“工程電磁場(chǎng)”教學(xué)改革初探

李景麗+程子霞

[摘 要]“工程電磁場(chǎng)”是電氣工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生應(yīng)掌握的重要專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程。針對(duì)課程特點(diǎn)以及目前教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題，在教學(xué)內(nèi)容上提出應(yīng)增加工程應(yīng)用背景內(nèi)容，適當(dāng)刪減靜電場(chǎng)部分內(nèi)容，增加時(shí)變電磁場(chǎng)理論及其應(yīng)用內(nèi)容；在教學(xué)方法上提出應(yīng)以工程實(shí)際問(wèn)題為基礎(chǔ)，課堂板書(shū)結(jié)合多媒體教學(xué)，并輔以軟件仿真教學(xué)的多樣化教學(xué)模式，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)意識(shí)，提升“工程電磁場(chǎng)”課程教學(xué)質(zhì)量。

[關(guān)鍵詞]工程電磁場(chǎng)原理；工程應(yīng)用背景；教學(xué)方式多樣化

[中圖分類(lèi)號(hào)] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2016）07-0097-02

“工程電磁場(chǎng)”課程以分析各類(lèi)電磁現(xiàn)象的基本規(guī)律和應(yīng)用原理與方法為核心內(nèi)容，是培養(yǎng)合格的電氣信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)本科生所應(yīng)具備的知識(shí)結(jié)構(gòu)的必要組成部分。[1]但是“工程電磁場(chǎng)”課程一直被認(rèn)為是難教、難學(xué)的兩難課程，究其原因主要集中在以下幾個(gè)方面。一是課程要求學(xué)生具有堅(jiān)實(shí)的矢量分析、微積分等基礎(chǔ)知識(shí)；二是電磁場(chǎng)是人類(lèi)無(wú)法直觀(guān)感知的特殊形態(tài)物質(zhì)，要求學(xué)生在學(xué)習(xí)和應(yīng)用過(guò)程中要有較強(qiáng)的抽象思維和邏輯推理能力；三是經(jīng)典理論內(nèi)容與課時(shí)安排之間的矛盾導(dǎo)致目前教學(xué)方式主要以理論教學(xué)為主，缺乏經(jīng)典且深入的工程實(shí)例輔助教學(xué)，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)該門(mén)課程的主動(dòng)性欠缺。[2]針對(duì)以上問(wèn)題本文從該課程特點(diǎn)出發(fā)，提出從教學(xué)內(nèi)容調(diào)整、教學(xué)手段多樣化等方面激發(fā)學(xué)生興趣，提升“工程電磁場(chǎng)”教學(xué)效果。

一、教學(xué)內(nèi)容調(diào)整

“工程電磁場(chǎng)”課程的前接課程為“大學(xué)物理”，與“大學(xué)物理”中的電磁學(xué)部分相比，“工程電磁場(chǎng)”更加重視以麥克斯韋方程為基礎(chǔ)的宏觀(guān)理論體系、工程中電磁問(wèn)題的數(shù)學(xué)描述——邊值問(wèn)題及其求解方法、電磁能量和電磁力以及電磁場(chǎng)與電路之間的聯(lián)系等，而大學(xué)物理中的電磁學(xué)部分內(nèi)容更突出物理現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)描述及其機(jī)理的微觀(guān)闡釋?zhuān)瑑烧咴陔姶艌?chǎng)麥克斯韋方程部分存在重疊。同時(shí)工程電磁場(chǎng)又與電類(lèi)相關(guān)的工程實(shí)際聯(lián)系緊密，就電氣工程專(zhuān)業(yè)來(lái)講，其后續(xù)課程“電路”、“電機(jī)學(xué)”、“電力系統(tǒng)暫態(tài)分析”、“高電壓技術(shù)”等核心課程的基礎(chǔ)理論及其應(yīng)用分析均基于電磁場(chǎng)基本原理進(jìn)行。因此建議在學(xué)生已有大學(xué)物理基礎(chǔ)知識(shí)的背景下，對(duì)“工程電磁場(chǎng)”課程內(nèi)容進(jìn)行如下安排。

