯度等矢量场分析内容以及微分方程求解方面的知识，并注意将这些数学知识和本课程中相关的物理概念联系起来，为本课程的学习打下扎实的基础。
整合电磁场教学内容 电磁场部分教学的传统顺序是静电场、恒定电场、恒定磁場、时变电磁场等，从特殊的静态场到一般的时变场。这样的体系比较容易接受，但是与大学物理电磁学等内容交叉较多，在难易程度上有所加深，概念多、公式多、内容多，学生容易厌烦，花费学时也比较多，必将挤压电磁波部分的学时。
因此，在本课程的教学中可以合理整合教学内容，从亥姆霍兹定理出发，将电磁场的散度和旋度作为核心问题，在大学物理电磁学基础上，逐一分析静态电磁场和时变电磁场的散度和旋度方程，以此引入麦克斯韦方程；然后利用麦克斯韦方程分析时变电磁场的基本规律，并最终把静态场归结为时变场的一种特殊形式。这样的内容体系，既充分利用了学生已有的电磁学基础，节省了学时，又可以深化对亥姆霍兹定理、麦克斯韦方程的认识，有利于学生高屋建瓴地掌握电磁场的一般规律。
更新教学内容，激发学生兴趣 电磁场理论课程虽然理论性很强，但是也具有明确的工程应用背景。在教学中可以将基础理论和应用背景结合起来，把电磁场理论的应用实例引入教学，充实工程应用实例。这样既可以使学生接触到工程电磁学的最新发展，又可以激发学生学习基础理论的兴趣。
例如：在教学电磁波在介质中传播特性时，可以介绍煤矿井上下无线通信以及无线通信的方式；在教学电磁波极化时，可以讨论中波天线、电视接收天线、卫星天线各自的形状与极化方式之间的关系；教学趋肤效应，可以介绍它在微波炉屏蔽、金属表面淬火中的应用等。
3 教学手段和方法改革
对于这门课所涉及的数学工具，如高等数学中的知识和矢量运算知识，要有专门时间复习，虽然会占用一定课时，但是非常必要，正所谓“磨刀不误砍柴工”。如果不能很好地运用这些数学工具分析电磁场理论知识，一味地强行推进度，会影响学生对知识的理解，或者对于一些知识强记硬背，导致学生对问题了解不透彻，学习不扎实，必然引起学生对该课程的不自信乃至丧失自动学习的兴趣，影响学习效果。因此，在课程第一章用几个课时的时间来温习，巩固相关的数学知识是非常有必要的。
针对电磁场学习较为抽象，学生感官认知度较低，主要原因是课程所讲授的知识相对比较抽象，似乎离实际生活特别遥远。主讲教师不妨从这里入手，找一些身边乃至自然界、科技界与这门课程中的知识相关联的地方，让这些摸不着、看不见的理论与看得见、摸得着的事实相关联，阐述其工作原理，解释自然现象。让学生从表面现象看到本质，然后由此深入阐述知识点，这样就比较容易抓住学生好奇的心理，带他们进入理论氛围，真正从严谨科学的角度解释问题。 通过这种手段，学生通常也会有恍然大悟的满足感，会激发进行更深入探讨学习的欲望。这就要求教师本身要事前下功夫，多收集一些资料，加以整理和归纳。也可以通过调动学生的积极性，让他们去生活中挖掘事例，用课堂学到的理论知识来阐述，或者让他们就一些经典案例进行课堂或课外讨论等。通过这种方式让学生不再认为这门课是玄而又玄、高深莫测的课程，也不是教师一个人的独角戏，减少他们的心理抵触，能够积极参与到课堂教学过程中来。
4 教学过程改革
化难为简，适当地根据课程内容，将一些适宜学生进行仿真实验的知识通过使用计算机辅助手段，让学生自己把相应知识通过图形数值表现出来。并通过修改参数来体会由此引来的结论的变化，更深切地让学生体会电磁场知识之间的因果关联，从而从多种途径理解消化知识点所阐明的道理。计算机辅助手段是一种方便、易用的教学辅助手段，让学生很直观地得到一些结论、结果，从而省去中间复杂的计算过程。当有输入条件变化时，它也会很快给出相应的结果，能够让学生很容易领会电磁场中的边界条件、介质环境、电磁方向等因素给结果带来的影响，也就较容易把这些难懂或易混淆的概念区分开来。而且编程搭建数学模型的过程也是一个很好的梳理知识点及整理思路的过程，学生必然会在这样的仿真实验中有所收获。
