关键词 《电磁场与电磁波》 教学改革 教学效果
中图分类号：O441-4 文献标识码：A 文章编号：1002-7661（2015）21-0006-02
《电磁场与电磁波》是普通高等学校电子信息类、电气信息类专业本科生必修的一门专业基础课，该课程主要研究宏观电磁场的基本规律及分析计算方法，为采用“场”的观点解决实际电磁问题和今后在这一领域的继续深造打下较扎实的基础。随着电子信息和通信系统的发展，我国对电磁场与电磁波工程技术的研究也发展迅速。因此，为适应新形势下人才培养目标，如何在有限的教学时间内开好该课程是急需解决的问题。我们在课程教学过程中，努力摸索合适的教学方法，以期提高教学效果。
一、充分利用多媒体技术和网络资源
《电磁场与电磁波》课程涉及较多抽象理论、概念以及大量的公式、定理及复杂的计算过程，如果只使用传统的板书教学方法，学生普遍缺乏学习兴趣。而多媒体课件可以提供文字、图像和声音等多方面的信息，更以形象、生动、直观的方式展现教学知识点，有助于学生很快抓住学习的知识点。并且对于较为复杂的场，我们可以借助MATLAB、电磁仿真软件等进行仿真和数值计算，将场的分布等做成动画直观演示给学生，使抽象的问题形象化。教学内容以图文并茂的多媒体手段呈现，能从多角度吸引学生注意力，激发学生兴趣。且使用多媒体教学，扩展了教学内容，提高了教学效率。适当的板书教学配合形象生动的多媒体展示，可以达到最佳的教学效果。
随着互联网技术的飞速发展，网络教学资源越来越丰富，可以充分利用网络资源，扩展课堂教学空间，弥补课堂教学的不足。学生可上网搜索相关知识点，拓宽学习渠道，开拓学习思路，加深对课堂知识的掌握。还可将课程的资料上传至网络，让学生利用课余时间查阅、学习，方便学生课前预习和课后复习。通过网络途径，积极引导学生利用网络资源了解学科发展的最新动态以及热点问题，进行自主的探究式学习，将理论运用于实际。
二、教学内容体系的优化
从我校学生的实际情况出发，通过多方比较，我们最终选择了郑钧编著的《电磁场与电磁波》作为主要教材，该教材由浅入深，内容编排较为合理和连贯，理论的系统性和逻辑性较好。《电磁场与电磁波》课程是先修课程《大学物理》的延续，需注意前后课程的衔接，同时避免授课内容的重复性。以往课程教学中，根据教材的内容编排讲授会导致对静态场的授课时间较多，可是其基本理论学生在学习《大学物理》时却已学过，学生觉得没有吸引力，导致学习效果欠佳。时变场的内容是本课程的授课重点，同时也是考核的重点，课时却相对不足，很难保证教学质量和教学效果。因此，有必要对课程知识结构进行优化，缩减静态场授课学时，增加时变场授课学时，这样的课时分配更显合理性。对静态场的教学，教师以讲解重难点为主，学生课下自学部分内容为辅。时变场授课内容包括电磁感应、麦克斯韦方程组、波动方程，时谐电磁场，到平面波的传播及平面边界的入射，波导及天线，学时数的增多使得时变场的学习更为系统和全面，学生可以较为牢固地掌握时变场的分析思路和计算方法，从而系统地了解电磁场与电磁波的理论。
三、案例式教学，培养学生的创新能力
电磁场理论有广泛的应用背景，因此在课堂授课中教师可以增加与理论密切相关的应用背景知识，列举一些工程实践和日常生活中电磁理论应用的案例。案例式教学是将理论联系实际，让学生直接了解理论知识的实际应用，不仅活跃课堂的氛围，避免学生分散注意力，而且有助于开阔学生的思路，使学生充分认识到本课程的重要性，提高学习的主动性。我们选取了如电磁辐射与电磁污染、静电复印工作原理、医学中的微波治疗、磁共振成像技术、喷墨打印机、静电屏蔽、多普勒雷达等内容作为案例，进一步结合课堂教学知识点进行归纳讲解，让学生从案例中更深刻地了解教学内容，同时培养学生逻辑思维与创新思维。也可以介绍学科发展前沿，比如“电磁隐形衣”“电磁黑洞”等，结合课程内容提出问题进行启发式教学，培养学生分析问题的能力。
总之，在电子信息迅速发展、电磁应用越来越广泛的背景下，课题组教师经过多年的不懈努力，《电磁场与电磁波》课程教学实践取得了一定成效，教学效果得到明显改善。当然，还有许多工作需要进一步完善，我们一定会在今后的教学实践中继续改进。
参考文献：
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[2]石磊，郝静. MATLAB在电磁场课程中的应用[J].科技资讯，2014，（29）：200.
［摘要］针对应用型二本高校的特点对“电磁场与电磁波”课程进行教学研究。从教学内容上进行分层次教学，突出重点、弱化难点；在教学方式上采用形象化、系统化教学，并利用实践教学的方式，通过HFSS软件仿真激发学生的学习兴趣，从而提高教学效果。
［关键词］电磁场与电磁波；教学研究；HFSS；实践教学
“电磁场与电磁波”主要研究电磁场和电磁波的基本概念、基本理论与应用。该课程主要从矢量分析入手，介绍电磁场中的静态场、时变场和电磁波的基本理论与特点，为“微波技术基础”、“天线与电波传播”、“射频电路”等后继课程的学习奠定必要的理论基础。但是由于该课程数学要求高、公式多、物理概念抽象、理论难以掌握，使学生在学习过程中力不从心，往往有畏难情绪在里面。特别是对合肥师范学院这种应用型二本高校来说，学生的基础相对重点院校的学生而言要差点，而且学习的自主性也欠缺，因此学习效果不是很理想，可能会有个别学生到学期结束都达不到这门课程学习的基本要求。如何做好应用型高校电磁场与电磁波课程的教学工作是比较紧迫的问题，需要花更多的心思和精力来探讨研究。笔者结合多年电磁场与电磁波课程的教学经验，有针对性的对课程进行改革，通过课堂上学生实时反馈情况对教学方式进行调整，结合应用型高校的实际情况探索该课程的教学。
1教学内容研究
本课程包括电磁场和电磁波两大部分。电磁场部分是在高等数学的基础上，运用矢量分析的方法，描述静电场和恒定磁场的基本物理概念、研究静态场的解题方法、以及在总结基本实验定律的基础上给出时变电磁场的基本规律。电磁波部分主要是介绍平面电磁波传输特性、电磁波在导行系统的传播规律及天线的基本理论。由于本校电磁场与电磁波课程只有48学时，需要针对应用型高校学生的特点分层次讲解课程内容，对理论性、逻辑性较强的知识点做选修处理，既满足大部分学生对基本知识点掌握的要求，又满足部分学生向重点高校考研的需求。将课程的必修知识点按照掌握、理解、了解三个层次具体划分为：掌握矢量运算，梯度、散度和旋度，高斯公式和斯托克斯公式，时变电磁场的麦克斯韦方程组、电磁波的波动方程等；理解电磁场的矢量位势和标量位、泊松方程、时谐平面电磁波、截止频率和谐振频率等概念；了解分离变量法、库仑规范、洛仑兹规范、滞后位等。而对镜像法、有界空间中电磁波的求解方法、电磁辐射等作为选修内容。做出以上的安排主要考虑下面两个因素：
一、有限的课时要优先考虑重点内容，对电磁场和电磁波涉及的核心知识点必须要详细讲解，比如散度、旋度、梯度、麦克斯韦方程组、波动方程、平面电磁波等，至少要花三分之一的课时结合多种教学手段让学生在理解物理概念的基础上掌握基本公式及应用。而对一些比较复杂的问题，如分离变量法、镜像法等知识点，通过弱化在总学时的比例或用选修的方式做简化处理；
二、由于我校电子信息工程、通信工程专业有电磁场与电磁波方面的后继课程－－－－专业必修课“微波技术”、专业方向课程“天线与电波传播”和“射频电路”，这些课程覆盖了“电磁场与电磁波”课程的不足，如有界空间中电磁波的求解方法、电磁辐射等知识点完全可以在后继课程中系统学习。
2教学方法研究
通过多年课堂教学的探索和总结，针对二本高校学生数理基础较薄弱的特点，同时为适应应用型高校的办学需求，为该课程制定一套教学方法，使抽象的概念形象化，难懂的公式物理化，知识掌握的系统化，最终将理论基础与实际应用密切联系，激发学生兴趣，培养学生探索性学习素养，启迪学生创新思想，促进学生知识拓展应用能力的提高。
2．1知识点形象化、系统化
