工程電磁場(chǎng)課程內(nèi)容調(diào)整建議及教改實(shí)踐

苑東偉，李慧奇，趙小軍

(華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院 河北保定 071003)

·教 材 建 設(shè)·

工程電磁場(chǎng)課程內(nèi)容調(diào)整建議及教改實(shí)踐

苑東偉，李慧奇，趙小軍

(華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院 河北保定 071003)

針對(duì)目前國(guó)內(nèi)高校工程電磁場(chǎng)課程教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行調(diào)研，通過(guò)調(diào)研國(guó)內(nèi)高校通用教材及大學(xué)物理電磁學(xué)內(nèi)容，結(jié)合在教學(xué)中出現(xiàn)的典型疑問(wèn)進(jìn)行解答，提出了對(duì)工程電磁場(chǎng)課程內(nèi)容及作業(yè)布置的具體調(diào)整意見(jiàn)，在現(xiàn)有學(xué)時(shí)條件下，強(qiáng)調(diào)重點(diǎn)與難點(diǎn)，合理分配學(xué)時(shí)，輔助配套實(shí)驗(yàn)、大作業(yè)、創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目等進(jìn)行輔助教學(xué)，更好地開(kāi)展電氣類工程電磁場(chǎng)教學(xué)實(shí)踐。

工程電磁場(chǎng)；內(nèi)容調(diào)整；教改實(shí)踐；創(chuàng)新實(shí)踐

工程電磁場(chǎng)課程是高等院校中電氣及電子工程類及相關(guān)專業(yè)本科階段一門(mén)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，與電路理論一起構(gòu)成了電氣類專業(yè)的“場(chǎng)”與“路”兩大基礎(chǔ)理論。在學(xué)生完成高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、電路理論等課程后，開(kāi)設(shè)工程電磁場(chǎng)課程。工程電磁場(chǎng)不僅是重要的專業(yè)素質(zhì)基礎(chǔ)課程，也是能夠衍生出眾多交叉學(xué)科問(wèn)題的來(lái)源處。本課程的設(shè)置及教學(xué)實(shí)踐是否成功，影響到對(duì)學(xué)生專業(yè)基礎(chǔ)培養(yǎng)的問(wèn)題。電磁場(chǎng)課程由于其自身的抽象性、復(fù)雜性，教與學(xué)都是一個(gè)很艱難的過(guò)程，所以本課程的教學(xué)實(shí)踐改革應(yīng)是長(zhǎng)期深入，不斷改進(jìn)與研究探索的過(guò)程。

1 課程定位

工程電磁場(chǎng)是電氣電工類專業(yè)必不可少的專業(yè)基礎(chǔ)課程，課程重點(diǎn)地位不容置疑。在任何一門(mén)電氣專業(yè)課程背后，電磁場(chǎng)的觀念無(wú)處不在，例如：電工電路中的儲(chǔ)能元件、無(wú)功功率；電力系統(tǒng)中等效電路圖中的等效電感、分布電容參數(shù)的設(shè)定，傳輸線參數(shù)及求解；高壓電氣中的電暈分析計(jì)算、絕緣分析保護(hù)；電機(jī)中鐵芯磁路線圈磁路分析，電磁感應(yīng)變壓變電等。學(xué)生在本科、研究生及以后更高階段的學(xué)習(xí)研究中，均可以發(fā)現(xiàn)電磁場(chǎng)理論的重要地位，應(yīng)用無(wú)處不在，在每一篇電氣電工類文獻(xiàn)專著背后，都是離不開(kāi)場(chǎng)的思想的。