与科研项目结合，提高学生学习课程的信心，针对学生缺乏对这门课程对今后的专业培养以及专业生涯有何帮助的了解这一情况，如果教师能将一些科研项目同学生学习结合起来，将一些科研项目上的研究成果介绍给大家，甚至能将科研项目中难度较低、与教学知识点相关的项目内容提炼出来，让学生参与解决，就会让他们对这门课程有新的认识，不再以为这门课是对职业发展没有任何关系或帮助的课程，从而也激发学习这门课程的热情。
5 结语
本文通过对电磁场理论课程多年的教学实践和体会，认真总结了该课程难教难学的原因，进行大胆的探讨和实践改革。在教学内容上进行了适当取舍，在教学方法上进行了科研教学结合和综合应用比较法等的尝试，在教学中合理应用多媒体教学手段吸引学生的兴趣，以及在教学过程中加强针对关键问题和解题过程，多问答、多课堂互动解题等多种形式的课堂交流。实践证明，这些实践措施对学生而言有效降低了课程难度，增加了直观和兴趣，有效提高了该课程的教学质量和教学效率，为该课程的教学提供了有益的探索。
参考文献
[1]Gro?ardt A， Bateman J， Ulbricht H， et al. Effects of Newtonian
gravitational self-interaction in harmonically trapped quantum systems[J].Scientific Reports，2016（6）.
[2]董建峰，徐键.“电磁场与电磁波”课程的教改实践[J].中国电力教育，2010（3）：127-129.
[3]李丹美，仇润鹤，叶建芳.“电磁场与电磁波”课程教学改革探索[J].实验室研究与探索，2005（S1）：157-159.
[4]丁兰，陆建隆.精品课程建设与《电磁场与电磁波》教学改革[J].内蒙古师范大学学报：教育科学版，2006，19（7）：
119-121.
[5]陈宇，白雪梅，蔡立娟，等.电磁场与电磁波、微波技术和移动通信课程群实践环节教学改革[J].科教导刊，
2016（4）：118-119.
[6]王明军，张辉，李应乐，等.“电磁场与电磁波”课程教学改革实践的探索与思考[J].中国电子教育，2010（2）：
56-58.
[7]田世明，欒文鹏，张东霞，等.能源互联网技术形态与关键技术[J].中国电机工程学报，2015（14）：3482-3494.
关键词 电磁场理论；仿真实验；通信工程
中图分类号：G652 文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2017）04-0105-02
Abstract We have discussed the characteristics of the Course of the
Theory of Electromagnetic Field， analyzed the difficulties in teaching
and learning. The reformation of teaching content， method and tea-ching means have been put forward， then to improve the teaching quality of the Theory of Electromagnetic Field.
