电磁场数值计算在《电磁场与电磁波》理论教学中的应用
【摘要】《电磁场与电磁波》是电子信息类本科专业学习中较难掌握的一门课程，具有物理概念多、理论抽象等特点。电磁场数值计算方法基于电磁场基本理论，通过计算机辅助程序计算和描述电磁场与电磁波的行为与动力学特征，将枯燥的公式和物理现象转化成数字化或图像视觉描述，帮助学生理解电磁现象与基本概念，提高学生的学习积极性，是电磁场理论教学的重要辅助教学方法。
【关键词】数值计算 电磁场与电磁波 理论教学
【中图分类号】G64【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2017）25-0246-01
《电磁场与电磁波》是国内外公认的电子信息类专业课程中一门难教难学的课程，在教学实践中存在巨大挑战。目前，在国内外教学中，为提高电磁场教学效果，加深学生对抽象概念和现象的理解，除理论教学外，还普遍采用辅助教学手段或增加辅助教学环节。目前所采用的辅助教学环节有：在课堂教学环节中，运用仿真软件、影视图象及多媒体课件等，通过可视化的方式加强学生对抽象现象的理解；通过虚拟实验、计算机辅助设计及加强实验实践训练等，加强学生对电磁场现象和工程应用的理解。然而，上述辅助教学环节虽具有一定效果，但仍然不可避免地使得学生停留于被动学习的模式中，难以调动学生主动思维和学习积极性，实践上仍需要进一步改进。
电磁场数值计算方法是通过计算程序语言编程，基于电磁基本方程，计算和分析特定边界条件下的电磁场空间分布的方法。其计算机编程的特性可有效地提高学生的主动思维能力，并结合编程的灵活性与主观能动性，达到调动学生主动思考和提高学习积极性的目的。
1.电磁场理论教学的主要难点
《电磁场与电磁波》课程的主要授课对象为电子信息类专业本科生，为典型的工科类专业。该专业以培养高水平的电子信息专业技术人才为目标，因此，该专业学生所学习专业基础课均以工程应用类课程为主，造成学生的理论和抽象思维能力较弱，难以适应公式多、概念抽象的电磁场理论教学。此外，电磁场理论教学对物理和数学基础要求也较高，许多概念和公式即来源于数学和物理的基本理论，使得部分数理基础较弱的学生在学习时感觉难度极大，造成教学效果较差。此外，该课程教学信息量大，而通常的理论课程教学仅有56或48学时，使得在有限的学时内从基本的场论分析扩展到电磁波应用难度极大，这也成为该课程理论教学的难点之一。
2.采用电磁场数值计算辅助教学的可行性分析
针对电磁场理论教学和工科专业的特点，为提高教学效果，有必要提高学生的学习积极性和主动思维能力，而目前的辅助教学手段还难以达到该目的。目前，通过近4年的教学研究和教学实践，笔者通过强化电磁场教学中的电磁场数值计算方法的讲解和应用，有效地提高了学生对该课程的理解，改善教学效果。采用电磁场数值计算辅助教学的可行性原因主要包括：首先，电子信息类专业学生普遍对计算机编程之类的实用性知识感兴趣，而对于抽象的理论概念则感觉乏味，因此，采用计算机编程结合电磁场概念的方式将有助于提高学生的学习兴趣；其次，电磁场理论教学中存在大量的公式，而此类公式往往不具有工程应用性，而电磁场数值计算仅基于基本公式，回避了繁琐的公式推导，从而有利于学生理解此类公式；第三，电磁场数值计算通常是结合应用性问题进行分析，帮助学生从工程应用的角度理解电磁场问题；最后，电磁场数值计算的后续处理方式灵活，可以更直观的形式表现电磁场与波的行为特征，增加了学生对电磁场基本理论和公式的理解。
3.教学实践总结
笔者通过4年的教学实践，加强电磁场理论教学中数值方法的讲解和应用，有效地提高了学生的学习积极性和主动思维能力，取得了较好的教学效果。例如，通过让学生用Matlab程序实现二维有限差分法，并用该程序计算典型二维电磁问题，与书中例题结果做比较（书中例题采用分离变量法求解），从而使学生从枯燥的公式推导中解脱出来，使其能够直观地看到电磁场的空间分布，验证了理论和程序结果的正确性。需要说明的是，分离变量法需要应用复杂的数学物理方法知识，并需要较高的数学基础，技巧性很强，是传统的电磁理论教学的难点之一。经过多年的实践和电磁场数值方法的强化讲解，学生的学习主动性明显提高，对电磁场问题的理解有所深入，课堂听课的专注性和提问水平也明显提高。此外，反映在最终的考试成绩上，学生的平均测试成绩约提高15分左右，教学效果明显。
现有实践表明通过电磁场数值方法的强化教学，并结合电子信息专业学生的特点和电磁场理论教学的知识结构与课程特色，将单调抽象的被动式理论教学转换成计算机程序辅助的主动式学习，極大地促进了学生学习的兴趣，更有部分优秀学生在该课程的学习后选择在该方向上继续进行学习研究。教学质量也由此得到了提升，每年平均成绩均有所提高。
在今后的教学中，我们要继续紧跟电磁场理论发展的步伐，在教学内容上及时补充更新，在教学方式上不断探索、创新和改进，使本门课程更加符合时代需求，更加易于学生学习理解，更加受欢迎。
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作者简介：
任仪，博士，重庆邮电大学光电工程学院副教授。