方薈 曹新容

［摘要］電磁場理論與微波技術(shù)是通信工程本科專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。該課程系統(tǒng)性強(qiáng)，概念抽象，公式繁雜，涉及很多物理知識(shí)與數(shù)學(xué)分析方法?；谶@些特點(diǎn)，并結(jié)合本校近年來的教學(xué)情況，從課程體系、課程內(nèi)容和教學(xué)方法三個(gè)方面入手，對(duì)電磁場理論與微波技術(shù)課程進(jìn)行改革與探索。

［關(guān)鍵詞］電磁場理論與微波技術(shù)課程體系課程內(nèi)容教學(xué)方法

［中圖分類號(hào)］G420［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］A［文章編號(hào)］2095-3437（2012）06-0105-02

電磁場理論與微波技術(shù)是通信工程本科專業(yè)一門重要的主干課。課程主要涉及電磁場與電磁波基本理論和微波工程兩個(gè)方面，電磁場與電磁波基本理論主要研究電磁場源與場的關(guān)系以及電磁波在空間傳播的基本規(guī)律，微波工程主要討論電磁波的產(chǎn)生、輻射、傳播及電磁微波理論在工程上的各方面應(yīng)用。課程涉及大量的物理基礎(chǔ)知識(shí)以及各種數(shù)學(xué)方法，在學(xué)習(xí)過程中如何把握物理概念與數(shù)學(xué)方法之間的聯(lián)系，如何提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，如何提高學(xué)生的工程應(yīng)用能力是至關(guān)重要的。為了真正改善課程教學(xué)效果，結(jié)合本校辦學(xué)特點(diǎn)和教學(xué)實(shí)際情況，從課程體系、課程內(nèi)容、教學(xué)方法三個(gè)方面入手，改進(jìn)本課程的教學(xué)，以適應(yīng)本課程概念抽象、工程性強(qiáng)及教學(xué)要求高的要求。

一、課程體系

課程體系是一個(gè)專業(yè)所設(shè)置的課程相互間的分工與配合。電磁場理論與微波技術(shù)與大學(xué)物理、電路分析同屬于通信工程專業(yè)的基礎(chǔ)課程這一課程體系。而課程所需的數(shù)學(xué)方法則來源于高等數(shù)學(xué)、工程數(shù)學(xué)等數(shù)學(xué)基礎(chǔ)課程。這些前修課程均安排在電磁場理論與微波技術(shù)課程之前。但相關(guān)課程負(fù)責(zé)人之間缺乏密切且有效的溝通，整個(gè)通信工程專業(yè)的基礎(chǔ)課程還沒有形成一個(gè)統(tǒng)一的課群體系。前修課程掌握的程度直接影響到本課程的學(xué)習(xí)。反之，電磁場理論與微波技術(shù)課程的學(xué)習(xí)也會(huì)影響到一些后續(xù)的專業(yè)課程的深入，包括畢業(yè)設(shè)計(jì)。

我們根據(jù)本校近年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，圍繞提高教學(xué)質(zhì)量這一中心，嘗試調(diào)整整個(gè)課程體系。新的課程體系將電磁場與微波技術(shù)、大學(xué)物理、電路分析以及相關(guān)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)課程構(gòu)成一個(gè)課群。其中專業(yè)課程的內(nèi)容需要不斷更新，甚至需要增加一些新的課程，但基礎(chǔ)課程不能變。為了讓學(xué)生掌握本專業(yè)的基礎(chǔ)知識(shí)與技能，又能了解學(xué)科的發(fā)展方向和新技術(shù)，在課群建設(shè)時(shí)，設(shè)置主要的內(nèi)容，去掉該課群中重復(fù)的部分，及時(shí)將科研成果以及教研成果引入課程教學(xué)，使學(xué)生能夠掌握這些課程的精髓部分，又能節(jié)約一些課時(shí)。如在大一的大學(xué)物理課程中，可適當(dāng)?shù)貍?cè)重靜態(tài)電磁場理論的教學(xué)，從而減少電磁場與微波技術(shù)中靜態(tài)電磁場的學(xué)時(shí)數(shù)，將時(shí)變電磁場作為電磁場與微波技術(shù)講授的重點(diǎn)。再如在大三的本課程中，可對(duì)微波工程部分內(nèi)容，按照無線移動(dòng)通信技術(shù)應(yīng)用的需要選擇性地教授

