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摘要：“电磁场与电磁波”课程是高校电子信息类专业必修的一门重要专业基础课，主要阐述宏观电磁场和电磁波的基本规律、基本性质等理论及在工程中的应用。针对该课程教学中存在的问题及目前课程学时缩减的现实，从教学内容、科研课题引入课堂教学、教学手段、开设实验、考评机制等方面提出了一系列的改革思路。重点讨论了科研课题引入课堂教学的可行性，并结合研究方向给出了实例，希望通过课程改革能进一步提高教学效果，增强学生学习兴趣，提高学生创新与创业的能力。
关键词：电磁场与电磁波；教学改革；科研促教学
作者简介：马凤英（1975-），女，河南濮阳人，郑州大学物理工程学院，副教授。（河南 郑州 450001）
基金项目：本文系国家自然科学基金（项目编号：60907046）、河南省教育厅自然科学研究计划项目（项目编号：2009A140008）、郑州市科技局项目（项目编号：121ppTGG360-7）的研究成果。
中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）36-0099-02
“电磁场与电磁波”是郑州大学（以下简称“我校”）电子信息类、通信工程、电子科学与技术、电气工程及自动化等专业学生必修的一门重要专业基础课，主要研究电磁场的基本属性及其运动规律、波与物质相互作用及信息的提取、电磁场系统的计算方法及仿真技术和工程技术应用中的电磁理论问题等。它和电磁干扰与电磁兼容、射频及高速电路设计与开发等课题紧密联系，是一些交叉领域的学科生长点和新兴边缘学科发展的基础。同时，电磁场与电磁波作为能量的一种形式、信息传输的载体和探测未知世界的一种重要手段，在通信、雷达、医疗保健、导航、军事、能源和环境检测等领域中得到了广泛的应用。但是由于电磁场与电磁波概念抽象、理论深奥、应用数学知识多、分析推导繁琐等，使该课程历来被认为是教师难教、学生难学的课程之一，甚至有学生私下里称电磁场这门课为“火葬场”。随着“宽口径、轻专业、重基础”本科培养理念的出现，各高校开设基础课程门类增多，我校自2009年来将该课程的课时数由64学时减少为48学时。这样一来，要在教学计划学时内完成教学内容，每节课的上课内容就会增加，满堂灌的教学方式势必会导致学生疲倦，不利于学生自主学习能力和自我发展能力的培养。另外，针对我校光学、光学工程硕士专业方向和电子科学与技术、电子信息科学与技术两个本科专业就业的需要，对教学内容需进行适当调整。因此，为了适应这种情况，对于课程讲授内容适当增减，教材的重新选择及教学方法的改革势在必行。
一、教学内容的改革
新的教学计划修订之前，这门课采用的教材是马海武教授编写的《电磁场理论》，该书基础性较强，偏重于理论，教授这门课的老师也是我校物理专业的教师。而电子信息、电子科学与技术这两个专业毕业生，无论深造还是就业，均偏重于电磁场的应用——解决工程类电磁场问题。因此，教学计划修订后，这两个专业的教材换为谢处方、饶克谨教授编写的《电磁场与电磁波》。教学内容上也进行适当优化，比如大学物理中电磁学部分已经对真空和介质中的静态场以及电磁感应现象和位移电流假设进行了详细的讲解，也简单介绍了麦克斯韦方程组。在教授“电磁场与电磁波”这门课时对静态场的特性和分析就可以用较少的学时，以学生为中心，多以提问的形式进行讲授。而对时变电磁场的分析方法、电磁波的反射与透射以及波导与谐振腔相关章节的讲授就要用较多的学时。另外在讲授这部分内容时要增加一些工程实例，加深学生对知识的理解并提高应用能力。如在讲授“均匀平面波对多层介质分界面的垂直入射”时，引入滤光片、介质高反膜和增透膜的设计原理及应用，使学生对课程的背景、研究领域、主要技术、发展方向有大致的了解，培养学生在此领域的兴趣和深入研究的愿望。
二、教学方法与教学手段的改革
1.将科研课题引入课堂教学，提高学生对基础研究的兴趣和关注