在形象化讲解抽象概念的基础上，将相近或易混淆的内容做比较，通过列表的方式从物理概念、数学公式、适用条件等方面将概念进行区分，使分散的问题系统化，加深学生的理解和记忆。下面以三个度（梯度、散度、旋度）的讲解为例，说明该过程的具体实施。如何将概念形象化？例如在讲解梯度时，以温度场为例，介绍温度沿不同方向的变化率。该问题针对某一温度场中的山峰，甲、乙、丙三人分别从三个不同的方向由山脚爬到山顶，行程L分别是120km、100km、80km，其中丙是垂直路径，可以很容易算出三种不同方向的温度平均变化率ΔTL，其中丙方向的变化率最大。然后引导学生思考，如果是对温度场的某点A来说，平均变化率就变为温度沿三种方向在A点的变化率，表述为TL沿不同方向，自然引出方向性导数的概念。进一步提示学生，在所有方向的变化率中，总有一个方向变化率是最大的，这个值就是梯度的大小，这个方向就是梯度的方向，最终将针对标量场的梯度概念给完整引出。在系统讲解完梯度、散度、旋度后，用列表的方式对问题进行区分，找到三者之间的异同。
2．2HFSS软件实践教学
为改善比较死板的教学现状，同时贴合应用型办学思想，对该课程的一些知识点在理论推导的基础上用软件仿真的形式将无形的场结构有形化，加深学生对知识点的把握程度。工程上常用的HFSS有限元分析软件，对于一些典型的电磁场问题，如电场分布、磁场分布、电感、电容等，可以提供直观的场结构显示。下面就以半波偶极子为例，利用HF－SS软件建模仿真其空间辐射场结构。例：设计一个中心频率为3GHz的半波偶极子天线，计算其空间电场分布。传统教学过程是首先分析电偶极子的远区电场分布，通过在球坐标系中将电位函数高阶近似的方式推出电偶极子的远区场电场E＝－"φ＝p4πε0r3（2cosθer＋sinθeθ），其中p为电偶极矩；然后根据偶极子天线的对称性计算对称天线的辐射电场；最后计算3GHz下天线的辐射场分布和方向性函数。实践教学过程则是依托HFSS软件，通过建模仿真的方式直观的得到半偶极子场结构。设置扫频范围2．5GHz－3．5GHz，S11参数、方向图，以及电场分布。相比繁琐的理论公式的推导计算，HFSS软件实践教学方式更容易被学生接受，在掌握电场结构的基础上提高了学习兴趣，为以后的工程应用奠定基础。
3总结
“电磁场与电磁波”做为电子信息类、通信工程类本科专业的一门专业基础课，具有十分重要的核心地位。针对应用型高校如何实施教学过程是值得研究和探索的问题。本文从教学内容和教学方式两个方面，围绕教学做了初步探讨。经过实际教学检验，取得了令人满意的教学效果。
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关键词：电磁场与电磁波；光电信息类专业；教学改革
中图分类号：G642.3 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）06-0042-02
“电磁场与电磁波”作为光电信息类本科专业的专业基础课。通过学习，使学生能够运用场的观点分析有关问题，完善知识结构，提高专业水平，为后续课程的学习奠定基础[1]。然而“电磁场与电磁波”却是公认的难学、难教的专业基础课程之一[2]。而且，南京邮电大学许多专业开设了“光波导理论与技术”、“光纤通信原理与系统”以及“光纤传输技术”等与电磁场与电磁波密切相关的专业课程，对“电磁场与电磁波”的教学提出了更高的要求。
一、“电磁场与电磁波”教学现状
1.内容多，课时少，缺乏更新。为了适应专业的发展和拓宽学生的知识面，相应地增加了与专业相关的课程，导致“电磁场与电磁波”课时减少。“电磁场与电磁波”的教材大都是面向电子信息类相关专业，且专业课不断追踪学科发展前沿，而作为基础课的“电磁场与电磁波”教学内容得不到及时调整与扩充。
2.知识面宽，理论性强，概念抽象。课程中重要原理、定理和公式比较多，需要许多数学、物理知识。且课程中许多物理场的数学描述，大多需要严密的数学推导。另外，电磁场是一种抽象的物质存在形式，课程中的概念比较抽象。
3.纯理论教学，缺乏实践与应用。大多数开设“电磁场与电磁波”课程的院校由于受到实验条件的限制，只进行纯理论的教学，造成理论与实践、应用脱节。
4.考核方式陈旧。目前的考核方式基本上还是以考试为主、平时成绩为辅的考评机制。平时成绩主要包括作业和出勤。但作业存在抄袭现象，出勤由于时间问题也只能抽检。造成平时成绩的考核会出现比较大的偏差。
二、提高教学质量的新方法
1.教学内容。①合理调整适合光电信息类专业的教学内容。光电信息类专业开设了“光波导理论与技术”、“光纤通信原理与系统”以及“光纤传输技术”等专业课程，与这些专业课程相关的“电磁场与电磁波”内容有时变电磁场与电磁波传播、导行电磁波、电磁波传播模式、色散等，应重点掌握这部分内容，因此在学时的分配上，应增加这部分知识的讲授时间。而均匀平面电磁波的传播是电磁波传播部分的基础，因而，也应详细讲解与阐述。为了使学生更好地学习有关专业课程，在讲授导行电磁波这部分内容时，可以穿插一些与其紧密相关的光波导方面的内容。②紧密跟踪学科发展前沿动态。为了保证教学内容与时俱进，“电磁场与电磁波”的教学内容应紧密跟踪学科前沿的发展动态。只有这样，教学内容才不至于陈旧，落后于当前学科的发展，才能不断向前发展。近年来，随着未来宽带光网络与无线网络的发展和融合，高容量信息技术需求的高速发展，出现了微波光子技术。微波光子技术集中了微波技术和光子技术的优点，使微波与光子在概念、器件、电路和系统等方面有机结合。当前，微波光子技术非常重要，发展也很迅速。因而，有必要在“电磁场与电磁波”的教学过程中，适当补充一些与“电磁场与电磁波”教学内容相关的微波光子技术的研究内容与前沿动态，可提高学生的学习与研究兴趣，同时，还能够培养适应当前社会发展需要的新时代的学生。
2.教学方法。①理论知识与实际应用相互交叉教学。学生往往对知识的应用比较感兴趣，因而，在理论教学中应紧密联系实际应用。一开始就要在绪论中介绍电磁波在电力工业、移动通信、射频识别、卫星通信、雷达探测、隐身技术等领域的应用，提高学生对这门课的兴趣。除此之外，还应在理论教学过程中，紧密地穿插一些具体的应用，特别是一些比较新的科技前沿的应用。这样可调动学生的学习兴趣，也可丰富学生的科技知识，从而提高学习与教学效果。②适当借鉴研究性教学。虽然教学手段在技术上不断更新，却仍然无法摆脱单纯由教师讲授的教学模式。而研究性教学是一种新的教学模式，它要求引导学生主动探究、培养学生实践能力和创新精神[3]。适当在“电磁场与电磁波”中应用研究性教学方法，设置与教学内容相关的研究型课题，引导学生在课堂上进行思考和讨论。也可以让学生以分组的形式，课后利用网络资源，尤其是图书馆的电子数据库资源对研究性课题进行研究。一方面可激发学生的学习热情，加强对所学知识的理解和进行综合运用的能力，提高学习效果；另一方面，可让学生获得研究的经历，为学生以后的工作和进一步深造奠定基础。③适当安排实验教学。“电磁场与电磁波”课程在大部分院校中主要进行理论教学，使学生感觉枯燥无味。为激发学生学习热情和兴趣，可适当安排实验教学。在没有实验设备的情况下，也可以利用Matlab等软件进行仿真实验。Matlab拥有大量的二维、三维图形函数以及丰富的图形表现功能。利用Matlab可绘制电偶极子和同轴电缆线电场线、等势线等。也可以进行均匀平面电磁波、球面电磁波在自由空间传播过程仿真，矩形波导的场量分布仿真等。通过仿真实验，能够帮助学生理解抽象的物理内容，激发学生对本课程的兴趣，同时也能够加深学生对基础知识的理解，锻炼学生观察和分析问题的能力，从而培养他们的初步科研能力。④现代教学方法和传统教学方法相结合。在“电磁场与电磁波”课程的教学中需要综合利用多媒体和传统的板书教学手段。充分利用多媒体的强大图形、动画功能，可把抽象的内含的物理过程充分演示出来，有效地帮助学生透彻理解物理本质并有效掌握所学内容。另外，由于“电磁场与电磁波”课程具有较多的公式与定理，不仅要知道公式与定理本身的内容，更应知道公式的来龙去脉。而且，在公式的反复推导过程中，可达到复习的效果，牢固掌握以前所学的知识。公式的推导过程如果还利用多媒体，很容易使学生感觉枯燥无味、产生疲劳，而板书则可使推导过程达到最佳效果。
