“工程電磁場”教學改革初探

李景麗+程子霞

[摘 要]“工程電磁場”是電氣工程專業學生應掌握的重要專業基礎課程。針對課程特點以及目前教學過程中存在的問題，在教學內容上提出應增加工程應用背景內容，適當刪減靜電場部分內容，增加時變電磁場理論及其應用內容；在教學方法上提出應以工程實際問題為基礎，課堂板書結合多媒體教學，并輔以軟件仿真教學的多樣化教學模式，提高學生自主學習意識，提升“工程電磁場”課程教學質量。

[關鍵詞]工程電磁場原理；工程應用背景；教學方式多樣化

[中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2016）07-0097-02

“工程電磁場”課程以分析各類電磁現象的基本規律和應用原理與方法為核心內容，是培養合格的電氣信息類專業本科生所應具備的知識結構的必要組成部分。[1]但是“工程電磁場”課程一直被認為是難教、難學的兩難課程，究其原因主要集中在以下幾個方面。一是課程要求學生具有堅實的矢量分析、微積分等基礎知識；二是電磁場是人類無法直觀感知的特殊形態物質，要求學生在學習和應用過程中要有較強的抽象思維和邏輯推理能力；三是經典理論內容與課時安排之間的矛盾導致目前教學方式主要以理論教學為主，缺乏經典且深入的工程實例輔助教學，導致學生學習該門課程的主動性欠缺。[2]針對以上問題本文從該課程特點出發，提出從教學內容調整、教學手段多樣化等方面激發學生興趣，提升“工程電磁場”教學效果。

一、教學內容調整

“工程電磁場”課程的前接課程為“大學物理”，與“大學物理”中的電磁學部分相比，“工程電磁場”更加重視以麥克斯韋方程為基礎的宏觀理論體系、工程中電磁問題的數學描述——邊值問題及其求解方法、電磁能量和電磁力以及電磁場與電路之間的聯系等，而大學物理中的電磁學部分內容更突出物理現象的實驗描述及其機理的微觀闡釋，兩者在電磁場麥克斯韋方程部分存在重疊。同時工程電磁場又與電類相關的工程實際聯系緊密，就電氣工程專業來講，其后續課程“電路”、“電機學”、“電力系統暫態分析”、“高電壓技術”等核心課程的基礎理論及其應用分析均基于電磁場基本原理進行。因此建議在學生已有大學物理基礎知識的背景下，對“工程電磁場”課程內容進行如下安排。

（一）適當減少靜電場內容

“工程電磁場”在教學安排上遵循先靜電場后時變場的思路，且靜電場所占比例較大，但這部分內容中基本物理量、基本性質、導體和電介質、電容等內容學生在大學物理中有所接觸，因此重點講授靜電場的邊值問題及其解的物理意義。

（二）加強時變電磁場理論和應用部分內容

“大學物理”對時變電磁場部分內容僅限于電磁感應現象和結論，而時變電磁場特別是其中的時諧電磁場在電氣工程、自動化等專業中有著廣泛的應用背景，應是此門課程的教學重點，可適當增加授課學時；在內容講解上可適當增加時變電磁場理論的具體應用和發展現狀，有助于學生理解相關概念，提升學生積極性，提高教學質量。

（三）增加工程應用背景內容

“工程電磁場”這門課程有著廣泛的工程應用背景，尤其在工程實踐、科學研究以及日常生活中。[3]對電磁現象應用背景的介紹可以提升學生學習興趣。比如結合所學內容可以討論為什么封閉的接地金屬導體可以屏蔽手機及其他電磁信號，微波爐為什么不能加熱金屬，變電站或輸電線對附近居民身體的影響等問題，使學生深刻意識到本課程的工程應用性，而提高學習積極主動性。

在具體教學過程中根據“工程電磁場”以麥克斯韋方程為核心，靜態場均為其在不同條件下的特例的特點，教學中應了解電磁場知識的總體結構，如表1所示，應突出靜電場這一基本內容和時變電磁場這一核心內容，學會對比總結，方便理解和記憶。在課程的教學過程中應適當講述散度和旋度、通量和環量的數學概念，從流體力學中流速場出發，形象化地重點闡明此概念的物理意義。因為“工程電磁場”中所涉及的四種場的基本性質都是以此概念為基礎展開的。

