《電磁場》課程教學方法改革研究

付鈺偉，陳馳，王建華

（西安理工大學 電氣工程學院，陜西 西安）

一 引言

電氣工程及其自動化專業旨在培養具有解決電氣工程技術分析與控制問題基本能力的高級工程技術人才[1]，其專業核心基礎課包括《電磁場》《電機學》等。其中，《電磁場》是學習《電力系統分析》《高電壓技術》等專業課程的重要基礎，該課程從靜電場和恒定磁場的基本規律出發，介紹了時變電磁場的相關性質和特點，討論了電磁波的傳輸行為，內容理論性強、概念抽象，兼具應用性和實踐性，具有較大難度。學生通常無法將理論知識和實際電磁模型聯系起來，不利于后續深入學習相關專業課程[2]。因此，改善《電磁場》教學效果、調動學生主觀能動性，對于提高電氣工程專業人才培養質量具有重要意義[3]。

在互聯網飛速發展的背景下，網絡教學相較于傳統課堂更具趣味性，充足的網絡資源還可以幫助學生直觀理解電磁場中抽象的梯度、旋度、散度等理論概念，培養學生對電磁場的學習興趣。同時，線下教學手段作為輔助手段，增加教師和學生互動性，助力學生實現理論知識和實踐操作的密切結合，大幅度提高教學效果。

二 《電磁場》教學現狀及問題

《電磁場》理論性較強、概念抽象、公式瑣碎，要求學生具有扎實的高等數學知識基礎和較好的空間想象力、抽象思維能力和邏輯推理能力，具有極大的教學和學習難度。一方面，由于課本上缺少對理論知識的嚴謹推導，不利于學生理解掌握，而課時、PPT、板書等因素的限制使得教師無法充分擴展知識面或引導學生深入學習，學生的數學基礎也比較薄弱，導致學生只能機械式記憶公式卻無法靈活分析問題；另一方面，由于教學資源有限、教學手段落后，部分學生難以將課本中的抽象概念與實際應用聯系起來，無法跟上課堂節奏，最終失去學習興趣[4-5]。

因此，本文對《電磁場》教學方法進行了改革研究，充分利用網絡教學平臺輔助學生進行空間想象和邏輯思考，避免機械式記憶結論，結合線下教學手段提高學生課堂參與實際模型分析的積極性，改善教學效果[6]。

三 《電磁場》教改方案與實施

《電磁場》課程具有嚴密的邏輯組織結構，而傳統教學基于課本理論和公式，限制了學生的空間想象和對實際應用的理解。下面舉例說明基于網絡教學平臺的《電磁場》教改方案與實施。

（一） 網絡資源與線下教學結合，使抽象概念具體化

例如，《電磁場》課程要求學生掌握三種坐標系（正交坐標系、圓柱坐標系和球坐標系）下標量場的梯度和方向向量、矢量場的基本性質（通量和散度、環量和旋度）。如果教師只在傳統課堂上進行公式推導或者畫出簡易圖形，缺少直觀動畫展示，則會降低學生對知識的接受度，使得學習僅停留在記憶公式層面，無法推進知識擴展和深入學習。為解決上述問題，本文根據實際教學內容，首先利用合適的網絡教學資源，將抽象概念具體化、實際化、動態化。例如，向學生展示了某個矢量場的散度場和旋度場的三維空間分布特點和動態變化特性，使得學生直觀理解散度場和旋度場的正交關系；展示了通量和散度、環量和旋度之間的動態關系，使得學生充分掌握各個矢量場的物理意義。其次，采用線下教學手段引出工程實際中的電磁場模型，引導學生深入思考、大膽創新和主動學習，在分析模型的過程中采用嚴格的數學理論幫助學生定量理解各種抽象物理量的計算方法，解決理論知識和工程實際嚴重脫節的問題，提高學生主動學習的積極性。

