蔡 奇 吕文俊 吕云鹏

(南京邮电大学 通信与信息工程学院， 南京 210003)

“电磁场与电磁波”是电子、通信类专业学生必修的专业基础课，为学生后续学习“微波技术”“天线技术”“无线通信”等课程打下重要的理论基础，对广播、卫星通信、雷达等领域有重要指导作用[1]。利用电磁场理论方法和计算机辅助软件分析解决实际问题也是电子、通信类专业学生不可或缺的能力储备。由于该课程需要深刻洞察物理现象的数学本质，熟练使用微分方程、矢量分析等工具方法进行建模分析，因此对学生的数理基础要求较高。此外，“电磁场与电磁波”各章节之间逻辑严密、环环相扣，从矢量分析到麦克斯韦方程组，再到静态电磁场、时变电磁场、电磁波传播等，学生很容易因为其中一环的概念没理解透彻，或前期数理基础欠缺而导致后续课程如同听“天书”，出现学习效率低下、积极性下降甚至厌学畏学等一系列教学质量欠佳问题。

针对上述存在问题，如何增强学习兴趣，充分调动学习积极性和原动力，缓解学生的抵触心理、全面培养学生综合素质，成为促进“电磁场与电磁波”课程教学质量提高的重要研究问题。以下将围绕上述问题，立足课程教学现状，结合教学实践过程，从教学方法和课程思政两方面展开探讨。

1 “电磁场与电磁波”教学现状

“电磁场与电磁波”是一门学生难学并且教师难教的课程，学习难度偏大，主要有以下原因：

1.1 教学方法枯燥单一

目前，该课程主要依靠课堂授课，强调授课教师的主导地位。这种授课模式不利于培养学生的学习兴趣和积极性，容易产生“难学、枯燥”等消极情绪。加上各章节知识点多、逻辑性强、前后内容联系紧密，学生会由于前面的知识点没学好而导致后续知识点逐步脱节，从而降低学习积极性，产生厌学情绪。

1.2 理论教学与实践教学脱节

“电磁场与电磁波”理论具有深刻的物理意义，然而受限于实验条件和平台，本课程很少有配套的实践教学课时，较难做到理论联系实践。缺少对基本概念的直观诠释，就会导致数理内涵理解不深、死记硬背公式，无法活学活用。这容易使学生产生疑问：“学习这门课程有什么用？如何解决实际问题？”

1.3 学时紧张

“电磁场与电磁波”教学内容较多，然而只有48-56学时，这其中又有相当时间用于必要的公式推导证明。既要深刻诠释物理概念、补充实践环节，又要保持一定的习题课时，在课时受限的情况下显然难以做到二者兼顾。

1.4 对数学要求较高

“电磁场与电磁波”的基本数学工具包括矢量分析、偏微分方程、积分方程、复变函数等，推导过程相对复杂，需要学生有较好的数学基础和逻辑推导能力，因此普遍存在困难。

2 “电磁场与电磁波”教学方法

2.1 探究式教学

针对上述现状，我们优化了教学模式，试图充分发掘学生在教师引导下的自主学习潜能，能够增强学生在学习中的参与感和学习兴趣，培养解决实际问题的能力。例如在讲解采用高斯定理计算均匀对称分布电场的电场强度时，除了在课堂上对学生讲解如何构建高斯面，还可以设计课后项目，提示学生利用库仑定律、点电荷的电场强度及其叠加原理来计算已知电荷分布条件下的电场强度，进而引导学生探索球面非均匀分布时的电场强度如何求解[2]。这样不仅可以让学生对学习的新课及时复习，还可以对旧课进行回顾，串联前后知识，形成学习迁移。

1.2 类比教学

类比法是物理类课程的重要教学手段之一，通过展示数理方程的齐次比拟关系，充分诠释不同物理现象的共同数学本质(即：一套泛定方程可被分别用于描述完全不同的物理现象)，不仅生动形象、直观易懂，而且对提高学习效率、提升逻辑思维能力极为有效[3]。例如，机械弹簧振子和LC谐振回路的类比，静电场与恒定电场的类比、匀速圆周运动与时谐电磁场类比、二次曲线方程和二阶线性偏微分方程类比、电磁学与经典力学类比、叠加原理在电磁理论和电路分析中的类比，等等。这些类比都有明确的数学模型和物理背景，兼顾定性比拟和定量分析，不仅有助于启发学生巩固已有的物理概念，而且为更透彻洞悉数理方程的物理含义，为掌握电磁场解析方法并灵活运用作了有益铺垫，可以显著提高学习兴趣和积极性[4]。

1.3 计算机辅助教学

电磁场与电磁波理论对空间想象能力要求较高。在教学环节中引入Matlab、HFSS、CST等专业软件，有助实现理论公式的可视化、形象化，例如：通过计算机辅助仿真手段展示电磁场和电磁波的三维分布情况，演示其动态传播过程，让学生直观领会边界条件、介质条件、电磁波传播方向等带来的影响，强化学生的理解[5-6]。特别地，以均匀平面电磁波的传播、垂直极化波入射到两种介质面、圆极化波等环节，可以采用Matlab绘制如图1所示的动画将物理现象直观展示给学生，达到理解概念、洞察规律的目的，提高教学效果[7]。在此基础上可进一步引导学生运用仿真软件自行仿真滤波器、贴片天线等，培养运用所学理论解决实际工程问题的能力。