Key words theory of electromagnetic field； communication engi-neering； simulation results
1 引言
近几年，科学技术迅猛发展，引力波的发现验证了爱因斯坦相关理论的正确性，互联网技术的大发展改变了现代人的生活方式，手机发展的日新月异使其成为人们生活中不可或缺的重要工具。而这一切的发展都离不开电磁场，以及对电磁场理论这门基础学科的深入学习与研究。
电磁场理论的主要内容包括电磁理论必要的数学基础、电磁场的基本问题、静态场、时变电磁场、平面电磁波、导行电磁波、电磁波的辐射，是通信工程专业学生必修的一门重要的专业基础课程。这门课程所涉及的内容既是电气类专业学生，也是通信工程师应具备的知识结构的重要组成部分之一。电磁场与电磁波基本理论还是一些交叉学科（如生物电磁学、微波化学等）的生长点和新兴边缘学科（如计算电磁学、负折射率介质）发展的基础。课程理论性强，概念抽象，公式推导较多，难度较大，对学生的数学知识及应用能力要求高。而电磁波又非常抽象，既看不见又摸不着，对于该课程的重难点——电磁波的传播特性、工作状态等就不太好把握。因此，该课程无论对教师的“教”，还是对学生的“学”，都有较大的难度。而且本课程的教学效果也多少影响学生对于后续专业课程的理解深度，如移动通信、微波通信、光纤通信等。因此，电磁场理论课程在电子通信工程专业建设中有着重要的意义。
2 教学内容体系改革
夯实数学基础 电磁场理论课程对学生的数学基础要求较高，涉及矢量计算、微积分、偏微分方程等数学工具，方法灵活。在上海师范大学，通信工程的教学安排在大二下学期，虽然学生已经学过高等数学等相关课程，但是到了学习本课程时，相应的数学知识已经有些生疏，或基础不坚实，无法顺利达到学习本课程要求，仍要花费相当气力补数学基础和基本计算。从以往的教学经验来看，很多学生之所以在学习本课程时感到困难，就是因为数学基础不牢。因此，在课程开始的第一章对课程内容相关的数学基础知识进行复习，尤其是散度、旋度、梯度等矢量场分析内容以及微分方程求解方面的知识，并注意将这些数学知识和本课程中相关的物理概念联系起来，为本课程的学习打下扎实的基础。
整合电磁场教学内容 电磁场部分教学的传统顺序是静电场、恒定电场、恒定磁場、时变电磁场等，从特殊的静态场到一般的时变场。这样的体系比较容易接受，但是与大学物理电磁学等内容交叉较多，在难易程度上有所加深，概念多、公式多、内容多，学生容易厌烦，花费学时也比较多，必将挤压电磁波部分的学时。
因此，在本课程的教学中可以合理整合教学内容，从亥姆霍兹定理出发，将电磁场的散度和旋度作为核心问题，在大学物理电磁学基础上，逐一分析静态电磁场和时变电磁场的散度和旋度方程，以此引入麦克斯韦方程；然后利用麦克斯韦方程分析时变电磁场的基本规律，并最终把静态场归结为时变场的一种特殊形式。这样的内容体系，既充分利用了学生已有的电磁学基础，节省了学时，又可以深化对亥姆霍兹定理、麦克斯韦方程的认识，有利于学生高屋建瓴地掌握电磁场的一般规律。
更新教学内容，激发学生兴趣 电磁场理论课程虽然理论性很强，但是也具有明确的工程应用背景。在教学中可以将基础理论和应用背景结合起来，把电磁场理论的应用实例引入教学，充实工程应用实例。这样既可以使学生接触到工程电磁学的最新发展，又可以激发学生学习基础理论的兴趣。
例如：在教学电磁波在介质中传播特性时，可以介绍煤矿井上下无线通信以及无线通信的方式；在教学电磁波极化时，可以讨论中波天线、电视接收天线、卫星天线各自的形状与极化方式之间的关系；教学趋肤效应，可以介绍它在微波炉屏蔽、金属表面淬火中的应用等。
3 教学手段和方法改革
对于这门课所涉及的数学工具，如高等数学中的知识和矢量运算知识，要有专门时间复习，虽然会占用一定课时，但是非常必要，正所谓“磨刀不误砍柴工”。如果不能很好地运用这些数学工具分析电磁场理论知识，一味地强行推进度，会影响学生对知识的理解，或者对于一些知识强记硬背，导致学生对问题了解不透彻，学习不扎实，必然引起学生对该课程的不自信乃至丧失自动学习的兴趣，影响学习效果。因此，在课程第一章用几个课时的时间来温习，巩固相关的数学知识是非常有必要的。