（一）適當(dāng)減少靜電場(chǎng)內(nèi)容

“工程電磁場(chǎng)”在教學(xué)安排上遵循先靜電場(chǎng)后時(shí)變場(chǎng)的思路，且靜電場(chǎng)所占比例較大，但這部分內(nèi)容中基本物理量、基本性質(zhì)、導(dǎo)體和電介質(zhì)、電容等內(nèi)容學(xué)生在大學(xué)物理中有所接觸，因此重點(diǎn)講授靜電場(chǎng)的邊值問(wèn)題及其解的物理意義。

（二）加強(qiáng)時(shí)變電磁場(chǎng)理論和應(yīng)用部分內(nèi)容

“大學(xué)物理”對(duì)時(shí)變電磁場(chǎng)部分內(nèi)容僅限于電磁感應(yīng)現(xiàn)象和結(jié)論，而時(shí)變電磁場(chǎng)特別是其中的時(shí)諧電磁場(chǎng)在電氣工程、自動(dòng)化等專(zhuān)業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用背景，應(yīng)是此門(mén)課程的教學(xué)重點(diǎn)，可適當(dāng)增加授課學(xué)時(shí)；在內(nèi)容講解上可適當(dāng)增加時(shí)變電磁場(chǎng)理論的具體應(yīng)用和發(fā)展現(xiàn)狀，有助于學(xué)生理解相關(guān)概念，提升學(xué)生積極性，提高教學(xué)質(zhì)量。

（三）增加工程應(yīng)用背景內(nèi)容

“工程電磁場(chǎng)”這門(mén)課程有著廣泛的工程應(yīng)用背景，尤其在工程實(shí)踐、科學(xué)研究以及日常生活中。[3]對(duì)電磁現(xiàn)象應(yīng)用背景的介紹可以提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。比如結(jié)合所學(xué)內(nèi)容可以討論為什么封閉的接地金屬導(dǎo)體可以屏蔽手機(jī)及其他電磁信號(hào)，微波爐為什么不能加熱金屬，變電站或輸電線(xiàn)對(duì)附近居民身體的影響等問(wèn)題，使學(xué)生深刻意識(shí)到本課程的工程應(yīng)用性，而提高學(xué)習(xí)積極主動(dòng)性。

在具體教學(xué)過(guò)程中根據(jù)“工程電磁場(chǎng)”以麥克斯韋方程為核心，靜態(tài)場(chǎng)均為其在不同條件下的特例的特點(diǎn)，教學(xué)中應(yīng)了解電磁場(chǎng)知識(shí)的總體結(jié)構(gòu)，如表1所示，應(yīng)突出靜電場(chǎng)這一基本內(nèi)容和時(shí)變電磁場(chǎng)這一核心內(nèi)容，學(xué)會(huì)對(duì)比總結(jié)，方便理解和記憶。在課程的教學(xué)過(guò)程中應(yīng)適當(dāng)講述散度和旋度、通量和環(huán)量的數(shù)學(xué)概念，從流體力學(xué)中流速場(chǎng)出發(fā)，形象化地重點(diǎn)闡明此概念的物理意義。因?yàn)椤肮こ屉姶艌?chǎng)”中所涉及的四種場(chǎng)的基本性質(zhì)都是以此概念為基礎(chǔ)展開(kāi)的。