早在2005年教育部发布的教高[2005]001号文中就强调“积极推动研究性教学，提高大学生创新能力”。探索性是本科研究性教学的主要特征之一，不但要传授知识，还要培养学生探求未知的能力。因此，高校教师不但要讲好书本知识，还要做好科研，大量查阅文献资料，实时关注本专业方向的最新发展动态，有针对性由浅入深地将最新科研成果引入到教学中以激发学生的求知欲，使学生主动参与到科研中来。例如笔者结合研究方向微腔器件与物理，在讲解“均匀平面波反射与透射”时，只带领学生推导导电媒质分界面的垂直入射，根据电磁边界条件得出分界面上电场振幅反射和透射系数，强调入射介质中的电场为入射波和反射波的叠加，把具体的科研问题——平面微腔器件结构设计引入课堂教学。平面微腔是典型的集成光电子器件，而光电子集成又是信息技术的发展新方向。平面微腔（尤其是光学微腔）结构设计中，比较重要的一个参数是有效腔长的确定。有效腔长的大小不但包括两反射镜之间的光学距离，还应包含两端反射镜的相位穿透深度。以电磁波在介质/金属界面反射为例，让学生了解相位穿透深度的概念。
介质/金属界面的反射系数为。其中和分别为入射和出射介质（金属）的波阻抗，其中为复数。因此，为复数。一般金属反射镜的反射率接近于1，即，为界面上反射波相对入射波的位相延迟。
假定入射电场为，经界面反射后入
射介质中的合成电场为，
即合成电场为行驻波场。
当时，合成电场取最大值；当时，合成电场取最小值。
驻波比，由于接近于1，因此驻波比接近无穷大，即入射介质中的电场接近于驻波场。不同于理想介质/理想金属界面，此时界面处并不是驻波的波节，其波节位置由合成电场取最小值时所对应的z值确定，如图1所示。
取n=-1，所对应z值即为金属的相位穿透深度（如图1标注）。
2.多媒体与传统板书相结合的教学手段 多媒体教学相对于传统板书教学具有自身的优越性，它可以在文字、图形的基础上增加图像、动画、声音、影像等，将传统教学手段很难表达的教学内容或无法观察到的现象利用视觉和听觉的形式展现出来，使抽象复杂的问题简单化，枯燥难懂的知识形象化。比如在分析波从波密媒质到波疏媒质传播且入射角大于临界角时透射电场的分布时，如果仅从公式推导得出透射电场的形式，学生很难直观地理解透射波的传播情况。此时就可以通过MATLAB编程来再现透射电场，学生就能够直观地看到透射波（表面波）沿分界面传播但其振幅在垂直于分界面方向上按指数规律的衰减情况。这时告诉学生表面波的等幅面和等相面垂直为非均匀波，学生就会产生深刻的理解。多媒体授课可以提高课堂教学效果，提升教学质量，但并不是所有的课程都适用多媒体教学。比如电磁场这门课有很多公式推导，如果一味地依赖多媒体就会造成讲课节奏过快，学生理解消化时间减少，反而不利于课堂教学效果的提高。因此，这门课程适合采取多媒体和传统板书相结合的方式进行授课。
3.尝试开设相关实验
“电磁场与电磁波”作为工科电类专业的技术基础课，具有理论性强、概念抽象、数学基础要求高等特点。要想提高教学效果，应设法使复杂的问题简单化，抽象的概念形象化。目前开设的课堂演示实验有：电（磁）介质的极化（磁化）、均匀平面波在非导电媒质和导电媒质中的传播、波的极化、均匀平面波在理想介质（导体）界面上的反/透射及表面波等。为了进一步提高学生的动手能力，使他们在实验中验证所学理论，笔者正计划开设实验课，实验内容初步定为：电磁信号的波速、波长和相位常数的测量；电磁波的极化；电压驻波比测量；电磁波的反射与透射；电磁场与电磁波的计算机仿真等。通过实验教学环节，从测量基本参量入手，利用专业测量仪器研究波的传播、极化等特性。
4.设置合理的考评机制
课程的考核是督促学生学习、检验教学效果的重要手段，其最终目的是使学生更好地掌握专业基础知识和相关研究领域的应用。这门课的成绩取决于学生的综合表现，包括学生平时出勤情况、作业完成情况、课堂与老师的互动情况以及期末考试成绩。每个学期会不定期抽查学生出勤情况，出勤成绩占总成绩的20%。另外，平时作业占总成绩的20%，期末考卷成绩占总成绩的60%。课后习题让学生自己在课下练习，而需要交的作业是结合具体工程实例的设计或者论述题，没有具体的参考答案，避免出现敷衍、互相抄袭的现象。此外，根据学生平时课堂发言以及与老师互动情况，还设立奖励分，最高10分，这部分直接计入总成绩。