二、教學方法

（一）課堂以問題為基礎教學方法

“工程電磁場”這門課程在電類專業中有著廣泛的應用背景，在教學中過程中可采用基于問題的教學方法。首先根據教學內容提出與工程實踐和實際生活緊密相關的問題；針對問題引導學生思考將問題切分，并逐一介紹與子問題相關的基本理論知識；在知識匯總的同時由子問題解決方案逐步推導出所提問題的各種可能方案，并結合工程實踐數據或結論驗證提出解決方案的正確性；最后匯總與此問題相關知識體系，并擴展介紹在工程實際中的同類問題。這一過程中的難點是如何篩選具有一定理論深度并能夠吸引學生的問題，從論題中逐步展開切分成一系列與基礎知識體系對應的子問題，激發學生探究與子問題對應的教學內容，產生學習動機。[4]比如靜電場學習中可提出：雷雨天氣里的閃電是如何產生的？接閃器如何吸引雷電并如何釋放巨大的雷電能量？學習恒定電場中電流場部分內容時，可引入雷擊高壓輸電線路桿塔，雷電流在土壤中泄流導致桿塔附近魚塘中的魚大量死亡的新聞。時變電磁場內容的學習中可形象直觀地給出發電機、電動機、變壓器等時變電磁場理論的經典應用實例。通過諸如此類與工程實際、日常生活緊密結合的問題，不但可以引導學生學習工程電磁場的經典理論知識體系，并且培養學生遇到問題勤于思考，并能科學地借助相關理論分析問題，解決問題的能力。

（二）多種教學方式相結合

工程電磁場知識體系的學習需要學生具有的優秀的邏輯推導能力和抽象思維能力。教師在常規基礎內容的PPT展示基礎上，對部分重點數學推導知識進行板書推導，并對于不易理解的電磁場空間分布及時變特性進行動畫及圖形展示，如典型輸電線路、電力設備的電場強度、電場線、電位分布圖等，使學生在抽象理論知識的數學推導中對其對應的電磁場這種特殊形態物質有一個定量的形象化認識；對于時變電磁場相關知識內容，可制作精美的電磁場演示動畫，例如電磁波在空氣中傳播特性、電介質在時變電場中的動態極化特性等動畫視頻，可直觀反映電磁波傳播特點，有助于學生對抽象的基本概念的理解。

（三）數值計算軟件仿真教學

隨著計算機技術的迅猛發展和電磁場數值計算理論的逐漸成熟，實際工程中的電磁場問題均可以通過相應的軟件建模求解。電磁場數值計算軟件眾多，如：ANSYS、COMSOL、ANSOFT、HAFF等，且此類商業軟件只需學生掌握基本理論知識，通過制作簡單幾何圖形，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程即可計算工程實際問題，結合相應的后處理即可得到直觀形象的電磁場結果。這種充分利用最新科技成果的形象化教學可以培養學生的學習興趣，使教學內容更加豐富充實，并得到理想的教學效果。

（四）作業模式的多樣化改革

課后作業是鞏固課堂知識，提升綜合應用能力，反饋學習效果并據此改進課堂授課模式的重要方式。目前，課后作業大多為課后習題，存在理論性強、難度大、與工程實際聯系不緊密等特點。部分學生由于沒有興趣或不能獨立完成，而選擇抄襲，然后向老師交差完事，并沒有起到作業應有的效果。[4]因此為提升教學效果，完善整體教學過程，應對作業的內容、形式及考核方法進行改革。

減少課后習題的布置量，增加課程報告環節，即根據其基礎知識內容對應設置多個工程應用課題，由學生分組自由選擇并協作完成。設計的工程課題主要應包括以下幾種類型：1.應用分析型，要求利用所學的電磁場知識計算分析簡單電力、電子、通訊設備產生電磁場。2.編程驗證型，要求通過C++、MATLAB等計算機語言編程實現簡單電磁場問題的數值計算，并與經典理論對比驗證。3.數值計算類，要求對實際工程中典型電磁場問題采用ANSYS、COMSOL等軟件建立模型，求解，并進行簡單分析。作業以報告論文為主課堂宣講討論為輔的形式提交，報告中應闡明解析計算、數值計算所用到的公式、原理，展示程序設計流程圖及代碼、數值計算模型，列寫詳細的分析和驗證過程及計算結果演示等內容。

三、總結

“工程電磁場”是電類專業的專業基礎課程，又是眾多相關交叉學科和新興邊緣學科發展的基礎，而該課程在目前的教學過程中呈現“教”、“學”兩難的狀態，如何提高該課程的教學效果值得探索和實踐。本文針對該課程教學中的問題及其專業基礎課的特點，在“工程電磁場”教學內容和教學方式方面初步改進措施，旨在培養學生抽象思維能力和邏輯推導能力，建立由問題出發、探尋基礎理論、不斷實踐的科學學習方法，提高電磁場教學效果。

[ 注 釋 ]

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

[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（5）：8-11.

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

[4] 朱安福.“電磁場與電磁波”課程教學實踐與探討[J].中國電力教育，2013（26）：45-46.

[責任編輯：鐘 嵐]