3.考核方式。适当增加笔试以外的成绩。可以课堂设置一些基本问题，让学生课后思考与复习，然后通过抽查的方式以督促学生学习。也可以针对不同的学生设置不同的问题。对学生不定时进行随堂小测试，以消除因作业存在抄袭带来成绩评定的偏差。另外还可以适当布置Matlab仿真小实验，现场考察学生的Matlab仿真。通过增加笔试以外的成绩评定，这样可较真实地考察出学生对基础知识、基本理论的掌握情况以及解决实际问题的能力，也可提高学生的积极性，杜绝个别学生想通过抄袭蒙混过关的现象。
为提高光电信息类专业的“电磁场与电磁波”课程的教学质量，不仅要求教师在教学中不断探索新的教学方法以激发和培养学生的学习兴趣，而且要求教师本身还要不断地提高自己的业务水平，特别是科研水平。只有这样，才能不断提高教学质量，培养适合社会需要的新型人才。
参考文献：
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“电磁场与微波实验”课程是本科通信专业学生重要的基础实验课程之一，电磁场理论数学公式繁多，概念抽象，电磁波看不到、摸不着，学生难以理解。在过去的理论教学实践中，单靠课堂讲解，很容易使学生失去学习兴趣，而且，不利于培养学生的自主学习能力和动手能力，因此其实验课程显得尤为重要。为适应这一教学需要，我们开设了涉及电磁波空间波长测量、极化和二次辐射等内容的实验课程，以电磁学基本定律为切入点，用场方程来描述场分布，重点反映空间交变场的一些最基本特性，加深学生对理论知识的理解，以实验反哺理论教学，培养通信专业学生具备从事天线、微波电路的设计、开发、调试和工程应用基本能力，培养学生的创新思维和探究意识，实现“让学生用实验的手段和方法研究电磁规律”这个总体目标。
一、改进实验教学方式
由于电磁场与微波类课程理论性强，要求学生具有较强的抽象思维能力，学生反映学习枯燥，因此，实验课程的开设难度较大。如何将看不见、摸不着的电磁场用形象生动的方式展现在学生的面前，让学生更好地掌握微波的基本知识和测量方法，是本门实验课程面临的最大挑战。经过多年教学实践，我们总结出两种生动、直观的教学方法，能充分调动学生的实验学习热情。
1.多媒体动画演示
教师提前准备好关于电磁场与微波理论相关知识的一些多媒体动画（视频或FLASH等），在开始实验前，给学生播放诸如电磁波的传播、驻波的形成、极化特性等动画（视频），直观反映电磁波的特点，将枯燥的电磁波理论变得生动，既能吸引注意力，又有助于学生对抽象基本概念的理解。
2.借助Matlab、HFSS等仿真软件
Matlab具备强大的计算、图像处理功能，在电磁场与微波实验的教学过程中，能发挥重要辅助作用。在做每个实验项目验前，可布置学生提前查找（或由教师直接给出）Matlab的代码，将软件仿真和硬件设备测试结合起来，既能软、硬件互补，深入理解实验原理，又能解决微波设备价格昂贵，台套数不足的难题。Ansoft Designer，Microwave，HFSS等电磁仿真软件，能从不同的角度模拟天线等电磁元器件的特性参数、场分布，为教、学都提供了有力的软件支撑。在仿真实验中，借助软件可再现电磁波的动态特性，包括：行波、驻波的三维动态模拟，波导中电磁波的传播和分布特性，偶极子天线的方向图分布等，通过仿真实验，使学生形象逼真地了解电磁波的空间分布和传播特性，达到硬件实验装置无法实现的目的。
目前，我院将微波分光仪、电磁场参数测量系统、射频参数测量系统三套硬件分别结合不同的软件，进行教学，学生对于电磁基本概念、传播特性、场分布等内容，变得不再抽象，由畏难变得充满兴趣，积极性得到很大提高，能积极思考、提问，并能利用课后时间对思考题进行软件测试，学生对此类课程的学习态度发生了极大转变。
二、改革实验项目及内容
“电磁场与微波实验”课程是学生理解电磁场与微波天线技术理论的重要途径，能有效弥补理论课堂讲授的不足，有助于澄清理论课程学习中的模糊认识认识，能形象、生动的丰富场类课程的内容。实验项目的改革将实现由单纯验证型向设计研究型转变，建立较完善的场类实验教学新体系，逐步增加综合型和创新型实验的比例，增设一些学生感兴趣并富有挑战性的实验内容。将电磁仿真技术应用于场类实验的教学中，将抽象的场问题形象化，能激发学生的学习兴趣，使学生成为实验教学的主体，做到“实践检验理论，理论指导实践，实验课程与理论课程相辅相成”。
1.对于验证性实验，在完成硬件实验的同时，增加软件仿真手段。通过硬件基础实验，学生可观察测量到电磁波波长、频率、波腹、波节、反射、衍射、偏振、极化等电磁现象，深入体会迈克尔逊干涉、布拉格衍射等电磁特性，能加深对电磁波空间传播特性的认识和理解。与此同时，由于电磁波看不见，摸不着，传播过程只能靠想象，引入Matlab软件仿真手段，将使电磁现象鲜活的呈现出来，一目了然。学生可以从程序代码和仿真结果图两方面与硬件实验结果做对比，并对结果进行各种函数后处理，得到所需的结果。例如电磁波的极化实验，硬件设备只能靠微安表感知是椭圆极化还是圆极化，引入Matlab程序，可直观的看到电磁波传播的过程、椭圆极化和圆极化的方向图，与冷冰冰的仪器数据相比，Matlab的图形具有更大的亲和力。
2.对设计研究性实验，采取分小组、分功能模块和电磁仿真软件（Ansoft Designer、HFSS等）总体设计相结合的教学方法。结合学时，将每批同学分为若干课题小组，每个小组3-4人，由每位小组成员分工完成各个软、硬件模块设计，进而组合成整体，完成整个大综合实验。例如做射频图像传输实验时，1人做射频前端发射机软件部分，1人做后端接收机软件部分，另外2人合力完成硬件部分实验，最终4人共同提交完整的实验报告。实验过程中，学生通过搜集资料，小组成员讨论，与教师讨论完成课题期间，软件参数、硬件传输等诸多问题需要不断调试，才能得到预期的目的。无论实验结果如何，这都能极大的锻炼学生发现、分析、解决问题的能力和团队合作能力。
传统“电磁场与微波实验”所开设的实验项目为7个硬件单元验证性实验项目，1个设计研究性实验项目。我们改革的做法是每个验证性实验项目配以电磁仿真软件程序，并在有限学时下减少2-3个单元性实验项目，增加1-2个综合性实验，减少实验个数，增加实验难度、深度和实用性，例如减少电磁波反射衍射、定向耦合器、振荡器设计等实验项目，增加发射机、接收机和天线设计等软、硬件设计，合并两次课时为一次（4个学时），以课题小组的形式各自分别完成一个大综合实验，从硬件和软件角度设计、完成实验，加大了实验难度，提升实验教学质量。
三、实验成绩考核要全面
实验课成绩着重考核学生对实验原理、内容的理解程度，考查学生的动手能力和分析解决问题的能力。因此，成绩评定应看重学生的实验态度、软硬件能力、实验数据、误差等几个方面，总体上呈现出两头小、中间大的正态分布趋势。
1.预习情况
引入“仿真实验”的教学方式，有效弥补了课内学时不足，将学生预习情况按比例记入总成绩，提前给学生布置下一次实验的任务，鼓励学生利用课余时间钻研，预习实验原理，建立好仿真软件的模型，预料在实验室里可能会出现的问题，明确需要验证、观测的现象、参数，明确实验目的。
2.实验过程
教师指导实验教学按互动研讨的方式实施，鼓励学生勤思考，多提问，分析在软件设计和硬件调试测量过程中出现的问题，记录自己的心得体会，重点考察学生分析问题和解决问题的能力。教师根据学生的分析问题的能力和动手解决能力评定成绩，一是考核学生对一些常用仪器设备（示波器、选频放大器等）的熟练使用程度，二是实验数据的准确度，按一定比例记入总成绩。
3.实验报告
实验报告应占总评成绩的50%以上，是学生对实验过程的全面总结，尤其是实验数据的准确记录和思考题的认真程度，反映出了学生做该次实验的体会和质量，所以要求学生不只是完成作业，还需把实验报告当作一次科技论文写作训练，力求数据严谨，概念准确，分析合理，文字简明流畅，这对于培养学生具有严谨的科学作风，良好的职业习惯，扎实的科技论文写作技能方面，都有良好的效果。