除了以上對(duì)各門相關(guān)課程內(nèi)容進(jìn)行整合，還需要對(duì)各課程進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)計(jì)，將課程設(shè)計(jì)與課程實(shí)施有效地結(jié)合起來，形成統(tǒng)一的教學(xué)內(nèi)容體系。如在大一的大學(xué)物理課程中設(shè)計(jì)問題，啟發(fā)學(xué)生去思考電磁波實(shí)際是如何在空間中進(jìn)行傳播的，然后在大三的本課程中來完整地解答這個(gè)問題。再如在大二的電路分析課程中嘗試引入和設(shè)計(jì)分布參數(shù)電路，引發(fā)學(xué)生思考,比較集總參數(shù)電路和分布參數(shù)電路的異同點(diǎn)。在大三的本課程中通過傳輸線理論，加深學(xué)生對(duì)于這兩種電路的理解。在大三的本課程的最后設(shè)計(jì)一個(gè)完整微波通信系統(tǒng)，在給學(xué)生介紹微波技術(shù)在系統(tǒng)中的應(yīng)用的同時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)于通信系統(tǒng)形成初步概念，為后續(xù)的通信專業(yè)課程埋下伏筆。

二、課程內(nèi)容

課程內(nèi)容是課程各部分的組織及具體要講授的知識(shí)點(diǎn)。結(jié)合本校學(xué)生的學(xué)習(xí)特點(diǎn)，在選擇內(nèi)容上應(yīng)把握以下原則：一，在電磁場與微波技術(shù)的教學(xué)中突出數(shù)學(xué)概念、物理概念和工程概念之間的區(qū)別和聯(lián)系；二，將經(jīng)典理論和現(xiàn)代理論有機(jī)結(jié)合；三，逐步在電磁場與微波技術(shù)中增加工程性、綜合性和設(shè)計(jì)性的案例，注重電磁場與電磁波以及微波理論的工程應(yīng)用。按照此原則，將電磁場與微波技術(shù)內(nèi)容分為四部分：矢量分析、靜態(tài)場、時(shí)變場和微波基礎(chǔ)。

本課程首先介紹矢量分析與場論的內(nèi)容，基于此知識(shí)來研究靜態(tài)場。靜態(tài)場包括三類：靜電場、恒定電場和恒定磁場。要求掌握靜態(tài)場的基本規(guī)律，相應(yīng)場量所滿足的基本方程。學(xué)會(huì)利用基本方程靈活地解決靜態(tài)場的一些基本問題，如求靜電平衡下導(dǎo)體的電位問題。

其次是要研究靜態(tài)場邊值問題的求解方法。正因?yàn)殪o態(tài)場邊值問題解法簡單，通過掌握它們并加以修正，就可以推廣到時(shí)變電磁場上，作為求解電磁場和電磁波問題的基礎(chǔ)。同時(shí)將靜態(tài)場的性質(zhì)推廣到時(shí)變電磁場上。具體來說，即將靜態(tài)場的麥克斯韋方程組結(jié)合反映變化磁場產(chǎn)生電場的法拉第電磁感應(yīng)定律以及反映變化的電場產(chǎn)生磁場的麥克斯韋位移電流假說，同時(shí)包含時(shí)變電磁場的高斯定理和磁通連續(xù)性定理，構(gòu)成一個(gè)完整的普適性的麥克斯韋方程組。掌握了麥克斯韋方程組以及邊界問題的求解方法，就可以分析和解決具體的電磁場工程問題，如發(fā)電機(jī)導(dǎo)體平板周圍的電磁場分布。

接著在建立波動(dòng)方程等重要的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，要求學(xué)生掌握電磁波在無界空間和有界空間、無耗介質(zhì)和有耗介質(zhì)中的傳播特點(diǎn)。由此引入電磁波的工程應(yīng)用——微波技術(shù)的應(yīng)用。主要介紹微波技術(shù)基礎(chǔ)，包括傳輸線理論，典型的波導(dǎo)模型以及微波網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)的內(nèi)容。這部分內(nèi)容著重結(jié)合工程應(yīng)用實(shí)例，如微波系統(tǒng)的工程實(shí)踐。