二、教學(xué)方法

（一）課堂以問(wèn)題為基礎(chǔ)教學(xué)方法

“工程電磁場(chǎng)”這門(mén)課程在電類(lèi)專(zhuān)業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用背景，在教學(xué)中過(guò)程中可采用基于問(wèn)題的教學(xué)方法。首先根據(jù)教學(xué)內(nèi)容提出與工程實(shí)踐和實(shí)際生活緊密相關(guān)的問(wèn)題；針對(duì)問(wèn)題引導(dǎo)學(xué)生思考將問(wèn)題切分，并逐一介紹與子問(wèn)題相關(guān)的基本理論知識(shí)；在知識(shí)匯總的同時(shí)由子問(wèn)題解決方案逐步推導(dǎo)出所提問(wèn)題的各種可能方案，并結(jié)合工程實(shí)踐數(shù)據(jù)或結(jié)論驗(yàn)證提出解決方案的正確性；最后匯總與此問(wèn)題相關(guān)知識(shí)體系，并擴(kuò)展介紹在工程實(shí)際中的同類(lèi)問(wèn)題。這一過(guò)程中的難點(diǎn)是如何篩選具有一定理論深度并能夠吸引學(xué)生的問(wèn)題，從論題中逐步展開(kāi)切分成一系列與基礎(chǔ)知識(shí)體系對(duì)應(yīng)的子問(wèn)題，激發(fā)學(xué)生探究與子問(wèn)題對(duì)應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容，產(chǎn)生學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)。[4]比如靜電場(chǎng)學(xué)習(xí)中可提出：雷雨天氣里的閃電是如何產(chǎn)生的？接閃器如何吸引雷電并如何釋放巨大的雷電能量？學(xué)習(xí)恒定電場(chǎng)中電流場(chǎng)部分內(nèi)容時(shí)，可引入雷擊高壓輸電線(xiàn)路桿塔，雷電流在土壤中泄流導(dǎo)致桿塔附近魚(yú)塘中的魚(yú)大量死亡的新聞。時(shí)變電磁場(chǎng)內(nèi)容的學(xué)習(xí)中可形象直觀(guān)地給出發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、變壓器等時(shí)變電磁場(chǎng)理論的經(jīng)典應(yīng)用實(shí)例。通過(guò)諸如此類(lèi)與工程實(shí)際、日常生活緊密結(jié)合的問(wèn)題，不但可以引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)工程電磁場(chǎng)的經(jīng)典理論知識(shí)體系，并且培養(yǎng)學(xué)生遇到問(wèn)題勤于思考，并能科學(xué)地借助相關(guān)理論分析問(wèn)題，解決問(wèn)題的能力。

（二）多種教學(xué)方式相結(jié)合

工程電磁場(chǎng)知識(shí)體系的學(xué)習(xí)需要學(xué)生具有的優(yōu)秀的邏輯推導(dǎo)能力和抽象思維能力。教師在常規(guī)基礎(chǔ)內(nèi)容的PPT展示基礎(chǔ)上，對(duì)部分重點(diǎn)數(shù)學(xué)推導(dǎo)知識(shí)進(jìn)行板書(shū)推導(dǎo)，并對(duì)于不易理解的電磁場(chǎng)空間分布及時(shí)變特性進(jìn)行動(dòng)畫(huà)及圖形展示，如典型輸電線(xiàn)路、電力設(shè)備的電場(chǎng)強(qiáng)度、電場(chǎng)線(xiàn)、電位分布圖等，使學(xué)生在抽象理論知識(shí)的數(shù)學(xué)推導(dǎo)中對(duì)其對(duì)應(yīng)的電磁場(chǎng)這種特殊形態(tài)物質(zhì)有一個(gè)定量的形象化認(rèn)識(shí)；對(duì)于時(shí)變電磁場(chǎng)相關(guān)知識(shí)內(nèi)容，可制作精美的電磁場(chǎng)演示動(dòng)畫(huà)，例如電磁波在空氣中傳播特性、電介質(zhì)在時(shí)變電場(chǎng)中的動(dòng)態(tài)極化特性等動(dòng)畫(huà)視頻，可直觀(guān)反映電磁波傳播特點(diǎn)，有助于學(xué)生對(duì)抽象的基本概念的理解。

（三）數(shù)值計(jì)算軟件仿真教學(xué)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展和電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算理論的逐漸成熟，實(shí)際工程中的電磁場(chǎng)問(wèn)題均可以通過(guò)相應(yīng)的軟件建模求解。電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算軟件眾多，如：ANSYS、COMSOL、ANSOFT、HAFF等，且此類(lèi)商業(yè)軟件只需學(xué)生掌握基本理論知識(shí)，通過(guò)制作簡(jiǎn)單幾何圖形，選擇求解域控制方程、自然邊界條件、分界面的銜接條件等過(guò)程即可計(jì)算工程實(shí)際問(wèn)題，結(jié)合相應(yīng)的后處理即可得到直觀(guān)形象的電磁場(chǎng)結(jié)果。這種充分利用最新科技成果的形象化教學(xué)可以培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使教學(xué)內(nèi)容更加豐富充實(shí)，并得到理想的教學(xué)效果。

