以學生為中心的“電磁場”教學方法探討

李婕　鞏朋成　賀章擎

摘要：“電磁場”歷來被認為難教和難學的課程，本文從建立立體化教材的角度出發，探討本課程與先修課程和后續課程的聯系，激發學生的歸納總結能力，以增加學生參與課堂的積極性，達到提高教學效果的目的。

關鍵詞：電磁場；以學生為主；教學方法

中圖分類號：G642.4 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）21-0212-02

一、引言

“電磁場”是電子/通信/電氣工程專業的一門必修專業基礎課程。設置本課程的目的是讓學生從整體上掌握電磁場的基本理論和基本分析方法，了解電磁場的理論在電氣信息類的應用，是通往后續專業課的橋梁，也是電類學生進行科技創新的理論基石。但“電磁場”課程理論強、公式多，要求學生具有較強的空間想象力、抽象思維能力和邏輯推理能力，歷來被電類專業的學生認為是“天書”，導致還未開課就已經產生了懼怕情緒。近年來，我國高校綜合素質教育要求的不斷提高，專業基礎課程普遍存在學時壓縮的情況，隨之出現了“電磁場”教學內容多而課時數少的矛盾。對教師來講，如何在短學時里使教學內容要點清晰、能突出復雜工程問題中的理論基礎，如何在短學時內的理論教學過程中，激發學生的主動學習和動手能力極其關鍵。

二、建立立體化教材

面對學時壓縮的壓力，課時量和教學內容的矛盾是首先要解決的矛盾，而教材的選取顯得尤為重要。在教材的選取過程中，“電磁場”課程組在研讀經典的電磁場理論方面的教材《電磁場與電磁波》（謝處方/饒克謹著）[1]、《工程電磁場導論》（馮慈璋/馬西奎著）[2]、《工程電磁場（英文版）》（Hayt，W.H著）[3]的基礎上，充分結合本校電類專業的特點，對“電磁場”課程的教材資源進行整合，配合武漢大學出版了《工程電磁場（第一版），2007》。隨后，又出版了《工程電磁場（第二版），2011》[3]，此教材以充分結合工程應用為主，教材結構安排和知識點闡述清晰簡潔便于學生自學，教材中重點內容設置完整，與授課學時匹配。隨后課程組提供了的《工程電磁場》立體化教材，包括光盤、課程網站等，列出每節課的教學重點和難點并根據教學內容設計相應的教學方法，提供教學大綱及授課教案、指導教材及電子課件、疑難解答、主講教師的授課錄像等。近兩年，在立體化教材基礎上，著重進行“電磁場”資料庫的建設，包括電磁場的發展歷史、對電磁學發展有突出貢獻的人物傳記（例如：《麥克斯韋：改變一切的人》、法拉第（科學家傳記）等）、當前的電磁學的研究熱點期刊/著作/視頻、利用電磁學理論的手工制作（例如：萊頓瓶、電磁炮、特斯拉線圈等），擬建成一個以學生為中心，豐富多彩的教學資源為基礎的開放型網絡資源共享平臺。

三、以學生為主的教學方法的探討

（一）第一堂課的重要性

文獻[4]中提到“每門功課都應該這樣開始。使它能引起學生的真正愛好，向他們證明它是如何美好、有用、快意、是如何需要”，第一堂課的重要性不言而喻。在“電磁場”的教學中我們從以下幾個方面，以激發學生的學習興趣為目的開展第一堂課：

1.從大家熟知的生活用品，到國防領域，到各種炫酷的高科技產品或體驗，讓學生切身感受到電磁場理論在生活中的無處不在。

2.拿出初高中乃至小學就涉及到的簡單的電磁學實驗，讓大家各抒己見談談對電磁學的認識以及對生活中的其他電磁現象進行舉例，讓學生對這門課感到熟悉。

3.提出問題，讓學生總結一些這些基本的實驗與之前生活中的各種應用之間到底具有怎樣的相同點？是什么樣的東西存在，使得所有的這些看似不掛鉤的應用卻具有相同的本質？

4.給出解釋，現象與理論之間是靠建立物理模型建立起聯系。而如何將這些應用轉變為物理模型便是本課程的主要研究的內容。隨后引出學習電磁場理論所需要的數學基礎（場論，適量分析）以及學習方法（類比法，舉例法等），最后列出本課程的總體框架圖（場和源的關系，時變與時不變的聯系）。

（二）強調本課程與其他課程的聯系

“電磁場”與“數學”的聯系。“電磁場”之所以難學，很大程度上是因為數學占了很大的比例。例如在講解矢量場的散度和旋度時，如果只講數學概念，學生會覺得很枯燥。若將這些數學概念有機地與物理模型相結合，例如在講解散度時提出散度是描述一個場中的實驗電荷是否會受到源電荷對它的排斥或吸引作用，而旋度則是描述實驗電荷是否會圍繞源進行的旋轉運動，深挖數學和“電磁場”概念之間內在邏輯關系，使之從繁雜的數學公式中明確主要的物理概念。

“電磁場”與“電路”的聯系。“電磁場”是研究微觀電荷的作用。“電路”則強調路中電流、電壓，是一種宏觀的描述。雖然表現形式不同，實質上相互補充相互聯系。例如在講解恒定電場中，從兩個基本方程可以推導出電路中的基爾霍夫電壓定律和基爾霍夫電流定律。而時變場中的坡印廷定理，很好的解釋了電路中的能量傳輸問題。

（三）激發學生總結歸納的能力

大學前的教育，學生習慣于被動的接收知識，這就導致學生缺乏總結歸納的能力，而這種總結歸納能力恰巧能體現學生對知識點的掌握情況。而電磁場課程概念、公式多，如果學生能理解課程中的知識脈絡結構和知識點之間的因果關系，對于后續概念的吸收以及公式的推導會起到有事半功倍的效果。在本課程的教學過程，應該有意的激發大家的這種歸納總結的能力。例如，在第一堂課最后，對整個電磁場的理論用一個框架進行描述，如圖1所示，圖中通過用直線和虛線代表時不變和時變，用箭頭表示相互之間的生成關系。在后續每章的教學過程中，為了加強有關知識點之間的相互聯系，也可以充分利用框圖來表示知識之間的銜接關系，如圖2所示的第一章靜電場的框架圖，清晰的列出了本章知識點之間的銜接關系，體現了教學過程中從理論到工程實踐的過渡。由于場分析的相似性，在后續的幾章中鼓勵學生自己畫出類似的框圖，對所學習的知識點進行歸納整理。

四、結束語

本文以“電磁場”立體化教材為基礎，探討了“電磁場”理論與先修和后續課程的聯系。在具體的教學方法中，引導和鼓勵學生自己進行知識總結，目的在于激發學生主動學習性。但電磁場理論博大精深，我們還需不斷努力以實現培養創新人才的艱巨任務。

參考文獻：

[1]謝處方，饒克謹.電磁場與電磁波[M].北京：高等教育出版社，2006.

[2]馮慈璋，馬西奎.工程電磁場導論[M].北京：高等教育出版社，2000.

[3]William H. Hayt.工程電磁場（英文版）[M].北京：清華大學出版社，2014.

[4]楊憲章.工程電磁場（第二版）[M].北京：中國電力出版社，2011.

[5]李如密.教學藝術論[M].山東：山東教育出版社，2000.