電氣工程及其自動化專業(yè)“工程電磁場”課程教學改革探索

聶相舉

摘要：“工程電磁場”是電氣工程及其自動化專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，根據(jù)我校進行工程教育專業(yè)認證專業(yè)之一電氣工程及其自動化專業(yè)的培養(yǎng)計劃及其專業(yè)特點，介紹了工程電磁場理論課程教學改革的一些嘗試性方法，可以培養(yǎng)和提高學生的工程實踐能力。

關(guān)鍵詞：電氣工程;工程電磁場;教學改革

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）32-0069-01

工程電磁場是電類專業(yè)一門重要的、理論性較強的專業(yè)基礎(chǔ)課程，它所涉及的內(nèi)容是相關(guān)專業(yè)本科學生知識結(jié)構(gòu)的必要組成部分。本門課程的理論性較強，物理概念較抽象，要求的數(shù)學知識較多，該課程的突出特點是理論嚴謹和體系完整，在邏輯推理和數(shù)學分析上都具有一定的典型性，它不僅為專業(yè)課程提供了必備的基礎(chǔ)知識，而且培養(yǎng)學生正確的思維方式并掌握科學分析問題的方法，為學生解決實際的工程問題奠定初步的理論基礎(chǔ)。[1]

一、根據(jù)專業(yè)新特點調(diào)整教學內(nèi)容

電氣工程及其自動化專業(yè)學習的專業(yè)課程主要是我們所謂的“強電”，其后續(xù)課程中與工程電磁場有關(guān)的是電機學及電力拖動技術(shù)、電力電子技術(shù)、電磁兼容技術(shù)等電磁設備和器件的分析與設計。因此，學生感覺工程電磁場這門課用處不大，學習積極性不高，在課程內(nèi)容安排上，還是以靜電場為主，雖然上課時反復強調(diào)該課程與普通物理等課程中的相關(guān)內(nèi)容在教學上不同，但仍然容易使學生產(chǎn)生內(nèi)容重復的感覺。

專業(yè)認證教學計劃調(diào)整后，我校的電氣工程及其自動化專業(yè)的工程電磁場這門課學時調(diào)整為32學時，但隨著科學技術(shù)的發(fā)展和不同專業(yè)間的相互滲透，大型自動控制系統(tǒng)中涉及的電磁場問題越來越多，電磁場理論與電氣工程及其自動化專業(yè)的關(guān)系也更加密切，這就從客觀上要求學生掌握更多的電磁場理論知識，原來的教學內(nèi)容必須拓寬。這就形成了內(nèi)容增加和學時減少的矛盾，為了解決這個矛盾，對課程內(nèi)容做了如下調(diào)整：

1.刪減靜電場內(nèi)容

工程電磁場這門課大多數(shù)在教學內(nèi)容安排上遵循先靜電場，后時變場的思路，并且靜電場所占比例較大，但從這部分內(nèi)容的基本概念考慮，學生在大學物理中就有所接觸。因此，我們不按照靜電場、穩(wěn)恒電場、穩(wěn)恒磁場，這樣的模式組織靜電場內(nèi)容，從開始就直接進入到時變電磁場中，即首先引入麥克斯韋方程組，討論時變電磁場的基本運動規(guī)律，因為麥克斯韋方程組可以解釋電磁場的一切宏觀現(xiàn)象。在麥克斯韋方程組教授時將靜電場作為一種特殊情況引出，用較少的學時介紹其特殊性以及與時變電磁場在理論上的一致性。這樣既節(jié)省了學時，保證了理論的完整性，又可避免學生在學習靜電場時產(chǎn)生的厭煩心理。[2]

2.增加應用背景內(nèi)容

工程電磁場這門課具有廣泛的應用背景，尤其在工程實踐、科學研究以及日常生活當中。但目前絕大多數(shù)教材都沒有相關(guān)內(nèi)容的簡介，而對電磁現(xiàn)象的應用背景介紹會激發(fā)學生對其產(chǎn)生強大的興趣。比如在課堂上和學生討論微波爐中為什么不能用金屬器皿;短波收音機為什么晚上會收到更多的臺但干擾大的問題;醫(yī)院的核磁共振設備是依靠什么原理檢查人體的狀況等，使學生意識到該課程的重要性，提高學習的積極性。[3]

3.加強時變電磁場理論的教學內(nèi)容

學習本課程之前，學生對于時變電磁場的知識僅限于簡單的電磁感應現(xiàn)象，更多的只是定性認識，但在現(xiàn)代社會中的廣泛應用，時變電磁場是工程電磁場這門課的教學重點。通過靜電場內(nèi)容的科學刪減，用于該部分內(nèi)容的課時可達16學時。在內(nèi)容講解上，可直接由麥克斯韋方程組推出亥姆霍茲及波動方程，并且可以適當?shù)脑黾訒r變電磁場理論的具體應用和發(fā)展狀況，幫著學生理解相關(guān)概念，可以提高教學質(zhì)量。[4]

二、教學手段的改革

1.簡化數(shù)學推導過程，注重結(jié)論認識

工程電磁場理論這門課概念抽象、理論性強、用到數(shù)學知識多，這是電氣學生的共同感受。主要是表現(xiàn)在對矢量分析等知識方面。教材中滿篇的點乘、叉乘、矢量符號就厭倦了，未學先懼是學生存在的普遍現(xiàn)象。那么，如果在授課過程中進行大量的數(shù)學推導，一方面學時有限，另一方面必定會加劇學生對本門課程的畏懼。所以要簡化數(shù)學推導，只要講清分析思路，將重點放在結(jié)論認識上。[5]