例如，《電磁場》課程要求學生熟練掌握點電荷、線電荷、面電荷的電場計算方法，以及線電流、面電流、體電流的磁場計算方法。教師在講授相關知識的時候一般通過簡易圖形向學生展示不同的電荷、電流分布情況，難以與實際情況進行結合，使得學生無法理解線電荷、面電荷、面電流、體電流等概念之間的區別與聯系，更難以在實際計算中選擇合適的積分方法，給學習帶來了很大困難。為了解決上述問題，本文根據實際教學內容，首先利用合適的網絡教學資源，向學生展示了不同的電荷/電流分布特點及其動態特性，使得學生對抽象概念產生直觀印象；同時，將抽象概念與工程實際結合起來，講述區分線電荷、面電荷、面電流、體電流的根本原因，加深學生理解。其次，采用線下教學手段帶領學生對實際工程問題進行分析，同時注意選題的趣味性，引導學生采用合適的積分方法計算電場/磁場，激發學生主觀能動性。

例如，《電磁場》課程要求學生理解介質的極化和媒質的磁化。教師在講授相關知識的時候一般通過簡易圖形向學生展示介質極化和媒質磁化的基本過程，難以與實際情況進行結合，使得學生無法區分兩者之間的關系，難以理解極化或磁化具體過程，更難以深入理解介質中的電場方程和媒質中的磁場方程，只能對公式死記硬背，給學習帶來了很大困難。為了解決上述問題，本文根據實際教學內容，首先利用合適的網絡教學資源，向學生生動展示了介質極化和媒質磁化的基本過程，使得學生對抽象概念產生直觀印象；同時，將抽象概念與工程實際結合起來，講述介質極化和媒質磁化在電力系統中的具體應用，加深學生理解。其次，采用線下教學手段帶領學生對實際工程問題進行分析，同時注意選題的趣味性，引導學生采用合適的電場或磁場基本方程，激發學生主觀能動性。

例如，《電磁場》課程要求學生掌握電磁波在雙導體傳輸線上的傳播特性，該部分內容與時變電磁場理論知識聯系緊密。傳統教學通常將核心公式直接傳授給學生，缺少理論解釋，導致部分學生雖然通過列舉公式可以進行計算，但是難以深入分析結論背后的物理意義和工程指導價值。為解決上述問題，本文首先利用合適的網絡教學資源向學生直觀展示了雙導體傳輸線上電磁波的電場和磁場分布特性、入射波和反射波的疊加特性，觀察傳輸線長度、介質材料等條件改變后對電磁波傳輸特性的影響，引導學生理解表征傳輸線工作狀態的關鍵參量及其對工程實際的影響。其次，采用線下教學手段推導電磁波動方程在給定條件下的解并結合網絡資源進行定量分析，加強學生對電磁波在雙導體傳輸線上的傳播特性的理解和掌握。

（二） 網絡資源與線下教學互補，使理論知識實際化

例如，《電磁場》課程以架空輸電線路下方電場計算問題為例，介紹了平面鏡像法，進一步介紹了球面鏡像法、介質鏡像法和電軸法。平面鏡像法是最簡單的鏡像法之一，由于實際案例較為簡單，學生很容易掌握鏡像電荷大小、個數以及位置的設置。而對于球面鏡像法、介質鏡像法和電軸法，教材中極少將其與工程實際問題結合，使得學生難以掌握復雜情況下鏡像電荷的設置規律，只能機械式記憶電荷大小與位置的關系。為解決上述問題，本文首先利用合適的網絡教學資源展示實際應用案例，強調球面鏡像法、介質鏡像法和電軸法的應用背景和實際案例，再將鏡像法總結為照鏡子，給出鏡像電荷設置技巧和依據，幫助學生掌握分析相關問題的思路和方法，鼓勵學生針對某一實際案例進行分析、討論、計算和驗證。

例如，《電磁場》課程介紹了時變電磁場方程組的一個應用實例——諧振腔，在微波頻率段中廣泛應用于波長計、濾波器等器件。《電磁場》課本以時變電磁場方程組為基礎，通過大量復雜的三角變換和公式推導獲得電磁波的解。傳統教學主要集中在公式推導，使得課堂內容更加深奧枯燥，不利于學生把握理論知識和實際應用之間的關系。為解決上述問題，本文首先利用合適的網絡教學資源展示實際應用案例，強調高頻電磁振蕩問題的重要性，再提出激發高頻電磁振動的基本思路和理論知識，將學生的注意力轉移到電磁場上。其次，在線下教學中鼓勵學生積極探索解決該問題的方案，與學生一起討論、驗證方案的可行性，針對其中的典型方案進行具體分析，通過讓學生自己動手解決問題來增強課堂趣味性，激發學生學習興趣。

