工程電磁場教學效果提升探究

摘要：闡述了電磁場課程特點和地位，針對學生學習電磁場中遇到的問題，為提高教學效果，提出了理論結合實際，并結合電磁場在電氣工程中的應用來提高學生的學習興趣；采用對比總結的方法，構架課程體系，引導學生思考記憶；采用matlab和Ansys等軟件，使電磁場理論形象化、直觀化；充分利用精品課程，引導學生自主學習，加強教學效果。

關鍵詞：電磁場課程；電氣工程；matlab；精品課程；教學效果

作者簡介：程紫娟（1985-），女，湖北天門人，三峽大學電氣與新能源學院，助教；王成江（1971-），男，湖北保康人，三峽大學電氣與新能源學院，教授。（湖北 宜昌 443002）

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）33-0127-02

工程電磁場是在大學物理電磁學的基礎上，進一步闡述各種電磁現象內在規(guī)律，[1]培養(yǎng)學生具有運用“場”的觀點定性分析和定量計算工程電磁場問題的能力。它是高校工科電類專業(yè)的專業(yè)基礎課，該課程圍繞電磁場的能量、產生和傳播展開，在電氣工程、電子信息工程和通訊等領域有廣泛的應用，如電氣工程中的電機、超高壓輸電，電子信息工程中的電子器件研制等。[2]除了在電類學科領域，工程電磁場在軍事、醫(yī)療、天文等領域也有重要的作用。電磁場還與其他技術結合，在交叉領域和新興邊緣學科有廣泛的應用，如低溫等離子體和核聚變工程、生物質電磁學、環(huán)境電磁學等。故掌握工程電磁場理論是學習電氣工程后續(xù)課程的必備基礎，更是將電磁場知識應用到工程實踐必須掌握的理論基礎。

然而學生在學習電磁場理論過程中存在較大問題，主要集中在以下幾個方面。一是學生難以將已學過的數學物理知識與電磁場聯(lián)系起來，[3]這門課程又比較抽象，公式較多，要求學生具有一定的空間想象力和邏輯推理能力；二是大學教學改革使很多相關課程學時縮短，學生難以掌握相關知識，如矢量分析和場論是學好電磁場關鍵之一，很多學生卻沒有學好，導致學習電磁場難度加大；三是學生對該課程不重視且缺乏興趣，表現在學生認為該課程在電氣工程中應用較少，與其他課程聯(lián)系較少，學生不知道學習電磁場有何用途等方面。

本文從課程特點和學生角度，提出了理論結合實際，加強學科間聯(lián)系；采用對比總結，構架課程體系；利用matlab和Ansys等軟件教學；充分利用精品課程，以“學生”為本，充分激發(fā)學生的興趣，調動學生的積極性，旨在提高教學效果。

一、結合電氣工程相關課程及生產實例講解電磁場的應用

由于電磁場課程數學公式和理論較多，學生感覺很枯燥，而且該課程在電氣工程教學體系中是作為專業(yè)基礎課，與物理課程中的電磁學相似，不少學生認為該課程并沒有電氣工程中其他專業(yè)課重要，而且看不到電磁場理論可以應用的領域。

事實上，電氣工程分析計算時一般采用集中參數，[1]如電壓、電流等，很少采用微觀上的分布參數，如電場、磁場等來處理。由高等數學中的微積分可知，集中參數實際上是分布參數積分而得。因此，電力系統(tǒng)中的電能從電廠傳送到負荷，實際過程是電能以電磁場的形式沿電力系統(tǒng)各元件傳遞至電器。因此在“電力系統(tǒng)分析”、“電機”和“高電壓技術”等課程的基礎理論分析中經常借助電磁場理論，如變壓器和電機磁場分析、電機中的氣隙磁場波形和轉子電樞反應等概念，以及輸電線路電路參數的建立及輸電線路下方地面附近的電磁場分布規(guī)律，其中分析輸電線路的零序阻抗和電納就是采用電磁場的鏡像法。[3]

結合電氣工程其他專業(yè)課來講解電磁場的應用可以讓學生了解學習電磁場的重要性。教師可以結合工程實際如緊湊型輸電線路和同桿雙回線路的電場和磁場計算、跨步電壓等，讓學生了解科研和工作中可能用到的電磁場知識，讓學生有興趣學習，對學習電磁場提高重視。

二、對比總結，形成主線，構架課程體系

學生在學習電磁場過程中應了解電磁場知識的總體結構，學會對比總結，使學習難度降低，方便記憶相關公式和概念，如表1。

在講授過程中應重點講述通量和環(huán)量，散度和旋度，點乘和叉乘，因為在表1中的四種場，其基本定理和方程均是以上述概念為基礎。如靜電場中的環(huán)路定理和高斯通量定理的積分形式分別涉及環(huán)量和通量，而微分形式則分別涉及旋度（叉乘）和散度（點乘）。