5.不断提高自身素质和教学水平
教学活动中，教师首先要尊重学生，热爱学生，以学生为中心开展教学工作。课堂上要保持热情，每次上课之前都要抽出几分钟把上节课的主要知识点回顾一下，让学生轻松过渡到教师接下来要讲授的内容。课上列出纲领和精华部分，对有些问题给出思路，然后结合具体的科研和工程问题，让学生掌握更多新的知识和科研前沿。穿插一些有关人生的感悟和思考，让学生在轻松的气氛里学习，培养积极向上的人生观。除了以满腔的热情对待事业和学生外，教师还要自觉高标准地塑造自身的人格，才能以自身健康的人格培养学生的人格。在教学中还要不断充实自己，完善教学资料，跟踪最新的教学和科研成果，积极参加高等学校电路和信号系统、电磁场教学与教材研究会，跟兄弟院校电磁场教师进行交流，不断提高教学水平。
三、总结
针对我校光学、光学工程硕士专业方向和电子科学与技术、电子信息科学与技术两个本科专业就业的需要，以及目前“电磁场与电磁波”课时大幅缩减的教学现状，提出了从教学内容、科研促教学到教学手段、实践教学等一系列的改革思路，目前已取得了初步成效。下一步的目标是增加课外实验内容，通过实验验证并巩固所学理论知识，激发学生的学习兴趣，进一步增强学生的创新能力。
参考文献：
[1]谢处方，饶克谨.电磁场与电磁波[M].北京：高等教育出版社，
1999.
[2]刘万强，孙贤明，王海华.电磁场与电磁波实验教学的探索与实践[J].大学物理，2012，（12）.
[3]田雨波，张贞凯.“电磁场理论”教学改革初探[J].电气电子学报，2008，（1）.
[4]中国高等教育学会.改革开放30年中国高等教育发展经验专题研究[M].北京：教育科学出版社，2008.
[5]赵晓霞.大学本科研究性学习的特征[J].现代大学教育，2006，
（5）.
[6]李阳，梁蕊.循环系统的多媒体课件设计及教学应用体会[J].当代医学，2011，（10）.
[7]程莉，徐春梅.《电磁场与电磁波》课程教学改革新思路[J].中国科教创新导刊，2010，（35）.
注：苏建坡为本文通讯作者。
关键词：电磁场与电磁波；教学改革；科研促教学
作者简介：马凤英（1975-），女，河南濮阳人，郑州大学物理工程学院，副教授。（河南 郑州 450001）
基金项目：本文系国家自然科学基金（项目编号：60907046）、河南省教育厅自然科学研究计划项目（项目编号：2009A140008）、郑州市科技局项目（项目编号：121ppTGG360-7）的研究成果。
中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）36-0099-02
“电磁场与电磁波”是郑州大学（以下简称“我校”）电子信息类、通信工程、电子科学与技术、电气工程及自动化等专业学生必修的一门重要专业基础课，主要研究电磁场的基本属性及其运动规律、波与物质相互作用及信息的提取、电磁场系统的计算方法及仿真技术和工程技术应用中的电磁理论问题等。它和电磁干扰与电磁兼容、射频及高速电路设计与开发等课题紧密联系，是一些交叉领域的学科生长点和新兴边缘学科发展的基础。同时，电磁场与电磁波作为能量的一种形式、信息传输的载体和探测未知世界的一种重要手段，在通信、雷达、医疗保健、导航、军事、能源和环境检测等领域中得到了广泛的应用。但是由于电磁场与电磁波概念抽象、理论深奥、应用数学知识多、分析推导繁琐等，使该课程历来被认为是教师难教、学生难学的课程之一，甚至有学生私下里称电磁场这门课为“火葬场”。随着“宽口径、轻专业、重基础”本科培养理念的出现，各高校开设基础课程门类增多，我校自2009年来将该课程的课时数由64学时减少为48学时。这样一来，要在教学计划学时内完成教学内容，每节课的上课内容就会增加，满堂灌的教学方式势必会导致学生疲倦，不利于学生自主学习能力和自我发展能力的培养。另外，针对我校光学、光学工程硕士专业方向和电子科学与技术、电子信息科学与技术两个本科专业就业的需要，对教学内容需进行适当调整。因此，为了适应这种情况，对于课程讲授内容适当增减，教材的重新选择及教学方法的改革势在必行。