4.教学相长
在实验过程前、后，鼓励学生勤思考，多提问，鼓励学生对课程内容和教师授课提出有创新性、建设性的意见，适当记入总评成绩。
四、建立开放实验室
实验课学时不足，这是各高校实验教学面临的一个共同的难题。由于微波设备台套数的限制，学生分组完成“电磁场与微波实验”课程中的综合性、设计性实验时，往往感觉“一次实验2个学时”时间不够，如发射机、接收机实验，需要首先完成HFSS软件设计，再进行硬件的测试。显然，2个学时的时间不够，因此实验室采取开放的方式，方便学生根据自己的时间自由进入实验室。教师在制定教学方案时，可设置2-3个综合性、设计性实验项目为学生自主实验，学生实验前先查阅资料，设计好方案， 按2-4人为一个课题组，经指导教师审查实验方案、可行性后，在实验室开放的数周时间内，自由安排时间进入到开放实验室进行硬件设计、软件编程、系统调试和撰写报告等。
关键词：工程教育专业论证 电磁场与电磁波 教学改革
中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）12（b）-0181-02
2016年中国正式成为《华盛顿协议》正式成员国[1]，工程教育专业论证是我国高等教育改革的重要举措，也是实现工程教育国际化的重要标志[2]，通过专业论证的学生可以在相关的国家或地区按照职业工程师的要求，取得工程师职业资格。我国十三五规划指出，世界各国在经济、政治、军事等方面的竞争力取决于其科技和人才，要推动一批高水平大学和学科进入世界一流行列或前列，提升高等教育综合实力和国际竞争力，培养一流人才，产出一流成果[3]。而科技和人才归根结底取决于其教育质量，尤其是大学的水平。因此，专业课程的国际化成为国际化教育的重要内容。
“电磁场与电磁波”这门课包含了电磁场和电磁波两个部分的内容[4]，是电类专业的一门专业基础课程，课程的内容对后续课程的学习至关重要，在学科建设中发挥着承上启下的作用；而且在电磁场与电磁波课程中采用的独特思维方法的训练对学生今后处理实际问题具有非常重要的作用，因此提高该课程的教学质量显得非常必要。
1 目前课程的现状与存在的主要问题
“电磁场与电磁波”是工科电类专业的一门必修的专业基础课程，课程的基本理论是从事电类专业领域工作的科技工作者应必备的知识。该课程概念抽象、公式多、理论性强，也是工科学生公认的本科最难学的课程之一。同时，该课程涉及的理论在光纤通信、生物电磁学、电磁兼容、导波光学、微波技g等前沿学科领域有着举足轻重的作用，而且它还是其它边缘学科、交叉学科的基础；然而，这门课程却总被反映是一门“老师难教、学生难学”的课程。究竟课程难在何处，通过分析总结我们认为有以下几点原因：第一、“电磁场与电磁波”课程本身概念抽象，公式繁多，课程内容涉及到太多的数学和物理基础理论，学生入门学习困难，难以进行深入的理解；第二，学校重视培养“应用型”人才，理论基础课时一再的被压缩，在有限的课时内要把课程的内容讲解透彻，显然不是一件容易的事情。而学生要在这么短的时间内完全理解教学的内容，也是很困难的事情了；第三，高校的扩招，生源的整体素质普遍下降，这是一个现实的问题，学生的数学、物理基础本身比较薄弱，这就给该课程的学习带来了很大的困难。针对上述情况，课程组对该课程的教学工作进行了大胆的尝试和有益的探索，取得了良好的效果。
2 课程教学内容的改革
“电磁场与电磁波”教学大纲要求学生通过本课程的学习，掌握电磁场与电磁波两个方面的基本概念与基本理论，为今后学习其它后续课程或在电磁场与电磁波方面进一步深入学习打下必要的基础；在熟知一些基本物理概念和物理量的基础上，全面掌握课程中的基本原理及数值分析计算手段：同时培养学生严密的理论推导和分析计算能力，为后续课程的学习打下良好的基础。
该课程包含了“电磁场”和“电磁波”两个部分的内容，其中场的部分在大学物理的“电磁学”部分已经详细的讲述，但是学生接触到的一般是一维的即标量的问题。对这部分内容的讲解，比较好的方法是通过简单的回顾并把知识引申到二维三维的情形，再深入一点就是能合理地选择坐标系来处理问题；对于磁场，利用电磁场的对偶性，许多问题都可以用电场相类似的方法来处理。再如边界问题，只需要讨论电场强度矢量和电位移矢量在分界面的行为就可以了，磁场强度和磁感应强度的处理方法和电场情况类似。这样以电场的讲解为重点，举一反三，从而大大简化教学的内容。电磁波是学习的重点和难点，我们也可以采取与机械波类比的方法来讲解。对位函数的运算，只需要讲解标量场的位函数，求解标量场位函数的泊松方程或者拉普拉斯方程。矢量场的方程形式和结果采用类比方式进行讲解，这样既节省了学生宝贵的学习时间，也可以使学生在完全弄清楚了一个知识点以后会激发自己强烈的学习欲望，从而愿意钻研更深层次的内容。
3 课程教学方法的改革
“电磁场与电磁波”课程一般安排在大学二年级的第一个学期，学生刚刚学习了“大学物理”和“高等数学”，已经有了一定的数学和物理基础，对该课程的内容有一定的认识。传统的教学采用全部板书的形式不利于学生对物理图像的深刻理解，而显得教学内容的枯燥无味；完全的多媒体教学则容易忽视了基础理论的推导过程。我们认为应当采取板书与多媒体结合的方式教学，对物理概念、理论的演算过程尽量使用板书，借助直观的多媒体动画展现物理图像，便于学生理解抽象的物理概念。
对物理图像的演变过程，课程组经过长期的经验积累，认为应适当地让学生自己对物理结果利用计算机软件进行模拟仿真。仿真物理图像需要学生至少掌握一门计算机软件如C语言、MATLAB等，而这些大型的软件学习起来也有一定的难度，许多学生不一定都能熟练运用，我们推荐利用大家熟知的Excel软件来对物理图像进行模拟。物理图像很好地反应了物理过程，通过自己的模拟结果，形象地展示了物理图像，激发了学生的学习兴趣，提高了教学效果。
4 课程考核方式的改革
工程教育提出应注重学生创新精神和实践能力的培养，因此，在教学中应鼓励学生从教材中走出来，积极探索电磁场与电磁波在实际生活和工程中的应用，拓宽学生的知识面，提升学生的创新和动手能力；进一步认识电磁场与电磁波的物理本质和基本规律及其分析方法，培养学生分析和解决电磁问题的能力。
传统的考核方式就是开卷考试或者闭卷考试。对于开卷考试，试卷题目难度肯定增加了，学生如果一个知识点没有掌握好，可能整个题目就做不出来；如果是闭卷考试，很多东西靠记住。这都不能很好的反应学生的实际水平。我们采用一页纸开卷的方式，这样可以使学生全面地复习该课程，公式不需要死记硬背，试题可以更加灵活和综合，能较好地反应学生的学习效果。另外，我们对考试的分值比重做了改革，鼓励学生利用现有知识解决一些实际的工程问题，比如手机信号对钢筋水泥结构的大楼、水、电梯等场景进行模拟，鼓励学生撰写学术论文，这些都可以作为考核的一部分。
5 结语
在工程教育专业论证和国际化教育的背景下，讨论了电类专业“电磁场与电磁波”课程的教学现状，从课程内容、教学方式、考核方式等方面对课堂教学进行了有益的改革，取得了良好的效果。改革的成果对推动高校工科电类专业的电磁场与电磁波课程的教学具有一定的理论和实践指导意义。
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关键词：电磁场应用技术 人才培养 课程体系 实践教学 就业能力
中图分类号：G64 文献标识码：A 文章编号：1003-9082（2017）02-0189-02
我国的高等教育已经从精英教育走向以培养应用型人才为主的多元化教育，应用型人才培养是将理论付诸于实践，它区别于前者教育培养模式，旨在提升学生的动手实践能力，善于解决实际问题[1-2]。在当今电子信息技术不断发展的时代，地方性新建本科院校的教育需更加贴近社会需求，更注重对学生实践能力和职业能力的训练，使得他们毕业时具有该行业应有的灵敏度和完善的知识体系及应用能力，为用人单位所青睐。本文通过对微波应用技术人才的培养模式为对象进行探讨，通过对该专业人才的就业方向的解读，以及对地方高校应用型人才培养对策的研究，提出相应的实践教学方法改革措施。