2 課程內(nèi)容調(diào)研

目前國(guó)內(nèi)高校中，電氣類專業(yè)工程電磁場(chǎng)課程學(xué)時(shí)普遍在48～64學(xué)時(shí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于電子通信類電磁波課程學(xué)時(shí)，而同美國(guó)等典型國(guó)外高校實(shí)施的兩個(gè)學(xué)期144學(xué)時(shí)相比，更是相差甚遠(yuǎn)。在學(xué)時(shí)不多的情況下，如何能夠?qū)?duì)數(shù)學(xué)物理基礎(chǔ)要求甚高、概念抽象、內(nèi)容艱深、計(jì)算復(fù)雜的本門(mén)課程內(nèi)容講清楚，是教學(xué)課題組及授課教師必須要解決好的重要問(wèn)題。國(guó)內(nèi)工磁課程一直是在大學(xué)物理課程之后開(kāi)設(shè)，各高校教師教材講義差異不大。課程結(jié)構(gòu)大體分為兩種：1)基于演繹結(jié)構(gòu)。由麥克斯韋方程組出發(fā)，然后針對(duì)具體典型場(chǎng)問(wèn)題加以闡述，最后擴(kuò)展至動(dòng)態(tài)電磁波問(wèn)題。典型教材為高等教育出版社出版、由倪光正等編寫(xiě)的《工程電磁場(chǎng)原理》[1]。2)基于歸納思想，由各個(gè)典型場(chǎng)問(wèn)題出發(fā)，最終歸納出麥克斯韋方程組，典型教材為清華大學(xué)出版社出版，由王澤忠等編寫(xiě)的《工程電磁場(chǎng)》[2]，通行本《大學(xué)物理》，以及由William.H. Hayt,Jr.等編寫(xiě)的全美高校通行“Engineering Electromagnetics”等經(jīng)典教材[3]。

但在具體的教學(xué)過(guò)程中，不論采用哪種結(jié)構(gòu)的教材，對(duì)在大學(xué)物理課完成之后開(kāi)設(shè)的電磁場(chǎng)課程，學(xué)生總是提出一個(gè)相似的疑問(wèn)：“為什么很多問(wèn)題在物理電磁學(xué)中，我們已經(jīng)學(xué)過(guò)，而現(xiàn)在又覺(jué)得聽(tīng)不懂，題目做起來(lái)很困難？”“為什么很多題目還都是用高斯定理求解的呢？是不是只要會(huì)做高斯定理、安培環(huán)路定律就行了？”這些疑問(wèn)無(wú)疑表明了，學(xué)生并沒(méi)有真正理解電磁學(xué)的內(nèi)涵和精髓，對(duì)電磁問(wèn)題還沒(méi)有建立清楚的認(rèn)識(shí)，而從教學(xué)內(nèi)容本身去看，教學(xué)重點(diǎn)的設(shè)置應(yīng)該重新調(diào)整。

3 課程內(nèi)容調(diào)整建議

由于學(xué)時(shí)限制，物理電磁學(xué)重復(fù)等客觀問(wèn)題，華北電力大學(xué)電氣與工程學(xué)院如何在48學(xué)時(shí)或64學(xué)時(shí)內(nèi)，將內(nèi)容有效整合面對(duì)目前最迫切的問(wèn)題，通過(guò)比對(duì)物理教學(xué)內(nèi)容，提出以下具體調(diào)整意見(jiàn)[4-5]。

3.1 略講及刪去的內(nèi)容

數(shù)學(xué)場(chǎng)論基礎(chǔ)中的細(xì)節(jié)推導(dǎo)可略去，如線面積分、梯度散度和旋度、散度定理和斯托克斯定理中的具體坐標(biāo)展開(kāi)推導(dǎo)，精講一個(gè)即可，其余類似的可略去；電磁感應(yīng)定律的推導(dǎo)是物理電磁學(xué)中精講過(guò)的，可不講推導(dǎo)，重點(diǎn)放在全電流定律的解釋上，強(qiáng)化位移電流的概念，明確出電磁耦合的思想。在靜電場(chǎng)和靜磁場(chǎng)部分，略講物理電磁學(xué)中重點(diǎn)講授及考察的內(nèi)容，如高斯定理、安培環(huán)路定律的典型例題計(jì)算及應(yīng)用，具體可以在重新介紹完定理后，只精講一至兩題；將例題進(jìn)行調(diào)整，重點(diǎn)介紹由場(chǎng)源剖分后直接積分求場(chǎng)分布，強(qiáng)化電磁場(chǎng)問(wèn)題中的由源求場(chǎng)分布的思想，使學(xué)生在物理電磁學(xué)的基礎(chǔ)上更進(jìn)一步深化理解。內(nèi)容思路類似或重復(fù)部分注意詳略得當(dāng)，如磁力線的繪制部分因其與電力線部分類似，可以略講，講到共線方程即可；極化與磁化部分類似，精講極化，略講磁化；電場(chǎng)能量、電場(chǎng)力與磁場(chǎng)能量、磁場(chǎng)力部分也是精講前面即可。