在講述各類場的電磁現象和原理時還應把握各種量之間的關系，形成一條主線，以便學生學習和做題時能方便記憶和著手做題。如靜電場中描述場的物理量主要是電場強度、電位移矢量和電位，而基本方程中涉及的也就是電場強度和電位移矢量。在講授時從庫侖定律出發(fā)定義電場強度，由電荷計算電場強度公式出發(fā)定義電位，從而建立電位和電場強度的關系，也就是靜電場環(huán)路定理，其中涉及旋度和斯托克斯定理。高斯通量定理則建立電荷分布與電場強度的關系，涉及散度和散度定理。其他幾種場也可以形成一條主線，建立各物理量的聯(lián)系。

在講授過程中還應對比總結。如亥姆霍茲定理即矢量場的分布特性主要由其散度和旋度決定，這個定理在每種場的基本方程中體現得很充分，應在各個場中總結該定理的應用。

三、結合軟件教學，使概念形象化

學習電磁場的難度還在于電磁場概念非常抽象，因此可以結合matlab、Ansoft Maxwell和Ansys等軟件將場形象化，通過場圖描述場的分布規(guī)律。[4]

利用Ansoft maxwell軟件仿真兩個平行圓柱形導體，兩導線間介質為空氣，電位大小相等符號相反，電場分布如圖1，電場強度幅值如圖2。從上面兩個圖中可以清楚看到：導體內部電場強度為0；電場強度矢量線從正電荷出發(fā)終止于負電荷；電場強度矢量線之間沒有交點，說明空間上任意一點電場強度大小和方向是唯一的，進一步可以延伸至靜電環(huán)路定理，即電場強度沿閉合環(huán)路積分為0。

除了Ansoft Maxwell軟件，也可以利用matlab軟件對電磁場分布仿真、進行公式推導和三維視圖仿真。在科研中有限元軟件Ansys在輸電線路電磁場環(huán)境仿真中也用得較多。這些電磁場仿真軟件對于分析電磁場和波的問題非常簡便實用，能將抽象不可見的問題形象化，這在教學和科研中都有很重要的意義。[5]

四、利用精品課程，加強教學效果

該課程課時較短，課程難度又較大，為達到教學效果，應充分利用精品課程等網絡教學，推薦合適的中外教材和課件，將電磁場歷史、軟件應用、實驗、網絡作業(yè)等放在精品課程中，充分調動學生自主學習的積極性，提高學生應用軟件的動手能力，布置網絡作業(yè)，讓學生積極思考，及時發(fā)現學習問題并解決。

在精品課程中除了課件、每章節(jié)知識點、典型例題及考試重難點這幾個模塊外，還應增加參考教材及相關讀物、電磁場課程結構及與其他課程間的聯(lián)系、工程實踐應用、軟件應用、自我測試等模塊。

參考教材及讀物可以列出中外著名教材清單，以適合不同層次學生學習的需要。可以適當增加一些相關電磁場實驗的故事，不僅可以提高學生學習積極性，也可以使學生領會做科研做實驗的艱苦和樂趣。工程實踐應用可以采用500KV雙回輸電線路電場和磁場環(huán)境仿真、高海拔500KV緊湊型輸電線電場仿真分析及與常規(guī)線路的對比等命題，給出研究背景、研究方法、步驟及結果，增加學生對電磁場學習的興趣，使學得的知識得以應用。自我測試模塊可以采用在線檢測，這可以彌補傳統(tǒng)課堂布置作業(yè)帶來的一些問題，如教師批改作業(yè)不及時。學生可以利用在線檢測，及時得到正確答案、解題思路和步驟。在這一模塊中也可以設置教師批改作業(yè)并給出相應修正，這應視內容而定。

五、結束語

工程電磁場課程在電類學科中具有較重要的地位，而學生學習該課程又遇到很多問題，如何解決學生的問題，提高該課程的教學效果值得探索和實踐。本文圍繞學生遇到的問題及課程特點，從電磁場在電氣學科中的應用、對比總結形成主線、軟件仿真教學及精品課程建設四個方面進行了初步的探索，旨在提高學生的興趣和積極性，降低學習難度，引導自主學習，達到提高電磁場教學效果的目的。

參考文獻：

[1]陳兆權，胡業(yè)林，楊岸，等.淺談電氣工程專業(yè)課學習的電磁場知識準備[J].中國科技信息，2011，（11）：193-195.

[2]王士彬，張蓮，萬沛霖，等.“電磁場”課程教學內容改革的實踐[J].電氣電子教學學報，2006，28（5）：8-11.

[3]藺紅，晃勤.電磁場課程教學改革探討[A].第六屆全國高等學校電氣工程及其自動化專業(yè)教學改革研討會論文集[C].北京：電子雜志社，2009：477-480.

[4]梁振光.MATLAB在“電磁場”教學中的應用[J].電氣電子教學學報，2004，26（3）：105-109.

[5]王明軍，李應樂，唐靜.MATLAB在電磁場與電磁波課程教學中的應用[J].咸陽師范學院學報，2009，24（2）：89-91.