“工程電磁場”課程的專題研究型教學模式

吳明贊

（南京理工大學 自動化學院，江蘇 南京 210094）

“工程電磁場”是一門重要的專業(yè)基礎課程，但在該課程的實際教學中，很多學生反映這門課難學，教師要教好這門課不容易［1，2］。本文筆者根據(jù)多年在“工程電磁場”課程的教學實踐中，探索了該課程的專題研究型教學模式以培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力。

1 專題研究型教學模式

“工程電磁場”課程專題研究型教學模式是研究型教學模式的一個類型，它在強調研究的前提下，突出以專題的形式切入課堂教學［3］。教師采用這種教學模式，培養(yǎng)學生的研究意識、研究能力和創(chuàng)新能力，通過專題教學過程，引導學生進行研究性學習，是一種讓學生掌握知識、培養(yǎng)研究能力和創(chuàng)新能力的教學活動。

專題研究型教學模式的提出和實施，打破了傳統(tǒng)課堂形式，而是在教師的指導下，充分發(fā)揮學生的主動性和積極性，進行自我知識體系的建構，相對獨立地對學科進行探索和學習，增強了學生主動學習的意識。因此，創(chuàng)設和運用研究型課堂教學模式已成為當前基礎課教學改革的一項重大課題。

2 專題研究型教學模式

2.1 問題的探究性

“工程電磁場”課程專題研究型教學模式特別強調問題在教學活動中的重要性。問題是以專題的形式呈現(xiàn)的，在一個主題下設有不同層次的小問題，一環(huán)扣一環(huán)形成問題鏈條。在探究問題時，把問題看做是教師組織教學的著眼點和貫穿整過教學過程的主線，也就是學生學習的起點和持久的動力。例如“散度與旋度”這兩個核心概念就是一個問題。散度和旋度是比較抽象的概念，學生甚至不懂為什么在電磁場學習中必須始終與之打交道［4］。針對散度與旋度這兩個核心概念作為問題，如何應用探究性專題研究型學習來解決呢？

在學習電磁場之前，學生都已學習了“工程數(shù)學”中的矢量分析與場論部分，但如何將這些基礎知識與”工程電磁場”的散度與旋度相銜接和結合？筆者認為，應該從以下五個方面入手：

（1）散度與通量（或旋度與環(huán)流）的定義，二者之間的聯(lián)系與區(qū)別，從數(shù)學角度上看，兩者均是場函數(shù)的偏微分，但從電磁場規(guī)律上看，引入兩者卻有一定的物理原因；

（2）利用類比方法，借助流體的流速場闡明通量和環(huán)量的物理意義，不能讓數(shù)學描述的復雜性影響對物理意義的理解，應將數(shù)學描述同物理意義緊密結合起來，深入領會數(shù)學方法同物理模型結合的內(nèi)在聯(lián)系，把數(shù)學上的抽象理論融入到形象生動的物理模型和概念上；

（3）只有同時考察散度和旋度，才能全面反映矢量場每一點的性質。散度和旋度是針對不同場特點采用相應數(shù)學方法進行描述的，它們能給出場源與場的關系，從而確定所研究的矢量場，所以散度與旋度是研究矢量場的主要數(shù)學工具，必須深刻理解其定義的內(nèi)涵，這樣才能對電磁場理論有深刻認識；

（4）源密度、邊界條件與場；

（5）散度（或通量）、旋度（或環(huán)量）和邊界條件一旦確定，場被唯一確定。

講清楚以上五個問題，描述和確定場的規(guī)律就清楚了。若在開篇之初講清以上問題，定會對該課程的深入學習大有裨益。

2.2 參與的能動性

專題研究型教學離不開教師的引導，更重要的是教師要在教學過程中發(fā)動學生主動參與或傳統(tǒng)觀點。例如，在靜態(tài)場部分的教學中主要做電容和互感的測量實驗，多導體的部分電容和互感是靜態(tài)場中非常重要兩個概念。要求學生在掌握部分電容和互感的特性及測量原理的基礎上，應用測試具體參數(shù)，對比測試結果與理論計算結果是否相吻合。實踐表明，實驗開發(fā)和測試可以促進學生綜合運用所學知識的能力。

2.3 前瞻的科學性

“工程電磁場”課程專題研究型教學應以問題為組織教學的起點，以專題為研究的焦點，從課前設想和問題的多樣化設計到實際操作中復雜情況的處理，以至于結論的推演，都需要前瞻性思維。邏輯思維過程的科學性，才能保證對學生研究意識、研究能力、創(chuàng)新能力和實際能力的成功培養(yǎng)。例如，如何把握“工程電磁場”課程教學中的理論規(guī)律，可以進行如下的前瞻性思維，以便進行專題設計。

1）構建“工程電磁場”課程的理論框架，用理論上的邏輯關系統(tǒng)領全部內(nèi)容。為此，可以應用方框圖總結每種場的理論建立過程。例如在靜電場中，由庫侖定律和電場的迭加原理導出真空中電場的通量定理和環(huán)量定理，在研究了電介質的特性之后引入電位移矢量，從而導出靜電場基本方程；在恒定磁場中則從安培定律和磁場的迭加原理出發(fā)，導出了真空中磁場的通量定理和環(huán)量定理，在研究了磁介質的特性之后引入磁場強度矢量，繼而得出恒定磁場基本方程。由此可見，兩種場的理論框架極其相似，這正是電與磁的相對性和統(tǒng)一性的體現(xiàn)。