（四）作業(yè)模式的多樣化改革

課后作業(yè)是鞏固課堂知識(shí)，提升綜合應(yīng)用能力，反饋學(xué)習(xí)效果并據(jù)此改進(jìn)課堂授課模式的重要方式。目前，課后作業(yè)大多為課后習(xí)題，存在理論性強(qiáng)、難度大、與工程實(shí)際聯(lián)系不緊密等特點(diǎn)。部分學(xué)生由于沒(méi)有興趣或不能獨(dú)立完成，而選擇抄襲，然后向老師交差完事，并沒(méi)有起到作業(yè)應(yīng)有的效果。[4]因此為提升教學(xué)效果，完善整體教學(xué)過(guò)程，應(yīng)對(duì)作業(yè)的內(nèi)容、形式及考核方法進(jìn)行改革。

減少課后習(xí)題的布置量，增加課程報(bào)告環(huán)節(jié)，即根據(jù)其基礎(chǔ)知識(shí)內(nèi)容對(duì)應(yīng)設(shè)置多個(gè)工程應(yīng)用課題，由學(xué)生分組自由選擇并協(xié)作完成。設(shè)計(jì)的工程課題主要應(yīng)包括以下幾種類(lèi)型：1.應(yīng)用分析型，要求利用所學(xué)的電磁場(chǎng)知識(shí)計(jì)算分析簡(jiǎn)單電力、電子、通訊設(shè)備產(chǎn)生電磁場(chǎng)。2.編程驗(yàn)證型，要求通過(guò)C++、MATLAB等計(jì)算機(jī)語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單電磁場(chǎng)問(wèn)題的數(shù)值計(jì)算，并與經(jīng)典理論對(duì)比驗(yàn)證。3.數(shù)值計(jì)算類(lèi)，要求對(duì)實(shí)際工程中典型電磁場(chǎng)問(wèn)題采用ANSYS、COMSOL等軟件建立模型，求解，并進(jìn)行簡(jiǎn)單分析。作業(yè)以報(bào)告論文為主課堂宣講討論為輔的形式提交，報(bào)告中應(yīng)闡明解析計(jì)算、數(shù)值計(jì)算所用到的公式、原理，展示程序設(shè)計(jì)流程圖及代碼、數(shù)值計(jì)算模型，列寫(xiě)詳細(xì)的分析和驗(yàn)證過(guò)程及計(jì)算結(jié)果演示等內(nèi)容。

三、總結(jié)

“工程電磁場(chǎng)”是電類(lèi)專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程，又是眾多相關(guān)交叉學(xué)科和新興邊緣學(xué)科發(fā)展的基礎(chǔ)，而該課程在目前的教學(xué)過(guò)程中呈現(xiàn)“教”、“學(xué)”兩難的狀態(tài)，如何提高該課程的教學(xué)效果值得探索和實(shí)踐。本文針對(duì)該課程教學(xué)中的問(wèn)題及其專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課的特點(diǎn)，在“工程電磁場(chǎng)”教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式方面初步改進(jìn)措施，旨在培養(yǎng)學(xué)生抽象思維能力和邏輯推導(dǎo)能力，建立由問(wèn)題出發(fā)、探尋基礎(chǔ)理論、不斷實(shí)踐的科學(xué)學(xué)習(xí)方法，提高電磁場(chǎng)教學(xué)效果。

[ 注 釋 ]

[1] 黃麟舒，柳超.疑難課程“電磁場(chǎng)與電磁波”中類(lèi)比教學(xué)方法的探索[J].中國(guó)電力教育，2013（23）：68-70.

[2] 王士彬，張蓮，萬(wàn)沛霖，等.“電磁場(chǎng)”課程教學(xué)內(nèi)容改革的實(shí)踐[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2006（5）：8-11.

[3] 汪東欣，潘雅繽.基于有限元法的工程電磁場(chǎng)形象化教學(xué)研究與探討[J].大慶師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2013（6）：135-138.

[4] 朱安福.“電磁場(chǎng)與電磁波”課程教學(xué)實(shí)踐與探討[J].中國(guó)電力教育，2013（26）：45-46.

[責(zé)任編輯：鐘 嵐]