当前，微波应用技术人才的就业领域包括：微波通信行业、国防军工、信息安全等部门从事微波通信、雷达、电子对抗、电磁场工程等科学研究、系统设计、产品开发与生产、设备运行维护、科技管理和教学工作等。例如，通讯企业对高级微波工程师的要求包括：熟悉无线系统天线技术和前端滤波器结构；熟悉天线馈电网络技术等。只有充分了解了社会对微波技术应用型人才各方面的需求，我们才能对应用型人才培养模式进行更好地探索，不断强化创新意识，深化实践教学方法，努力培养学生的专业素养，增强实际应用能力和就业能力，使之更加切合地方性应用型人才的需要。
一、从大一开始就对学生进行正确的专业思想教育
高等教育是以培养具有一定理论基础的高级专门人才为目的的。我们从大一开始即要求学生树立本专业的专业思想或专业观，要求学生对自己所学专业有正确的观点和态度[3]。在大一对学生进行专业介绍时，需要着重使学生了解微波是当今社会作为能量传输手段和信息传递手段的重要手段，再结合大量的工程应用实例，使学生首先对本专业的发展前景产生浓厚的学习兴趣。在今后的专业学习中，由于电磁场与波等课程对数学基础知识要求极高，因而学生对微波工程、微波电子元器件设计等课程内容的学习开始有畏难情绪，并且，随着学习的深入又产生了退缩情绪。因此，一开始帮助学生树立浓厚的学习兴趣是至关重要的，它有利于克服学生后续产生的这些畏难情绪。此外，在电磁场与波等课程的学习中，明确告诉学生虽然在学习过程中有很多公式需要推导，但对其物理意义的理解和应用比公式推导本身更重要，至于微波场的计算今后并不需要太多的数学推导，取而代之的将是有很多电磁场计算软件，只要在物理思想的指导下，充分利用这些软件的建模和强大的计算功能，就可解决实际微波工程问题。但是，在大学课堂学习中必须掌握基本的物理思想和基本的麦克斯韦电磁场理论公式。这样的教学方法加之开始帮助学生树立的专业兴趣，就比较容易使学生树立自信，坚定其专业信念和刻苦努力学习的动力。
二、不局限于传统专业课程，大胆建立适应应用型人才培养的课程体系
应用型人才并非一蹴而就。通过高校四年的通识教育和专业教育，我们到底想要给学生带来什么能力和知识体系值得地方性应用型本科高校教师的深思。电磁场技术相关专业的学生不应该只局限于与电磁场有关的课程，更重要的是要及时吸收当前电磁工程应用相关的知识体系，否则，容易造成专业知识面过于狭窄和观念落后的结果。因而，地方高校应该重新为电磁场、微波技术相关专业学生设置新的课程体系，从传统的电磁场与波等课程扩展到电磁工程应用、电磁医学等交叉学科的学科知识，重点加上微波实践课程的特色培养模式。鼓励学生走出课堂，在课题组或网络上多多关注和学习与微波应用技术相关的工程知识，在第二课堂的实践中丰富自己的电磁场相关理论知识，不断拓宽自己的知识领域。
地方院校课程体系的构建应以加强本专业学生实践能力和提高综合素质为目标，在进一步提高综合素质的基础上强调人才培养的应用性、创新性以及就业的通用性[4]。在培养过程中应以学科的特点来设计专业课程尤其是实践课程。当前，随着高等教育大规模扩招及高等教育大众化、普及化过程，大学毕业生，尤其是地方高校的大学毕业生就业形式日趋严峻，在地方性高校人才培养过程中，正确认识教育与社会需求的关系显得尤为重要。从主动适应社会、经济发展需求看，地方性本科院校的人才培养就是实践能力的培养，就是就业能力的培养。以就业为导向，不断提高就业率，是地方性新建本科院校的核心目标。这就要求我们在课程体系的构建、人才培养方案的制定上，必须充分体现以实践能力培养为目标，以就业为导向。
课程的设置还必须反映工程实践对毕业生知识、能力、素质的要求，也要有利于学生个性的充分发展、身心的全面发展和能力的可持续发展，还要有利于W生创新精神和创业能力的培养[5]。我校电磁场相关的课程类型分为两类，学科基础课程和实践教学课程。本校的学科基础课程有很强的定向性、突出体现电磁场的应用特征。它以必要的理论为基础，但不苛求理论的完整性，而是突出物理知识的基本思想及其应用领域，以实现应用型人才培养的目标。在电磁场与波这一学科基础课程学习中，学生受到电磁场基本原理的学习，而在微波器件设计实践课程中，通过对HFSS、CST等微波软件的学习及应用，使学生对微波工程实践也有了基本认知。在教学过程中，按课堂学习打基础，按实践教学强化应用能力的培养，使学生就业后具有从事微波天线、微波电路和微波滤波器等电子元器件设计、开发和工程应用的基本能力。
三、加强实践教学环节，强化学生的工程实践能力和就业能力
新建本科院校电磁场与微波专业包括毕业论文和毕业实习在内的实践性环节教学时数不少于25%。并且，在大四时的教学安排应尽量与实际应用接轨，毕业设计场地时间弹性处理，可利用大二、大三的暑假时间，把毕业设计场地延伸到产学研合作单位。实践教学安排包括：生产见习、金工实习、生产实习和就业指导等，利用校内、校外的实践基地进行与市场发展平行甚至超前的实践教学，让实践教学真正成为学生走上工作岗位前的演练。在实践人才培养计划上，学校可根据企业需要调整专业培养目标，双方共同制定人才培养计划，共同编制和修订教学大纲和实训教学大纲、编制和修订实践教学教案、编写和完善实践教学项目任务书、编写符合学生特点的指导教材，使培养的人才能主动适应社会需求[6]，培养适应通讯行业需求的射频工程师人才。在实践教学方法选择上，实践指导教师需要重点讲授研究和解决电磁场工程问题的思路和方法，并通过各种方法和渠道为学生提供实验资料，鼓励学生通过实践和相关阅读积极提出科学理论问题，然后再参与解决问题的集体讨论。通过实践和具体工程问题促进学生的课堂理论学习和理论知识的消化，激发学生努力探求电磁学理论知识的兴趣。最终，通过实践教学能始终保持学生在对理论知识点研究、分析和实际工程解决问题的兴奋点上，形成理论学习与工程实践相互促进的良性循环。
四、让学生参与科研实践，真正做到教学相长
教学和科研就如飞机的两个翅膀，缺一不可。教育部在《关于进一步深化本科教学改革全面提高教学质量的若干意见》中明确指出， 要“推进人才培养模式和机制改革，着力培养学生创新精神和创新能力”。可以说，对学生科学研究精神的教育和科学研究能力的培养本身就是一种创新精神和创新能力的教育。高校教师作为教学和科研活动的主体，在进行科研工作中，通过安排学生参与其中，指导启发其创新方法，再通过言传身教， 使学生深刻了解一项科学研究从立项设计实施成果提交成果应用的全过程，并协助教师或独立完成一定量的工作，这不仅可以培养学生执著追求、勇于探索和严谨认真的科学精神，同时也使学生得到一定的创新方法和创新技能的训练，提高学生的工程实践能力和就业能力。此外，教师通过全面把握学科的国内外电磁学和微波技术的学术动态和发展前景，并积极将科研中获得的新知识新技能及时反映到教学中去，毫无疑问会大大提高电磁场场和微波技术专业本科生学习电磁理论知识的兴趣，对于培养他们旺盛的求知欲和工程实践能力也将事半功倍。例如，在当今无线通信领域，手机天线、滤波器和WIFI通讯器件等都有大量工程应用，如在电磁场与波等课程的教学过程中，我们让学生参与到这些滤波器和小型化天线的设计和测试中来，必将极大地激发学生的学习电磁场理论的兴趣和热情。可以说，只要善加引В必将使学生从枯燥的电磁理论学习中解脱出来，不断提高他们对学科专业的整体认知和掌控能力，从而为地方经济发展不断造就创新型和实践型工程应用技术人才。
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关键词：工程电磁场教学；科研项目；教学效果
作者简介：朱希安（1962-），男，黑龙江讷河人，北京信息科技大学信息与通信工程学院，教授。（北京 100101）
基金项目：本文系北京信息科技大学2012年度教学改革立项项目（项目编号：2012JGYB17）的研究成果。
中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）02-0062-02