三、教學(xué)方法

從國內(nèi)外的教材來看，教學(xué)內(nèi)容大致可分為兩類：一是演繹法，它由庫侖定律、畢奧-薩伐爾定律以及法拉第電磁感應(yīng)定律出發(fā)，逐個(gè)介紹靜態(tài)場、恒定磁場和時(shí)變電磁場。這種方法起點(diǎn)低，學(xué)生易接受，但與大學(xué)物理中的電磁學(xué)部分重復(fù)較多，學(xué)生會(huì)感到厭煩。同時(shí)逐一推導(dǎo)靜態(tài)場的特點(diǎn)必然會(huì)費(fèi)時(shí)多，導(dǎo)致時(shí)變場的內(nèi)容受到壓縮。二是歸納法，它從麥克斯韋方程組出發(fā)，先介紹時(shí)變電磁場，然后把靜態(tài)場歸結(jié)為時(shí)變場的一種特殊情況，最后再介紹靜態(tài)場。這種方法雖然壓縮了靜態(tài)場的課時(shí)，充實(shí)了時(shí)變場的內(nèi)容，但起點(diǎn)高，學(xué)生不易接受。

結(jié)合本校學(xué)生特點(diǎn)，在教學(xué)過程中采用以演繹法為主，歸納法為輔的方法。如在介紹電磁場基本理論內(nèi)容的時(shí)候，首先采用演繹法，先簡單介紹靜態(tài)場的性質(zhì)，再將其推廣到時(shí)變場的麥克斯韋方程組。在演繹的過程中，多做總結(jié)和歸納，在比較中加強(qiáng)物理概念和數(shù)學(xué)概念之間的區(qū)別和聯(lián)系，逐漸引入工程概念。如時(shí)變場與靜態(tài)場、電流均勻分布和非均勻分布等；接著采用歸納法，從時(shí)變場的麥克斯韋方程組出發(fā)，鞏固靜態(tài)場的學(xué)習(xí)，將其視為時(shí)變場的一種特殊情況，用麥克思維方程組及邊界條件方程來解決具體的電磁場問題。結(jié)合兩種方法的特點(diǎn)，取長補(bǔ)短，使得學(xué)生學(xué)起來簡單，同時(shí)又能鍛煉學(xué)生思維能力，激發(fā)其自主學(xué)習(xí)的意識(shí)。

由于電磁場理論與微波技術(shù)課程的基本概念、數(shù)學(xué)公式和濾波器設(shè)計(jì)思路比較抽象，并且有大量的數(shù)學(xué)證明和推導(dǎo)，仍需借助黑板板書教學(xué)，在黑板教學(xué)中，對(duì)數(shù)學(xué)公式要書寫規(guī)范，正確讀寫數(shù)學(xué)公式，讓學(xué)生形成正確的第一印象；對(duì)基本概念和性質(zhì)的解釋應(yīng)使用通俗、恰當(dāng)和形象的方式來進(jìn)行表達(dá)，讓學(xué)生容易形成正確的理解，避免誤解；對(duì)微波電路的設(shè)計(jì)，可采用框圖或流程圖的形式教授其基本設(shè)計(jì)思路，減少其中經(jīng)驗(yàn)公式的推導(dǎo)。在板書使用的同時(shí)，多采用直觀動(dòng)態(tài)的多媒體素材、malab軟件的可視化教學(xué)方式，將電磁場理論與微波技術(shù)的概念和性質(zhì)生動(dòng)形象的展現(xiàn)出來，進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)它們的理解。

總之，力求使數(shù)學(xué)公式、抽象概念和設(shè)計(jì)思路形象化，避免枯燥的理論學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。 通過對(duì)電磁場與微波技術(shù)課程的課程體系、課程內(nèi)容和教學(xué)方法進(jìn)行改革，教學(xué)質(zhì)量和效果有了明顯的改善，學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性被激發(fā)，理解問題和解決問題的能力逐步得到鍛煉和提高。

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［責(zé)任編輯：劉鳳華］