《电磁场理论》课堂教学实践-要求

论文导读：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
一、引言
《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年被评为国家级精品课程，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源于：7彩论文网论文资料网www.7ctime.com
、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。
参考文献：
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