工程电磁场和电磁场与电磁波课程分别是电子信息工程和通信工程专业的专业骨干课程。为了使学生能够学好和掌握这门课程，该门课程的教师费劲了心机，想尽了办法，总的看教学效果都不够理想。究其原因，一方面是该类课程的学习的确困难，数学公式繁多，对学生的数学基础要求高，同时电磁场与电磁波既看不见又摸不着，要求学生要有较好的空间想象力，加之教学方法主要以理论教学为主，没有相应的科研课题与之对应，学生得不到感性认知，造成学习该门课程的目的不够明确，学习的积极性和主动性欠缺，影响了后续的微波技术、电磁兼容等课程的学习，甚至影响了考研。为此急需将理论课程的学习与科研项目相结合，探索这类课程教学与实践相结合的方法、具体实施的步骤、理论课与实践课的学时比例等问题，为该类课程的教学改革积累经验，提供第一手资料。
一、本科教学与科研项目结合的优点
1.有效提高学生学习的兴趣和自觉性
工程电磁场和电磁场与电磁波课程的讲授是诸多课程教学的难点之一。在教授该门课程的过程中，经常有学生问老师学习该门课程究竟有什么用？对以后找工作有什么帮助？每当遇到这样的问题，即使老师讲了许多应用实例，学生仍很难得到感性认知。基于上述实际情况，北京信息科技大学专门设立了研究课题。课题以国家科技重大专项中的瞬变电磁场监测二氧化碳专题研究作为基础，从2010级及2011级电子信号工程专业及通信工程专业的本科生中优选5～10名左右的学生参与该项目的具体研究，以求使他们能够提高对电磁场与电磁波学习的兴趣，增加该门课程的感性认识，深刻地理解和掌握本门课程学习的目的和意义，提高学习的自觉性。同时，为探索本课程教学方法和实践教学的改革积累经验。
2.更好地锻炼学生的实践能力、创新能力
科研项目所研究的内容都是本学科、本专业急需解决的问题，具有很强的综合性，并在某种程度上需要创新。学生参与教师的科研项目，利用已学过的知识，在教师的指导下独立地解决问题，可以培养、锻炼独立工作的能力。由于科研项目研究的都是本学科最前沿的问题，学生难免会遇到没有学过的理论或遇到没有涉及的实际问题，这会激发学生的自学热情及挑战困难的勇气和创新精神。科研项目涉及的内容广泛，需要项目组成员间的紧密协作和良好的沟通，在此过程中可以培养学生的团结、协作精神，提高处理问题、解决问题的能力和沟通能力。
3.有利于培养学生的责任意识
科研项目通常是分割成许多相互联系和相互渗透的子课题。学生承担的部分内容是项目的有机组成部分，如果学生由于自身的原因完不成指导教师所布置的毕业设计，某种程度上就会影响整个项目完成的进度。学生迫于这方面的考虑就会增强责任意识，起早贪黑，刻苦钻研，克服困难，完成任务。
二、具体的实施过程和方法
1.学生的优选
在教师的指导下，优选出的本科学生与研究生多次见面、沟通，探讨课题的研究内容、研究难点和与电磁场与电磁波类课程的关系，使学生真正了解所学课程的用武之地，激发他们的学习主动性和自觉性。例如：研究生的研究课题中有：重叠回线装置的水平层状介质的一维正演解释方法研究、中心回线装置的水平层状介质的一维正演解释方法研究、瞬变电磁信号消噪方法研究、中心回线装置的水平层状介质的一维纵向电导解释方法研究等。通过上述过程，从研究生的研究课题中，减少研究内容和研究难度，确定本科生毕业设计题目。例如：瞬变电磁信号小波阈值消噪方法研究、瞬变电磁信号不同小波分解层次消噪对比分析、瞬变电磁信号独立成分分析消噪方法研究、瞬变电磁重叠回线装置均匀半空间视电阻率的研究、瞬变电磁中心回线装置均匀半空间视电阻率的研究、基于小波阈值的瞬变电磁信号去噪方法研究、不同小波基的瞬变电磁信号消噪对比分析等都是从研究生课题中缩减内容和减少难度确定的。
2.指导过程的有效性
学生选定后，对教师而言即开始了教学与研究项目结合、提升教学效果的实践工作。教师从授课计划到教学方法的改进，乃至教学管理部门——教务处的管理模式都应该有相应的调整。整个过程的每个环节均直接影响该项目的实施质量。教师应做到严格要求、整体把握、指导具体、科学有效。
在学生参加课题研究和上课的同时，教师应指导研究生与本科学生做好确定方案，在研究生的指导下查找相关的文献，拟补参与课题研究所需知识的不足，以便学生尽早进入工作状态。文献检索与应用是科学研究的必备能力之一。合理利用文献资料是了解前人成果、避免低水平重复的必要手段。然而，考虑到学生的能力和精力有限，加之大三时学习任务也较繁重，进行大规模的资料检索工作不太现实，笔者的做法是指定部分关键性的专著和论文，要求学生查找和阅读，以便他们迅速进入状态，少走弯路。
3.与考研方向相结合，促进考研率的提高
出于就业形势的压力和继续深造的要求，很大一部分学生要参加考研。由于考研复习外语和数学与参加课题研究的时间有一定的冲突，处理不好会影响学生对参加课题时间和精力的投入。如果能将课题研究与学生的本科毕业设计和考研后的研究方向相结合则可最大限度地调动学生参与课题研究的积极性。而且，如果他们现在所学习和研究的内容就是他们硕士阶段的研究方向，这对于考研的专业课考试和复试阶段的口试都有极大的帮助，因此学生会投入极大的热情和尽最大的努力学好电磁场与电磁波这类课程，高质量地完成毕业设计。例如，笔者2013年度所带的两个学生所作的毕业设计题目是《瞬变电磁信号独立成分分析消噪方法研究》和《瞬变电磁重叠回线装置均匀半空间视电阻率的研究》。由于这两个学生所做的毕业设计的内容既与本人的科研项目结合，也是他们考研后导师的研究方向，在毕业设计过程中两个学生非常地努力，克服了种种困难，出色地完成了毕业设计，毕业设计答辩获得了优秀成绩。同时，考研的专业课成绩和复试的成绩在考生中名列前茅，分别顺利地被北京邮电大学和中科院录取为硕士研究生，所撰写的科研论文经笔者修改后也发表在核心期刊上。通过毕业设计与考研研究方向结合，取得了较好的效果。
4.建立有效的沟通联系制度
参加教师的科研项目研究是锻炼学生各方面能力的一次极好的机会。然而，由于本科生初次接触这类实践性较强的教学过程，难免有些不适应，建立有效的沟通和联系制度显得十分必要。在上课的同时，又要参加科研实践，对学生的要求较高。笔者的做法是建立研究生与学生讨论的例会制度，坚持每周两次研究生与本科学生会面，其中一次为指导教师答疑解惑时间，另一次为详细讨论、总结交流会。每位同学都要在会上对前一阶段的电磁场与电磁波课程学习中所遇到的问题进行总结，并把课程中所学习的内容与研究课题的内容关联，找出课程中哪些是基础知识、哪些是研究课题中遇到的问题以及解决课题某些难题的需要自学和补充的知识，提出来让大家讨论。在讨论时，指导教师倾听、引导和总结，鼓励学生间的自主交流。这样既可实时掌握课程的教学效果和学生课题研究的参与程度及进展情况，也可以使学生间了解彼此的体会，相互促进，形成良好的学习、科研氛围。笔者近几年的实践表明，例会制度是行之有效的，取得了一定的效果。
5.强调规范化管理和检查制度
对研究生指导本科生参加研究项目、促进电磁场与电磁波课程学习的过程要规范组织管理和操作程序，明确责任，理顺关系，制定完善的规章制度，使管理科学化、规范化。在这个过程中，指导教师要督促和指导学生按照规范化的程序保质、保量按时地完成各阶段的任务。具体地讲，每个参加课题研究的学生要写一个实践报告，总结参加课题的收获和电磁场与电磁波课程学习的体会与方法，供本届和下一届学生参考以及教师授课时讲解。
三、收获与体会
本次研究以提高工程电磁场导论和电磁场与电磁波的教学效果为出发点，以国家科技重大专项中的瞬变电磁场监测二氧化碳专题研究作为依托，探索和研究本类课程教学的理论与实践方法，以求通过学生参加项目的实施和研究过程，提高对本门类课程学习的积极性和认清学习与掌握该类课程的重要性以及与后续课程学习（例如，天线和微波课程的学习）、考研、毕业后从事相关领域工作的相关性。通过优选的5～10名2010级及2011级学生参加瞬变电磁场监测二氧化碳专题研究项目，跟踪和评价学生参加实际的研究项目对本类课程学习和教学效果提高的促进作用，使学生能够学以致用，为改进电磁场与电磁波课程的教学积累经验，奠定基础。通过本次实践研究得到了以下几点认识：