3.2 重點(diǎn)講授及考察內(nèi)容

精講麥克斯韋方程組的物理意義、各種場(chǎng)的基本方程、電磁波動(dòng)方程等，加深學(xué)生對(duì)這些重要基礎(chǔ)問(wèn)題的理解與應(yīng)用，將學(xué)生從物理電磁學(xué)中建立零散的電磁觀點(diǎn)整合統(tǒng)一為場(chǎng)的思想，成為指導(dǎo)其今后從事學(xué)術(shù)研究的思想觀念；精講邊值問(wèn)題強(qiáng)化對(duì)邊界條件的理解與應(yīng)用，鼓勵(lì)學(xué)生多多使用邊值問(wèn)題去建立電磁模型進(jìn)行分析計(jì)算，適當(dāng)介紹清楚后續(xù)求解問(wèn)題，與數(shù)理方程求解建立接口，推薦學(xué)生認(rèn)識(shí)簡(jiǎn)單數(shù)值計(jì)算方法，例如，有限差分法，可通過(guò)布置大作業(yè)的形式來(lái)輔助學(xué)習(xí)了解數(shù)值計(jì)算的過(guò)程；梳理清楚電磁場(chǎng)的基本問(wèn)題，即源場(chǎng)分布的因果關(guān)系：源—媒質(zhì)—場(chǎng)結(jié)果，結(jié)合場(chǎng)的方程建立清晰的思想；重點(diǎn)講授電容、電阻(電導(dǎo))、電感的計(jì)算，結(jié)合電路及電力專業(yè)課程講授清楚，使學(xué)生今后在建立實(shí)際工程問(wèn)題的等值或等效電路模型時(shí)能夠正確求解等效電路參數(shù)；適當(dāng)增加準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)部分內(nèi)容，將典型電力工程情況如磁屏蔽、集膚效應(yīng)、鐵芯回路渦流等介紹清楚。

3.3 課程講授中的傾向性

在每一個(gè)知識(shí)點(diǎn)講授中，教師均應(yīng)注意與物理電磁學(xué)的區(qū)別，整體應(yīng)該站在場(chǎng)的思想上并結(jié)合電氣專業(yè)知識(shí)背景進(jìn)行講授。例如，在介質(zhì)擊穿場(chǎng)強(qiáng)部分結(jié)合高壓絕緣實(shí)際情況；電感電容部分結(jié)合電路等值參數(shù)的建立與求解；電導(dǎo)部分結(jié)合電力系統(tǒng)接地等內(nèi)容進(jìn)行具體講授；在動(dòng)態(tài)電磁波部分，可以借助于動(dòng)畫(huà)演示等手段進(jìn)行形象展示，以加深學(xué)生的理解。

3.4 課程配套實(shí)驗(yàn)改革

在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，可以增加綜合演示實(shí)驗(yàn)及創(chuàng)新工程小實(shí)驗(yàn),根據(jù)具體實(shí)驗(yàn)室條件，對(duì)電磁波的發(fā)射、接收與測(cè)量，載流線圈的場(chǎng)分布與自感，電磁測(cè)量環(huán)境及儀表等進(jìn)行展示，充分利用實(shí)驗(yàn)室，盡最大可能地研發(fā)和設(shè)置一些實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，真正使學(xué)生認(rèn)識(shí)并了解具體典型電磁問(wèn)題及相關(guān)現(xiàn)象，幫助其深化對(duì)電磁場(chǎng)實(shí)際情況的認(rèn)識(shí)與理解。