一、教学内容的改革
新的教学计划修订之前，这门课采用的教材是马海武教授编写的《电磁场理论》，该书基础性较强，偏重于理论，教授这门课的老师也是我校物理专业的教师。而电子信息、电子科学与技术这两个专业毕业生，无论深造还是就业，均偏重于电磁场的应用——解决工程类电磁场问题。因此，教学计划修订后，这两个专业的教材换为谢处方、饶克谨教授编写的《电磁场与电磁波》。教学内容上也进行适当优化，比如大学物理中电磁学部分已经对真空和介质中的静态场以及电磁感应现象和位移电流假设进行了详细的讲解，也简单介绍了麦克斯韦方程组。在教授“电磁场与电磁波”这门课时对静态场的特性和分析就可以用较少的学时，以学生为中心，多以提问的形式进行讲授。而对时变电磁场的分析方法、电磁波的反射与透射以及波导与谐振腔相关章节的讲授就要用较多的学时。另外在讲授这部分内容时要增加一些工程实例，加深学生对知识的理解并提高应用能力。如在讲授“均匀平面波对多层介质分界面的垂直入射”时，引入滤光片、介质高反膜和增透膜的设计原理及应用，使学生对课程的背景、研究领域、主要技术、发展方向有大致的了解，培养学生在此领域的兴趣和深入研究的愿望。
二、教学方法与教学手段的改革
1.将科研课题引入课堂教学，提高学生对基础研究的兴趣和关注
早在2005年教育部发布的教高[2005]001号文中就强调“积极推动研究性教学，提高大学生创新能力”。探索性是本科研究性教学的主要特征之一，不但要传授知识，还要培养学生探求未知的能力。因此，高校教师不但要讲好书本知识，还要做好科研，大量查阅文献资料，实时关注本专业方向的最新发展动态，有针对性由浅入深地将最新科研成果引入到教学中以激发学生的求知欲，使学生主动参与到科研中来。例如笔者结合研究方向微腔器件与物理，在讲解“均匀平面波反射与透射”时，只带领学生推导导电媒质分界面的垂直入射，根据电磁边界条件得出分界面上电场振幅反射和透射系数，强调入射介质中的电场为入射波和反射波的叠加，把具体的科研问题——平面微腔器件结构设计引入课堂教学。平面微腔是典型的集成光电子器件，而光电子集成又是信息技术的发展新方向。平面微腔（尤其是光学微腔）结构设计中，比较重要的一个参数是有效腔长的确定。有效腔长的大小不但包括两反射镜之间的光学距离，还应包含两端反射镜的相位穿透深度。以电磁波在介质/金属界面反射为例，让学生了解相位穿透深度的概念。
介质/金属界面的反射系数为。其中和分别为入射和出射介质（金属）的波阻抗，其中为复数。因此，为复数。一般金属反射镜的反射率接近于1，即，为界面上反射波相对入射波的位相延迟。
假定入射电场为，经界面反射后入
射介质中的合成电场为，
即合成电场为行驻波场。
当时，合成电场取最大值；当时，合成电场取最小值。
驻波比，由于接近于1，因此驻波比接近无穷大，即入射介质中的电场接近于驻波场。不同于理想介质/理想金属界面，此时界面处并不是驻波的波节，其波节位置由合成电场取最小值时所对应的z值确定，如图1所示。
取n=-1，所对应z值即为金属的相位穿透深度（如图1标注）。
2.多媒体与传统板书相结合的教学手段 多媒体教学相对于传统板书教学具有自身的优越性，它可以在文字、图形的基础上增加图像、动画、声音、影像等，将传统教学手段很难表达的教学内容或无法观察到的现象利用视觉和听觉的形式展现出来，使抽象复杂的问题简单化，枯燥难懂的知识形象化。比如在分析波从波密媒质到波疏媒质传播且入射角大于临界角时透射电场的分布时，如果仅从公式推导得出透射电场的形式，学生很难直观地理解透射波的传播情况。此时就可以通过MATLAB编程来再现透射电场，学生就能够直观地看到透射波（表面波）沿分界面传播但其振幅在垂直于分界面方向上按指数规律的衰减情况。这时告诉学生表面波的等幅面和等相面垂直为非均匀波，学生就会产生深刻的理解。多媒体授课可以提高课堂教学效果，提升教学质量，但并不是所有的课程都适用多媒体教学。比如电磁场这门课有很多公式推导，如果一味地依赖多媒体就会造成讲课节奏过快，学生理解消化时间减少，反而不利于课堂教学效果的提高。因此，这门课程适合采取多媒体和传统板书相结合的方式进行授课。