理论教学与科研项目相结合是科研成果转化为教学成果的途径，是科研与教学相互作用、促进教学水平提高和学生获取课程内容感性知识的有效手段，有助于提高该类课程学生学习的兴趣和自觉性，提高教学效果。
在本项目的实践过程中可以培养学生的团结、协作精神、责任意识，挑战困难的勇气和创新精神，独立地解决问题的能力和沟通能力等。同时，在项目的实施过程中，结合学生的实际情况，提前开设毕业设计题目，摸索行之有效的毕业设计科学和规范的管理方法、正确指导、有效沟通方法，促进毕业设计的质量提升。此外，在项目的研究过程中，有意识地培养学生对本校的眷恋度，提高考研第一志愿报考本校本专业的比例，提高本专业的考研率。
通过本项目的实施探索课程教学改革的有效途径和方法，形成一套行之有效的管理办法，为该类课程的教学提供示范。
探索学科建设成果转化为本科人才培养优势的机制与途径，在此成果的基础上凝练新的学科方向，促进学科建设。
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《电磁场理论》课程具有特别重要的地位，是通信、光电、电子类、空间物理等专业的重要基础理论课，电磁场理论与很多重要基础学科（如物理学）有交叉，又是现代高科技技术（如无线电技术）的理论基础，随着科学技术的发展，电磁场理论得到越来越广泛和深入的应用（如微波通信、光纤波导、核磁共振等），因此这门课程得到了各高校的重视，武汉大学电磁场理论在教学名师柯亨玉教授的领导下，经过多年的建设，于2009年被评为部级精品课程，它也是2011年湖北省教改项目——武汉大学国防特色专业（电波传播与天线）的核心建设课程。
电磁场理论阐述了宏观电磁场的性质、基本规律和基本分析方法，培养学生运用场的观点初步分析计算电磁问题的能力。然而该课程物理概念抽象、公式繁多、推导复杂，需要学生有较好的微积分、线性代数和数学物理方法基础，并具有较好的抽象思维和逻辑推理能力，大多数学生往往对该课程表现出明显的畏难情绪，觉得该课程太抽象、难懂。
对于教师而言，意识到这些状况，如果在教学方式上仍然只重视定理、定义和公式的详细推导和讲解，而不结合实际应用，让学生了解这些看似枯燥的公式与哪些实际问题相关联，学生们往往就会有印象不深刻，感觉无的放矢，久而久之也就失去了学习的兴趣。
另外，现代教学多采用传统的板书结合普通多媒体PPT的教学方式，在某种程度上提高了课堂的教学质量，然而在讲授空间感很强的物理概念（如行驻波、电磁波的极化等）时，如果能充分借助计算机语言实现某些复杂状态的动态展示，一定能提高教学效果，更好的帮助学生理解这些物理概念。
二、结合科学研究经历提高学生学习兴趣
笔者一直从事空间天气方面的观测与模拟研究，主持和参与多项国家自然科学基金项目，对该学科的某些前沿科研问题比较了解。了解到学生们对地球空间现象往往抱有猎奇的心理，空间灾难和科幻电影更是为这个学科渲染了一种神秘的色彩，因此感觉如果能结合空间天气学的一些现象，让学生们了解这些看似枯燥无用的公式和理论竟能用于解决与人类生存相关的空间难题，一定能激发他们对这些基础理论的学习兴趣。
比如电磁场理论中一些很重要的定理，寥寥几句话，如果老师不从“实用性”出发，结合科研经历进行引申拓宽，学生们往往不会留下太多印象。下面举几个例子来说明：
1.Helmholtz定理。矢量场只能分为两种类型，一种为无散场，一种为无旋场。我们将电离层电流系的三维分布图放给学生们看，并告诉他们，空间科学家们研究电离层水平面内的电流系，就是分为两种电流系分别进行研究，Hall和Pedersen电流系，前者为无散电流，后者为无旋电流，这种研究思路的理论依据就是Helmholtz定理。
2.电荷守恒定律。电流的散度不为零，必然在该点有电荷的积累。这个定律在空间天气学有广泛的用途，比如上面的有散电流Pedersen电流，在它的汇聚或发散点就会引起电荷在电离层水平面的积累，积累的电荷能够沿着磁力线跑到很远的地球空间放电，这是地球空间三维建模的基本公式之一，亦称连续性定理。
3.我们在讲解静态电磁场的求解方法之一镜像法时，结合国家的太阳风暴项目告诉学生，科学家预言在2012年将发生大磁暴，比人类以往所记录的最大磁暴还要高十几倍，造成的灾难性后果之一就是地面电网的大规模断电，如1989年的大磁暴就造成加拿大魁北克省大规模的停电。究其原因在于变压器里感应电流过大被烧毁，我们将相关真实影像资料放给学生们看，活跃了课堂气氛，提高了学生的学习兴趣。然后我告诉学生们如何对感应电流进行预报是各国科学家都很关心的课题，具体就要用到镜像法，电力管道中的感应电场源于地面磁场随时间的改变，而地面磁场的改变源于两种电流：电离层水平电流和它在地面（导体平面）的镜像电流，求解地面磁场就是用的镜像法。
三、结合计算机编程动画演示物理概念
除了结合科研实例来讲解理论和公式之外，为了活跃课堂气氛，充分调动学生学习热情，我们还充分利用计算机语言编程技术，动态演示一些比较难懂的物理概念。如平面波的极化，我们就利用MATLAB语言编程将左旋、右旋平面波做成三维空间动画演示，让同学们通过视觉直观的了解三维空间电磁波极化状态，培养学生空间立体感和想象能力，提高教学效果，达到事半功倍的效果。
四、结束语
以往有许多专家对《电磁场理论》的教学改革作了研究，并取得了很好的实际效果，笔者根据电磁场理论课程的自身特点，经过几年的不断探索与实践，在教学方法上下功夫，将理论教学结合科学研究经验，并借助计算机编程语言，对一些较难的概念编程进行三维动态演示，帮助学生打牢专业知识基础，激发学生学习的主动性和积极性，使他们的学习能力得到显著提高，为今后其他课程的学习打下了坚实的基础，目前这些教学方法已经在不同的本科生专业进行实践，教学效果得到明显提高。
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关键词 形象类比法 电磁场理论 教学方法 教学改革
中图分类号：G424 文献标识码：A DOI：10.16400/ki.kjdkz.2015.06.042
Imagery Analogous Methods In the Teaching of
Electromagnetic Field Theory
LI Pinghui， LIU Han， WANG Kaihua， ZHAO Yanhui
（College of Communication Engineering， PLA University of Science and Technology， Nanjing， Jiangsu 210007）
Abstract To solve the existing problems and difficulties in the teaching of electromagnetic field theory course， we apply imagery analogy in the teaching practice of the course. In this paper， taking the specific examples in the course teaching， it is shown that by the application of imagery analogous methods makes the difficult knowledge become imagery， life and improve the teaching effect remarkably. The teaching practice results show that imagery analogy teaching method is beneficial to improve the students' learning interest and enthusiasm， and helps to develop students' innovative thinking and ability.
