潘長寧　何軍　周昕

摘要：“電磁場與電磁波”與“大學物理·電磁學”這兩門課程所研究的都是電磁場的基本問題，但是由于它們的課程定位不同，前者是專業(yè)基礎課，后者是公共基礎課，所以它們之間存在很大的差異。本文從教學目標、教學內(nèi)容、教學方法上分析了它們之間的異同，探討了教學中的銜接問題，對提高教學質量大有裨益。

關鍵詞：大學物理；電磁場與電磁波；教學銜接

中圖分類號：O31 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）03-0159-02

一、引言

大學物理是我國高等院校理工科類非物理專業(yè)的必修基礎課[1]，它的內(nèi)容包括力學、熱學、電磁學、光學和原子物理等五大部份。通常在大學低年級開設，其主要目的是為以后的專業(yè)課的學習打下基礎。“電磁場與電磁波”一直以來是高校電子電氣類專業(yè)開設的專業(yè)基礎課程[2]，它的前期基礎就是大學物理中的電磁學部分，但知識內(nèi)容在深度和廣度上都有很大的加深和拓展，同時也有很大一部分內(nèi)容重疊。而在一般的高校開設的“電磁場與電磁波”課程中，由于它屬于專業(yè)基礎課層次，而不屬于專業(yè)課程，所以在課時安排上相對較少。但本課程又具有理論性強、難度較大的特點，因此在教與學的過程中出現(xiàn)教學課時緊，而學生學習枯燥、乏味的教學現(xiàn)狀。為了在教學過程中既避免與大學物理電磁學知識簡單的重復，又能讓學生學好電磁場與電磁波課程的核心內(nèi)容，為專業(yè)課的學習打下良好的基礎，那么如何做好大學物理電磁學、電磁場與電磁波課程的教學銜接[3]，是一個值得探討和研究的問題。

二、“電磁場與電磁波”與“大學物理·電磁學”教學銜接問題

電磁場的運動是自然界中最基本的物質運動形式之一，電磁場理論滲透到生活的許多領域，例如：信息技術、通訊技術、傳感器技術等，促進了現(xiàn)代科學技術的快速發(fā)展。所以對于理工科類的大學生來說，了解和掌握有關電磁場的基本知識是非常重要的。“大學物理·電磁學”與“電磁場與電磁波”這兩門課程從整體上來看都涉及到了電磁運動基本理論，從研究的對象來看沒有本質的區(qū)別。但是由于它們的教學目標不同，導致它們的教學內(nèi)容不同，因而在教學方法、教學重點和難點上也有很大的差別。如果能夠把這兩門課程在教學上進行很好的銜接，那就能起到提高學生的學習興趣作用，樹立學生在電磁學知識的基礎上學好”電磁場與電磁波”這門課程的信心。

1.教學目標的銜接。大學物理課程在大學一年級就已經(jīng)開設，作為一門通識性的基礎課程，它在很大程度上肩負著基礎知識教育和科學素養(yǎng)教育為一體的雙重教育功能。而大學物理中的電磁學部分，又是該課程中教與學的難點。通過該課程的教學，讓學生對電場、磁場、電磁波的基本概念、基本規(guī)律和基本方法有比較全面和系統(tǒng)的認識和理解，為學生以后專業(yè)課程的學習和其他科學技術的學習打下堅實的基礎。“電磁場與電磁波”是工科類高校電子工程、信息工程、通信工程等專業(yè)學生的必修課程，是通信技術的理論基礎，是電子信息類專業(yè)本科學生知識結構的重要組成部分。在課程定位上，它是專業(yè)基礎課，是以后專業(yè)課學習的基礎，例如“無線電技術”、“微波技術”等；因而相對于大學物理這門公共基礎課來說，它的教學目標有所不同。通過該課程的學習，讓學生建立場的概念，認識到場的物質性；掌握電磁場運動的基本規(guī)律，知道麥克斯韋方程的物理意義以及數(shù)學表達式。同時讓學生熟悉一些重要的電磁場問題，把它抽象成具體的數(shù)學模型，如平面電磁波的波動方程、靜電場電位的拉普拉斯方程等。使學生學會用“場”的觀點去觀察、分析和計算一些簡單、典型的電磁學的基本問題，所以更加強調對學生嚴密的邏輯推理、理性思維能力的培養(yǎng)。兩門課程在教學目標上是一個由低到高的層次遞進關系。