3.尝试开设相关实验
“电磁场与电磁波”作为工科电类专业的技术基础课，具有理论性强、概念抽象、数学基础要求高等特点。要想提高教学效果，应设法使复杂的问题简单化，抽象的概念形象化。目前开设的课堂演示实验有：电（磁）介质的极化（磁化）、均匀平面波在非导电媒质和导电媒质中的传播、波的极化、均匀平面波在理想介质（导体）界面上的反/透射及表面波等。为了进一步提高学生的动手能力，使他们在实验中验证所学理论，笔者正计划开设实验课，实验内容初步定为：电磁信号的波速、波长和相位常数的测量；电磁波的极化；电压驻波比测量；电磁波的反射与透射；电磁场与电磁波的计算机仿真等。通过实验教学环节，从测量基本参量入手，利用专业测量仪器研究波的传播、极化等特性。
4.设置合理的考评机制
课程的考核是督促学生学习、检验教学效果的重要手段，其最终目的是使学生更好地掌握专业基础知识和相关研究领域的应用。这门课的成绩取决于学生的综合表现，包括学生平时出勤情况、作业完成情况、课堂与老师的互动情况以及期末考试成绩。每个学期会不定期抽查学生出勤情况，出勤成绩占总成绩的20%。另外，平时作业占总成绩的20%，期末考卷成绩占总成绩的60%。课后习题让学生自己在课下练习，而需要交的作业是结合具体工程实例的设计或者论述题，没有具体的参考答案，避免出现敷衍、互相抄袭的现象。此外，根据学生平时课堂发言以及与老师互动情况，还设立奖励分，最高10分，这部分直接计入总成绩。
5.不断提高自身素质和教学水平
教学活动中，教师首先要尊重学生，热爱学生，以学生为中心开展教学工作。课堂上要保持热情，每次上课之前都要抽出几分钟把上节课的主要知识点回顾一下，让学生轻松过渡到教师接下来要讲授的内容。课上列出纲领和精华部分，对有些问题给出思路，然后结合具体的科研和工程问题，让学生掌握更多新的知识和科研前沿。穿插一些有关人生的感悟和思考，让学生在轻松的气氛里学习，培养积极向上的人生观。除了以满腔的热情对待事业和学生外，教师还要自觉高标准地塑造自身的人格，才能以自身健康的人格培养学生的人格。在教学中还要不断充实自己，完善教学资料，跟踪最新的教学和科研成果，积极参加高等学校电路和信号系统、电磁场教学与教材研究会，跟兄弟院校电磁场教师进行交流，不断提高教学水平。
三、总结
针对我校光学、光学工程硕士专业方向和电子科学与技术、电子信息科学与技术两个本科专业就业的需要，以及目前“电磁场与电磁波”课时大幅缩减的教学现状，提出了从教学内容、科研促教学到教学手段、实践教学等一系列的改革思路，目前已取得了初步成效。下一步的目标是增加课外实验内容，通过实验验证并巩固所学理论知识，激发学生的学习兴趣，进一步增强学生的创新能力。
参考文献：
[1]谢处方，饶克谨.电磁场与电磁波[M].北京：高等教育出版社，
1999.
[2]刘万强，孙贤明，王海华.电磁场与电磁波实验教学的探索与实践[J].大学物理，2012，（12）.
[3]田雨波，张贞凯.“电磁场理论”教学改革初探[J].电气电子学报，2008，（1）.
[4]中国高等教育学会.改革开放30年中国高等教育发展经验专题研究[M].北京：教育科学出版社，2008.
[5]赵晓霞.大学本科研究性学习的特征[J].现代大学教育，2006，
（5）.
[6]李阳，梁蕊.循环系统的多媒体课件设计及教学应用体会[J].当代医学，2011，（10）.
[7]程莉，徐春梅.《电磁场与电磁波》课程教学改革新思路[J].中国科教创新导刊，2010，（35）.
注：苏建坡为本文通讯作者。