针对电磁场学习较为抽象，学生感官认知度较低，主要原因是课程所讲授的知识相对比较抽象，似乎离实际生活特别遥远。主讲教师不妨从这里入手，找一些身边乃至自然界、科技界与这门课程中的知识相关联的地方，让这些摸不着、看不见的理论与看得见、摸得着的事实相关联，阐述其工作原理，解释自然现象。让学生从表面现象看到本质，然后由此深入阐述知识点，这样就比较容易抓住学生好奇的心理，带他们进入理论氛围，真正从严谨科学的角度解释问题。 通过这种手段，学生通常也会有恍然大悟的满足感，会激发进行更深入探讨学习的欲望。这就要求教师本身要事前下功夫，多收集一些资料，加以整理和归纳。也可以通过调动学生的积极性，让他们去生活中挖掘事例，用课堂学到的理论知识来阐述，或者让他们就一些经典案例进行课堂或课外讨论等。通过这种方式让学生不再认为这门课是玄而又玄、高深莫测的课程，也不是教师一个人的独角戏，减少他们的心理抵触，能够积极参与到课堂教学过程中来。
4 教学过程改革
化难为简，适当地根据课程内容，将一些适宜学生进行仿真实验的知识通过使用计算机辅助手段，让学生自己把相应知识通过图形数值表现出来。并通过修改参数来体会由此引来的结论的变化，更深切地让学生体会电磁场知识之间的因果关联，从而从多种途径理解消化知识点所阐明的道理。计算机辅助手段是一种方便、易用的教学辅助手段，让学生很直观地得到一些结论、结果，从而省去中间复杂的计算过程。当有输入条件变化时，它也会很快给出相应的结果，能够让学生很容易领会电磁场中的边界条件、介质环境、电磁方向等因素给结果带来的影响，也就较容易把这些难懂或易混淆的概念区分开来。而且编程搭建数学模型的过程也是一个很好的梳理知识点及整理思路的过程，学生必然会在这样的仿真实验中有所收获。
与科研项目结合，提高学生学习课程的信心，针对学生缺乏对这门课程对今后的专业培养以及专业生涯有何帮助的了解这一情况，如果教师能将一些科研项目同学生学习结合起来，将一些科研项目上的研究成果介绍给大家，甚至能将科研项目中难度较低、与教学知识点相关的项目内容提炼出来，让学生参与解决，就会让他们对这门课程有新的认识，不再以为这门课是对职业发展没有任何关系或帮助的课程，从而也激发学习这门课程的热情。
5 结语
本文通过对电磁场理论课程多年的教学实践和体会，认真总结了该课程难教难学的原因，进行大胆的探讨和实践改革。在教学内容上进行了适当取舍，在教学方法上进行了科研教学结合和综合应用比较法等的尝试，在教学中合理应用多媒体教学手段吸引学生的兴趣，以及在教学过程中加强针对关键问题和解题过程，多问答、多课堂互动解题等多种形式的课堂交流。实践证明，这些实践措施对学生而言有效降低了课程难度，增加了直观和兴趣，有效提高了该课程的教学质量和教学效率，为该课程的教学提供了有益的探索。
参考文献
[1]Gro?ardt A， Bateman J， Ulbricht H， et al. Effects of Newtonian
gravitational self-interaction in harmonically trapped quantum systems[J].Scientific Reports，2016（6）.
[2]董建峰，徐键.“电磁场与电磁波”课程的教改实践[J].中国电力教育，2010（3）：127-129.
[3]李丹美，仇润鹤，叶建芳.“电磁场与电磁波”课程教学改革探索[J].实验室研究与探索，2005（S1）：157-159.
[4]丁兰，陆建隆.精品课程建设与《电磁场与电磁波》教学改革[J].内蒙古师范大学学报：教育科学版，2006，19（7）：
119-121.
[5]陈宇，白雪梅，蔡立娟，等.电磁场与电磁波、微波技术和移动通信课程群实践环节教学改革[J].科教导刊，
2016（4）：118-119.
[6]王明军，张辉，李应乐，等.“电磁场与电磁波”课程教学改革实践的探索与思考[J].中国电子教育，2010（2）：
56-58.
[7]田世明，欒文鹏，张东霞，等.能源互联网技术形态与关键技术[J].中国电机工程学报，2015（14）：3482-3494.