(a) 均匀平面电磁波的传播动画截图

(b)垂直极化波入射到两种介质面的动画截图

(c)左旋圆极化波动画截图

(d)右旋圆极化波动画截图图1 计算机辅助教学的Matlab动画截图

3 “电磁场与电磁波”课程思政

课程思政建设是新时代教育教学改革的重中之重，习近平总书记强调：“要坚持把立德树人作为中心环节，把思想政治工作贯穿教学全过程，实现全程育人、全方位育人，努力开创我国高等教育事业发展新局面”[8]。实践表明，教师在推动课程思政效能提升方面发挥着不可替代的作用，要积极引导当代学生树立正确的国家观、民族观、历史观、文化观。现阶段我校的“电磁场与电磁波”课程是通信工程专业学生的必修课程，但通过调查学生对这门课程的看法，发现大多数学生认为课程难度较大、趣味性不强，并且不希望教师介绍太多复杂的公式推导，而是对课程的历史发展、应用背景、实践机会等更感兴趣。“电磁场与电磁波”课程的专业基础特点也使其在教学过程中可以挖掘出比较丰富的思政元素和思政背景，从而实现显性教育和隐性教育相结合，传授专业知识技能和培养社会主义核心价值观相结合。

3.1 牢记历史，培养勇于探索的科学精神

“电磁场与电磁波”理论的发展经历了从定性到定量、从感性到理性、从经验、唯象到抽象的认识过程。在教学实践中，我们在课程绪论采用2个学时左右提纲挈领地给学生梳理电磁学的发展史，从战国中后期至明代中叶(公元前300年—公元1500年)，古代中国人曾在磁学方面做出了领先世界1000多年的伟大成就。介绍古希腊人发现“摩擦起电”现象的同时，必须强调“四大发明”中的司南(始见于战国古籍《鬼谷子》)、北宋沈括《梦溪笔谈》中的磁偏角测量实验(人类历史上首次记载磁北极和地理北极不重合、并提出测量该夹角的方法)以及罗盘(实用化、可用于航海的磁针式指南针，开辟了“海上丝绸之路”，奠定中国航海术领先西方近500年的技术基础，极大促进了中国东南沿海地区的经济繁荣)，再衔接到电磁学进入“唯象时期”的库仑定律、安培定律、法拉第电磁感应定律，再到“统一抽象时期”的麦克斯韦方程组如何预测电磁波存在、如何通过赫兹实验得以证实；接着，1896年马可尼、波波夫等先驱实现了无线电报实验，开启了无线通信的新时代；最后介绍现代无线通信技术从2G、3G、4G到5G的发展历程及其成就。通过完整的历史背景，既向学生全面展示宏观电磁理论是无线通信技术的基石，清晰揭示其发展历程，又增强了民族自豪感，从而充分激发和增强学生的求知欲和自信心。

3.2 介绍科技前沿动态，激发投身祖国建设的热情

除了历史发展，在后续课程授课中还可以结合教师的科研课题，融入部分前沿技术，给出一些实例引导，特别是工程实际及国防应用实例的介绍，以明确本课程对工程实际和国防工业的巨大作用。例如在讲电磁辐射时，可以介绍5G大规模MIMO技术和毫米波技术、北斗导航系统和FAST球面射电望远镜；在讲解平面波的反射、透射等时可以介绍光纤的全反射原理以及“光纤之父”高锟的贡献、电磁波的雷达隐身技术等等，让学生了解本课程的学习前景以及理论知识是如何与实际应用结合。在充分激发民族自信心和自豪感的同时，培养科学精神、创新精神、奋斗精神，积极投身相关行业建设。

3.3 磨砺工匠精神，树立社会主义核心价值观

“电磁场和电磁波”作为一门基础课程，其授课对象是正处于世界观、人生观、价值观形成阶段的大一或大二学生，因此教师在授课过程中，还可以适当穿插一些案例，引导学生树立正确的世界观和价值观。例如在讲解电磁波理论发展时，可以向学生讲述“中国微波之父”林为干院士对中国电磁科学发展做出的开创性贡献和在微波领域的常年坚守的事迹。在讲解电磁波极化时，可以讲述银河号事件中GPS对我们造成的影响，说明北斗导航系统在汶川地震救灾和北京奥运会中起到的重要作用，让学生明白北斗系统的重要意义。上述案例的引入，可以让学生明白当代大学生肩负的历史使命，真切理解“科学技术是第一生产力”的含义，为实现中华民族伟大复兴的中国梦奋斗。

4 结语

“电磁场与电磁波”是电子信息类专业最重要的专业基础课之一。根据这门课程的教学现状和存在难点，结合作者的教学实践，从教学方法和课程思政两方面总结并提出一系列改进方法。通过探索教学、类比教学、计算机辅助教学，灵活而充分地融入课程思政要素，不仅帮助学生理论联系实际，激发学习兴趣，而且更注重培养学生的家国情怀、责任意识和工匠精神，助力学生成长为新时代需要的高素质复合型工程人才。