2.教學內(nèi)容的銜接。從教學內(nèi)容上看，大學物理的電磁學部分介紹了靜電場的基本性質、穩(wěn)恒磁場的基本規(guī)律、電磁感應的基本規(guī)律，并以簡單地描述麥克斯韋方程組而結束該部分內(nèi)容，至于時變電磁場以及電磁波的產(chǎn)生和傳輸?shù)葐栴}，它根本不涉及。故它只是從“靜態(tài)”的觀點對電磁場的基本問題進行了簡單的描述。讓學生從整體上對電磁場有一個“感性”的認識。在靜電場部分，它介紹了電場強度、靜電場的高斯定理和安培環(huán)路定理，同時也介紹了靜電場中的導體和電介質；在穩(wěn)恒磁場部分，它介紹了磁場中的高斯定理、安培環(huán)路定理、畢奧-薩伐爾定律等磁場的基本規(guī)律以及磁介質的特性。接下來在電磁感應中對動生電動勢和感生電動勢以及自感互感等內(nèi)容進行了介紹，最后以對麥克斯韋方程的描述而結束。這些基本內(nèi)容選取是由這門課程的公共基礎課定位決定的。作為電子電氣類專業(yè)不可或缺的專業(yè)基礎課，“電磁場與電磁波”的內(nèi)容豐富得多，難度也大得多。它包括“電磁場”與“電磁波”兩大部分的基本內(nèi)容。電磁場部分是在大學物理電磁學課程的基礎上，運用矢量分析的方法，描述靜電場恒定電流電場和恒定電流磁場的基本物理概念，在總結基本實驗定律的基礎上給出電磁場的基本規(guī)律，給出了靜電場和穩(wěn)恒電流磁場的邊界條件，研究了靜態(tài)電磁場邊值問題的解題方法，例如鏡像法、分離變量法和有限差分法。電磁波部分主要是介紹有關電磁波在真空中和各種介質中的傳播規(guī)律以及天線的基本理論。具體地，它包括平面電磁波，導行電磁波以及電磁波的輻射等基本理論。因而它從“動態(tài)”的側面對電磁波進行描述。由于該課程通常在大學三年級才開課，學生在掌握矢量分析的基礎上，掌握恒定和時變電磁場的麥克斯韋方程組、泊松方程、電磁波的波動方程的求解；理解電磁場的矢勢、標勢、規(guī)范變換、規(guī)范不變性、庫侖規(guī)范、洛侖茲規(guī)范、時諧平面電磁波、推遲勢、電磁輻射、截止頻率和諧振頻率等電磁波的概念。

由以上討論我們知道，“電磁場與電磁波”這門課程相對于“大學物理·電磁學”在教學內(nèi)容上不是簡單的重復，而是呈現(xiàn)很大的遞進關系[4]。眾所周知，靜電場和靜磁場等靜場在空間是相互獨立的，它們不能產(chǎn)生電磁波。只有時變的電磁場才能產(chǎn)生電磁波。那么在電磁場與電磁波的教學中，利用大學物理電磁學所學過的電磁場的實驗定律：電場和磁場的高斯定理、安培環(huán)路定理以及法拉第電磁感應定律等推導出電磁場方程的積分形式：

高斯定理 ·ds= ρdV

磁通連續(xù)性原理 ·ds=0

安培環(huán)路定律 ·d = ·

法拉第電磁感應定律 ·d =- ·d

在此基礎上引入全電路位移電流密度 （ = ），擴大電流的概念，使電流不僅包括自由電荷定向移動形成的電流，而且包括電場隨時間變化形成的位移電流。從而導出麥克斯韋方程組：

·d = （ + + ）·d

·d =- ·d

·ds= ρdV

·ds=0

這樣在教學中既避免的簡單的重復，又起到了知識承上啟下，銜接緊密的作用。使學生從知識上達到了自然過渡，從而提高學習的積極性和自信心。

3.教學方法的銜接。大學物理電磁學部分的知識相對比較簡單，很多概念和規(guī)律都是在實驗的基礎上，通過學生的感性認識后抽象出物理模型而建立起來的。然而電磁場與電磁波這門課程卻側重于利用矢量分析與場論等數(shù)學工具，對具體的物理模型所滿足的物理規(guī)律進行嚴密的理論推導，得出合理的結論，構建完整的物理理論體系。因此，在教學中教師應該有意識地引導學生從“形象思維”向“抽象思維”轉變與過渡[5]。學生學習時必須通過理性的思考、嚴密的邏輯推理才能真正領悟到電磁波傳播的內(nèi)在規(guī)律。例如畢奧和薩伐爾對大量實驗結果進行分析和總結得出了描述穩(wěn)恒電流周圍磁場的畢奧-薩伐爾定律，在此基礎上，人們推導出磁場的安培環(huán)路定理。但實驗對物理規(guī)律的再現(xiàn)有它的局限性，我們必須在實驗定律的基礎上，通過歸納、總結和嚴密的邏輯推理把實驗結論推廣到更一般的情況，使之既反映原來的實驗事實，又符合新的情況；或者建立新的理論使它具有更高的慨括性。因而在實驗建立了恒定電流的安培環(huán)路定理后，通過抽象思維和邏輯推理，引入位移電流及全電流的概念，從而磁場的安培環(huán)路定理就可以推廣到時變電磁場的情況，得到麥克斯韋第一方程，變化的電場能產(chǎn)生磁場，建立了電磁波傳播的第一大理論支柱。另外，法拉第通過實驗建立了電磁感應定律，證明了變化的磁場能產(chǎn)生電場，建立了電磁波傳播的第二大理論支柱。這樣我們在教學方法上對兩門課程進行了銜接。

三、結束語

本文從教學目標、教學內(nèi)容、教學方法上分析這兩門課程的異同，找出它們之間的切入點，在教學過程中對兩門課程進行很好的銜接、承前啟后，使學生在知識上自然過渡，樹立學習的信心，提高電磁場與電磁波課程的教學質量。

參考文獻：

[1]羅益民，余燕.大學物理[M].第2版.北京：北京郵電大學出版社，2008.

[2]孫國安.電磁場與電磁波[M].第2版.南京：東南大學出版社，2003.

[3]馬書云，吳方平，王慧.對大學物理與中學物理教學銜接的調查分析與改進建議[J].物理通報，2009，（12）：13-16.

[4]姚文俊，程衍富，戴同慶，等.“電磁場與電磁波”和“大學物理”教學類比研究[J].中國電力教育，2012，（23）.

[5]任宇輝.電磁場與電磁波課程教學方法研究[J].陜西師范大學學報，2008，（36）.