Key words imagery analogy; electromagnetic theory; teaching method; teaching reform
0 引言
“电磁场理论”是一门通信和电气类专业的重要专业基础课，同时也是一门难学难教的课程。①为了探索这门课程的教学方法，我们连续几年承担本院“电磁场理论”的教改课程任务，通常选取20人左右的小班，②主要采用探究式教学方式，并综合运用多种教学方法。形象类比法是我们在多年电磁场理论教学改革实践中运用，并行之有效的一种方法，核心是类比，目的是形象，是分析表达问题的手段之一。有学者认为在高等学府中运用这一形象的方法是低估了学生，但笔者认为，可以用一种手段将难理解的问题、复杂的问题简单地表达清楚，对学生理解问题是有益的。所以形象类比法在电磁场理论教学中的应用值得研究与实践。③④
类比法就是人们根据两个对象之间在某些方面的相同或相似，推论出它们在其他方面也可能相同或相似的一种认识事物的思维方法。⑤同时类比法具有鲜明的形象性，有利于理解和掌握抽象的物理知识。形象类比法是形象解释和类比法的结合，通过这种方法的实施达到对问题的深入理解。在教学过程中通过利用、实践形象类比法，颇有心得，且收效良好。下面以几个具体实例说明它在电磁理论基础课程中的运用。
1 时谐场复相量与电路知识类比
将新知识与已有知识类比，能够提升对新知识的理解，同时融合所学知识，充实自身知识体系，使所学内容系统化，利于知识的内化。电磁场理论教学过程中，我们充分利用这种教学方法，通过类比分析，帮助学生深刻理解一些疑难问题。
例如本课程知识体系中，矢量分析中散度和旋度的比较、静电场和恒定电流的磁场的比较等等。同时还与其它先修课程的知识点进行对比，例如电场、磁场分布的积分式与信号系统中的卷积进行比较、时谐场中的相量表示法与电路理论中的应用进行比较。下面以复相量的类比为例，详细介绍我们在教学中的应用。
在电磁场理论中研究时谐场中需要利用复数表达式，其基本原理是：时谐电磁场以余弦为基准，复数相量以指数形式表示，在此过程中常会遇到时域表达式和复数相量形式互相转换。在教学中发现，直接引入这个新的知识点，学生对复数形式及其相互转换掌握得并不好。后来我们通过引用电路中复数相量的表达式，与电磁场理论的表达式进行比较，进一步剖析。其实在电路理论学习中学生已经使用了复数相量形式，也达到了一定的熟练程度，只是和电磁场理论中的复相量表达形式不一样。电路⑥中多是以幅、相形式表示，其中所表示的模和相角比用指数形式更直观，虽然两者表达形式不一样，本质是一样的。通过这样的对比与剖析，联系已有的知识，学生能更好地理解和掌握新的知识点，并知晓其来龙去脉。
2 导体表面感应电流的本质
在学习电磁波垂直入射的知识点时，有学生仔细思考后会提问，当电磁波垂直入射到导体表面时，为什么导体表面会有感应电流呢？其实这可以通过画一张图（如图1所示）来形象地分析、理解。以理解导体表面感应电流为例，通过简单图示与分析，全方位地认识和理解导体表面感应电流与电磁波反射的本质联系。
当电磁波入射的时候，对导体表面施加了外电场，使得导体中的正负电荷分离，并随外场变化（运动），即产生感应电流。入射波电场，感应电流首先可以在图上表示出来，接下来分析反射波。产生的感应电流激发（辐射）二次场，这实际上就是反射波，也就是说反射波产生的根本机理，就是源于导体表面的感应电流。为使约束导体表面的边界条件：切向电场等于零得以满足，反射波的方向和入射波相反。另外，导体上的自由电荷运动产生相应的电流，即导体表面电流，其流动方向从负电荷指向正电荷，根据安培环路定律，可以判断出有相应的磁场存在，这也即是切向磁场和表面电流之间所满足的边界条件，二者一致。对于磁场的分析，大学物理所学过的安培环路定律与磁场边界条件所确定的面电流的知识在这里得到了统一，这也体现了电磁场理论的自恰性。
图 1 导体表面感应电流的产生
经过上述图解分析，不仅理解起来通俗、形象，并且将之前所学的简单的静电感应知识扩展到了时变场，并统一了静电感应、安培环路定律、边界条件以及垂直入射问题的结论，以达到全方位地理解新知识点的目的。
3 介质表面全反射现象
电磁场理论教学中有很多疑难问题，在分析过程中需要严格的推导和证明。为了帮助问题的理解，如果能和日常生活中的现象进行形象类比拓展，也能在轻松愉快的氛围下，帮助加深学生的认识。以电磁场中全反射现象为例，这里的全反射现象特指平面电磁波斜入射到理想介质分界面时，在一定条件下产生全反射现象。理解这个现象时，不少学生有下面的疑惑：
对于全反射，一般的理解是在入射波满足全反射条件时，发生全反射，若从字面上理解即电磁波由介质全部反射出来了。但在电磁场理论的分析推导过程中，得到的结论却是在第二媒质中有场存在，且是按指数分布的沿表面传播的表面波，场的分布如图2 所示。自然就有人会问，既然发生全反射，怎么还会有场（能量）在引起全反射的媒质（第二媒质）中存在呢？那没有全部反射回来，又何以言之“全反射”？
图2 全反射现象媒质中的场
从分析过程中可以看出，在引起全反射的媒质（第二媒质）中的确存在折射波，这是为了维持表面的边界条件。那该怎么理解似乎是矛盾的这一现象呢？通过进一步提示学生，此时反射系数是1，这只是反射系数的模等于1，而反射系数是复数，此时辐角不等于零，这说明所谓的全反射是有时延的。我们在授课中联想并引入打排球的例子，第二媒质好比排球中的二传手，入射波来了，先给第二媒质，然后再辐射出去，从而完成全反射的过程。这样就能够以一种比较形象的方法理解第二媒质中的场以及反射系数的时延，并完成对场分析结果的理解。如果进一步扩展至表面阻抗，可帮助理解纯容性阻抗。
4 结论
为了推进电磁场理论课程的教学改革，我们需要探索研究多种的教学手段和方法，形象类比法是其中一种重要的教学方法。笔者从该课程的实际教学经验出发，将形象类比教学法贯穿于日常教学中，取得了较好的教学效果。在教学实践中通过形象的描述和类比的思维方法培养，能起到辨析，解释和启发的作用，对学生的科学思维和创新力培养也有很大帮助。当然类比法也有一定的局限性，不可随意夸大，要恰当使用，我们在应用时需要加以注意。在今后的教学实践中，我们要继续探究、综合运用多种教学方法，更好地发挥类比法在教学中的积极作用。
注释
① 毕德显.电磁场理论基础[M].北京：电子工业出版社，1985.
② 朱卫刚.“电磁场理论”课程小班教学的几点思考[J].电气电子教学学报，2013（35-5）：20-21.
③ 吕文俊.“电磁场数学方法”课程中的类比教学法[J].电气电子教学学报，2010（5）：76-78.
④ 黄麟舒.疑难课程“电磁场与电磁波”中类比教学方法的探索[J].中国电力教育，2013（23）：68-69，77
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