2）將描述和確定場的規(guī)律應用于“工程電磁場”課程教學中，就得到了表征不同場特性的基本方程。例如，由于靜態(tài)場是一種特殊的動態(tài)場，可以推及一般。當用方框圖把電磁感應現(xiàn)象引入靜電場，把位移電流假說引入恒定磁場，就得到了電場普遍規(guī)律和磁場的普遍規(guī)律。值得注意的是，此時電與磁從形式上也實現(xiàn)了統(tǒng)一，成為不可分割的整體。因此能夠進行更概括的綜合，這就是電磁理論的核心—麥克斯韋方程組。這樣分析綜合”工程電磁場”中靜態(tài)場的理論規(guī)律，具有重點突出、脈絡清楚和總攬全局的作用。

3）如果描述兩種物理現(xiàn)象的方程具有相同的數(shù)學形式，并具有對應的邊界條件，那么它們解的數(shù)學形式也將是相同的，這就是比擬方法。在“工程電磁場”課程教學中，電現(xiàn)象與磁現(xiàn)象在宏觀上有很好的相似性，研究方法上也十分相似。恒定電流場和恒定磁場等章節(jié)可以與靜電場這一章進行比擬教學。例如電偶極子和磁偶極子輻射的對偶關系，某些波導中TE波和TM波間的類比關系等，它們都是基于麥克斯韋方程普遍式中電場和磁場場量間的類比關系得到的。這類知識在掌握了電現(xiàn)象的基礎上，利用電磁比擬關系，很容易理解磁現(xiàn)象。

2.4 師生的深層互動性

“工程電磁場”課程專題研究型教學特別強調師生課內(nèi)課外及課前課后的互動性。例如，法拉第電磁感應定律是聯(lián)系電場與磁場的樞紐，可是這一節(jié)課的講解原本比較枯燥，如果教師圍繞講課主體適時地展開知識聯(lián)想和新舊知識融合，聯(lián)系一個公式ε＝ －dφ／dt展開互動，將涉及到的兩個學過的概念，即磁通和電動勢，讓學生從已學知識中找到法拉第定律新知識的真諦。

2.5 教學方法的創(chuàng)新

教師在“工程電磁場”課程教學方面應當確保專題的導向作用，能從宏觀的視角和微觀的內(nèi)容方面給予學生明確的指導。

我們會對某些例題采用一題多解。例如，計算電容器的電容七種解法，我們可通過分析比較找出這七種解法的異同，便于學生掌握和記憶；在講解線電荷和線電流產(chǎn)生的場時，注意到它們的相同之處是：場強的大小是與場源成正比，與距離成反比的，且都滿足疊加原理。其相異之處是方向不同：前者是沿著徑向，而后者是沿著角向等。

一種打破常規(guī)的逆向思維式教學值得推廣。例如，在介紹位移電流概念時并非直接給出定義，而是通過分析在麥克斯韋方程建立過程中，電流連續(xù)性方程與安培環(huán)路定理之間的矛盾，利用對電流連續(xù)性方程的變換處理，來建立二者之間的統(tǒng)一性，從而通過將電流連續(xù)性方程與安培環(huán)路定理融合成為全電流定律，引出了位移電流的概念。這種教學方式既能夠靈活安排授課內(nèi)容，又能夠促使學生建立多維化的思維方式，提高解決問題的應變能力等。

3 結語

研究型大學關注創(chuàng)新教育，創(chuàng)新教育是全面素質教育的具體化和深入化，其實質是培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神、創(chuàng)新能力和創(chuàng)新人格，并能作為基本的價值取向。電磁場理論中存在許多探索性、基礎性甚至哲學性的問題，是創(chuàng)新型教育的絕好典范。因此，在研究型大學中實施”工程電磁場”課程的研究型教學模式是具有重要意義的。

［1］曹斌照，許福永，梅中磊等.關于“電磁場理論”課程建設的探索與實踐［J］.蘭州：高等理科教育，2007，（5）：43－45

［2］吳明贊.”工程電磁場”課程研究式教學的實踐［J］.南京：電氣電子教學報，2008，30（4）：65－68

［3］全華凌，劉國英.大學文學課專題研究型教學模式的構建［J］.長沙：當代教育論壇，2010，（6）：74－76

［4］周喜權.散度與旋度在電磁場教學中的核心作用［J］.北京：中國科技財富，2008，（10）：184

［5］潘 錦.電磁場教學中的挑戰(zhàn)與新實驗建設［J］.南京：電氣電子教學學報，2008，30（5）：54－55

［6］邵小桃，李一玫.靜態(tài)場部分電容和互感的測量［J］.南京：電氣電子教學學報，2009，31（2）：83－85

［7］劉金壽，仲海洋，張建秋.電磁場理論教學中的知識聯(lián)想與意識流［J］.大連：大連大學學報，2004，25（6）：44－46

［8］胡偉東，陳重，呂昕.電磁場理論的精品教學與實踐［C］.廈門：電子高等教育學會2008年學術年會論文集，96－99