例如，《電磁場》課程以單元偶極子為基礎說明了電磁輻射，進一步介紹了細線天線和天線陣等具體應用實例，但是由于天線結構復雜，涉及多維電磁場耦合，因此課本僅對二元陣電場平面圖進行簡單示意，傳統教學中也僅僅對課本結論進行簡單介紹，缺少深入分析，使得學生難以將天線工作原理與電磁場理論相結合。為解決上述問題，本文首先利用合適的網絡教學資源說明天線廣泛應用于通信、廣播、雷達等領域，再深入展示天線周圍輻射區域內電力線及磁力線的立體分布，說明天線如何對飛機、信號、生物等造成干擾，定性分析不同形狀天線對輻射場的影響，最后結合線下教學對具體影響規律進行定量計算，推導輻射場的計算公式。

四 《電磁場》教學效果及存在問題

在利用網絡教學平臺進行展示的階段，學生可以反復觀看教學內容，充分把握課堂知識點，加強對理論知識的理解，提高空間思考能力和邏輯推理能力，激發學習興趣；在線下教學階段，大部分學生能夠積極思考、大膽創新，從而提高了分析問題、解決問題的能力。兩種教學方式優勢互補，極大地提高了教學質量，顯著調動了學生主觀能動性。通過對比往年的學生平時作業和期末成績，改革后的《電磁場》課程通過率為95%，相比改革前提高了30%，因此改革后的《電磁場》課程具有更好的教學效果，卷面分析顯示大部分學生對《電磁場》知識的把握不僅是背誦公式，而是能夠準確完整地分析問題、建立模型、求解結果，達到了該課程的培養目標。

但是采用該教學方法時應注意以下問題：

（1）篩選合適的網絡教學資源。網絡上教學資源泛濫、質量參差不齊、難易程度不等，與教材、培養目標、課程重點等不一定完全匹配。如何根據教學目標、趣味性、資源質量和學生接受程度，篩選合適的網絡教學資源，是教師應當注意的首要問題。教師需要長期對大量的網絡資源進行深入跟蹤學習，取長補短，根據課程需求對網絡資源進行整合篩選，甚至要對部分資源進行重新編輯[7-8]。

（2）調動學生參與網絡學習的積極性。在利用網絡教學平臺進行展示的階段，少部分學生會因為無教師監管而放松自我管理。例如，部分學生反映在觀看網絡資源時，很難不被網絡彈出的廣告、信息等吸引，從而降低學習效率。因此，如何強調網絡資源學習的重要性并集中學生注意力，是教師應當注意的問題。教師在選擇網絡資源時可以將重點放在更加生動活潑、具有趣味性的資源上，在條件允許的情況下，還可以采用綠色健康網絡平臺播放資源，同時強調網絡資源學習的必要性和重要性，盡可能杜絕外界不利因素對學生產生干擾。

（3）合理配置網絡資源和線下教學。在教學過程中，網絡資源教學和線下教學的主次關系可以根據教學目標和學生的接受程度來合理配置。例如，利用網絡資源重點解決抽象概念難以理解的問題，結合線下教學對實際工程問題開展建模、分析和計算，兩種教學手段可以按照1：1時間比例進行配置[9-10]。

（4） 夯實數學和物理基礎。學生在學習《電磁場》課程時發現，大多數問題可以利用電磁場理論進行分析，但是積分算式難以列出，對于涉及矢量的面積分問題更是不知如何計算，反映出學生數學和物理基礎薄弱，給《電磁場》學習帶來極大困難。因此，教師還要注重數學知識的回顧，例如在求解例題時將每一個計算步驟解釋清楚，或者全面總結電磁場常用的數學公式等。

五 結語

《電磁場》課程是電氣工程及其自動化專業的核心基礎課，本文針對該課程的教學內容特點和存在問題，結合網絡教學平臺和線下教學手段，介紹了該課程教改具體實施方案，對教學效果進行了分析討論，同時指出采用該教學方法時應注意的問題以及解決方法，為提高《電磁場》教學質量、激發學生學習的主觀能動性提供參考。