簡化數(shù)學推導并不是完全回避數(shù)學內(nèi)容，而是要詳略得當。一處詳講后，以此類推，只進行分析思路的講解，直接拿結(jié)論來用。例如，麥克斯韋方程組是研究一切宏觀領(lǐng)域電磁現(xiàn)象的理論來源，為此從相關(guān)的法拉第電場感應定律、高斯定理、安培環(huán)路定律、磁通連續(xù)性原理等學生已有的物理概念入手，逐步歸到麥克斯韋方程組上來，并對方程組的物理意義作詳細的講解。這部分內(nèi)容要從數(shù)學、物理兩個方面仔細講授，讓學生真正掌握麥克斯韋方程組的實質(zhì)，認識到它的重要性。

2.教學方式多樣化

傳統(tǒng)的教學方法是老師利用黑板用板書上課，但是由于工程電磁場這門課有大量的數(shù)學公式，并且有復雜的圖形也非常難畫，如果用板書畫就會浪費很多時間，學生也會失去耐心，久而久之，便失去了對這門課的興趣。所以，多媒體軟件的制作，會使枯燥的教學內(nèi)容變得生動，例如許多難以理解的抽象的電磁能量轉(zhuǎn)換過程和電磁場的分布可以顯示出來，這樣能夠加強學生對基本概念的理解。利用軟件如ANSYS或者ANSOFT進行電磁場演示，[4]可以使學生清楚的看到電力線、磁力線、等位線等的分布，這樣不僅加深印象，還有利于激發(fā)學生的學習熱情和興趣。

但是如果只是單純的使用多媒體課件進行教學，學生就會感覺反感，像放電影一樣沒有任何收獲。同樣只是單純的使用板書進行教學，課堂氣氛就會顯得格外枯燥無味。所以將多媒體課件和板書這兩種教學方式結(jié)合起來，一方面可以發(fā)揮多媒體信息量大、直觀的優(yōu)勢;另一方面可以保留板書教學邏輯嚴密的優(yōu)勢，這樣學生就會較容易的理解這門課程。

3.啟發(fā)式教學

電磁場是既看不著也摸不著的，要想掌握其規(guī)律，必然涉及認知心理學的問題，研究表明，對于難理解的知識，學生通常采用逃避的方法。所以，在授課過程中，教師既要分析學生又要分析教材所授內(nèi)容。適當?shù)奶幚韮?nèi)容的復雜程度，可以將復雜的知識點分解成各個小知識點，最后融會貫通。另外，研究還表明，中等程度的不確定性容易引起學生的注意。[6]所以，在教學的過程中要通過適當?shù)牟淮_定性來引起學生的探尋。特別在解決一些問題時，多安排不確定性，以使學生分析和解決問題。但是概念性的問題少一些不確定性，比如，閉合線圈是如何產(chǎn)生電流的？在解決問題中，老師要給與必要的引導，啟發(fā)自主思維，來理解電磁感應規(guī)律。

另外，在教學過程中可以采用實驗啟發(fā)式教學方法。比如在講解楞次定律時，可以借助實驗設備向?qū)W生介紹當條形的磁鐵插入和取出時磁場的變化而導致磁通量的變化，從而才產(chǎn)生感應電流的整個過程。通過這種教學方法，既可以激發(fā)學生的學習興趣，使課堂氣氛活躍，又可以提高教學效果。

三、理論聯(lián)系實際，提高工程實踐能力

理論聯(lián)系實際對工程電磁場這門課尤為重要。電磁場看不到、摸不著，如果只是講解理論知識，不和工程實際聯(lián)系在一起，就會使學生感到枯燥，不知道學是為了什么，影響到學生學習的積極性。所以，把理論聯(lián)系工程實際貫穿于整個教學過程中，一方面可以提高學生的學習興趣，另一方面可以提高學生的工程實踐能力。[7]例如，講解電場感應時和電動機、發(fā)電機結(jié)合在一起;講解極化時和電視天線結(jié)合在一起;講解波入射時結(jié)合光纖中的信號傳輸?shù)取＿@樣通過聯(lián)系實際，加深學生對理論的理解，提高學習的熱情和興趣。

四、結(jié)束語

工程電磁場是電氣工程及其自動化專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，根據(jù)工程教育專業(yè)認證的特點對工程電磁場課程進行了一些試探性的教育教學改革，可以激發(fā)學生的學習興趣，有效調(diào)動學習積極性，提高工程實踐能力，為電氣工程專業(yè)課程的教育教學改革進行了有益的探索和研究。

參考文獻：

[1]張慧娟，楊文榮.工程電磁場與電磁波基礎(chǔ)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010.

[2]雷銀照.電磁場[M].北京：高等教育出版社，2010.

[3]于艷等.電氣工程及其自動化專業(yè)電磁場課程教學內(nèi)容整合及教學方法研究[J].電氣電子教學學報，2008，22（4）：64-66.

[4]劉仕兵，劉子英.電氣工程專業(yè)電磁場課程教學改革探索[J].華東交通大學學報，2006，（23）：70-71.

[5]杜國宏，曹俊友.基于CDIO的電磁場與微波技術(shù)類課程教學改革探討[J].電氣電子教學學報，2009，（9）：52-54.

[6]皮連升.教學設計——心理學的理論與技術(shù)[M].北京：高等教育出版社，2001：228.

[7]倪有源，鮑曉華，張學.工程電磁場課程教學改革研究[J].課程教材，2011，（7）：73-74.

（責任編輯：劉翠枝）