3.5 課程作業(yè)布置及實(shí)踐創(chuàng)新

教材的配套題目本身設(shè)計(jì)較好，知識(shí)點(diǎn)覆蓋完整。但在實(shí)際教學(xué)中，很多題目與物理電磁學(xué)中一些題目非常類似，如果重復(fù)布置，對(duì)學(xué)生而言只是重復(fù)練習(xí)，并沒(méi)有在內(nèi)容上有更多的更新[6]。根據(jù)這種情況，教師在授課過(guò)程中，對(duì)例題和作業(yè)題應(yīng)重新篩選，將結(jié)合典型場(chǎng)思想的題目加以強(qiáng)化講授和課后布置，可適當(dāng)增加學(xué)時(shí)講授一些具有工程背景的應(yīng)用類題目，包括數(shù)值計(jì)算類例題。教師根據(jù)學(xué)生素質(zhì)情況增加課程綜合類作業(yè)，鼓勵(lì)學(xué)生結(jié)合電氣工程實(shí)際開(kāi)展研究。例如，查閱相關(guān)課題文獻(xiàn)，撰寫(xiě)調(diào)研報(bào)告；布置一些簡(jiǎn)單電磁場(chǎng)建模及數(shù)值求解類型的實(shí)踐環(huán)節(jié)，指導(dǎo)學(xué)生根據(jù)典型算法如FDTD和有限元等方法進(jìn)行簡(jiǎn)單算法編程計(jì)算；布置學(xué)生根據(jù)所學(xué)知識(shí)完成實(shí)際電磁類問(wèn)題的相關(guān)調(diào)研類、實(shí)際工程類綜合性作業(yè)。在創(chuàng)新實(shí)踐環(huán)節(jié)中，結(jié)合大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目等活動(dòng)，組織創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)小組，結(jié)合電磁工程問(wèn)題開(kāi)展創(chuàng)新設(shè)計(jì)。通過(guò)這些教學(xué)實(shí)踐，彌補(bǔ)原有教材習(xí)題的不足，擴(kuò)展了學(xué)生的專業(yè)知識(shí)。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述， 在工程電磁場(chǎng)教學(xué)中，教學(xué)團(tuán)隊(duì)結(jié)合課程自身的特點(diǎn)應(yīng)該不斷堅(jiān)持調(diào)整、創(chuàng)新，改進(jìn)、研究和探索適應(yīng)學(xué)生及工程發(fā)展的實(shí)際需要，將教學(xué)與實(shí)踐更好地結(jié)合。

[1]倪光正. 工程電磁場(chǎng)原理[M].2版. 北京:高等教育出版社, 2002.

[2]王澤忠, 全玉忠, 盧斌先. 工程電磁場(chǎng)[M].北京:清華大學(xué)出版社, 2004.

[3] William.H.Hayt, Jr, A Buck J. Engineering Electromagnetics[M].7th Edition.The McgGraw-Hill Companics,Inc,2006 .

[4] 傅文珍. 少學(xué)時(shí)情況下“工程電磁場(chǎng)”教學(xué)體系改革[J]. 中國(guó)電力教育, 2013(23):66-67.

[5]盧斌先. “工程電磁場(chǎng)”課程教學(xué)方法探討[J]. 電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào), 2012,34(3):96-97.

[6] 劉雄英，馬冰然. “電磁場(chǎng)與電磁波”課程教學(xué)中的歸納與演繹[J]. 電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào), 2010,32(5):56-57.

Content Adjustment Suggestions and the Education Reform Practice in Engineering Electromagnetic Field Course

YUAN Dongwei, LI Huiqi，ZHAO Xiaojun

(School of Electricaland & Electronic Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China)

In this paper, we research the current domestic colleges and universities “engineering electromagnetic field” research teaching of teaching content. Through researching the domestic general colleges and universities teaching material and content of university physics electromagnetism, combined with the typical question answer in teaching, we proposed to the “engineering electromagnetic field” course content and work arrangement of specific opinions, under the condition of existing class hours, we emphasize the key point and difficulty, reasonable distribution, an auxiliary experiment, great job on the auxiliary teaching, innovation practice projects, better electrical class engineering electromagnetic field teaching practice.

engineering electromagnetic field; content adjustment; education reform practice; innovation practice

2014-07-11

教育部高等學(xué)校專業(yè)綜合改革試點(diǎn)及國(guó)家大學(xué)生校外實(shí)踐教育基地建設(shè)工作項(xiàng)目(13011201)。

苑東偉(1980-),女,碩士,講師,主要從事電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算、電磁兼容方面的研究。

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.06.060