《工程電磁場》課程體系的優化

摘要：依據《工程電磁場》課程在電氣工程及其自動化專業中的地位，分析了該課程目前的應用教材知識體系，結合蘭州交通大學電氣工程及其自動化專業的培養計劃及教學學時數的壓縮的實際情況，明確了課程教學內容體系的優化是提高教學質量的關鍵，提出了《工程電磁場》課程教學內容體系優化的若干問題，并對該課程教學內容安排、教學方法等環節進行拓展。

關鍵詞：工程電磁場；教學內容；教學方法；課程體系

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2012）12-0139-02

《工程電磁場》是電氣工程專業的重要專業基礎課程之一。它所涉及的內容是電氣工程專業學生應具備的知識結構的必要組成部分，同時又是一些交叉領域的學科增長點和新型邊緣科學發展的基礎[1]。它既有自己的理論體系又有很強的工程實踐性。在《工程電磁場》課程的各教學環節中，理論教學是基礎，對學生學習課程的知識起著關鍵性的作用。而理論教學又是以課堂教學為主的形式，課堂教學應是師生共創的活動。但是，該課程概念普遍抽象枯燥、運用數學工具多、理論分析推導繁瑣等特點，影響了學生學習所需的認知能力、創新能力的培養，影響了學習該課程的熱情和興趣。所以，如何優化該課程內容以及如何提高課堂教學質量就顯得非常迫切和必要。特別是如何在各校調整專業培養計劃，壓縮技術基礎課教學時數的背景下（我校該課程壓縮為32學時）提高教學質量，是亟待解決的教學改革問題。

一、教學過程最優化體系

“教學過程最優化”理論創立者前蘇聯著名教育理論家巴班斯基曾指出：“教學過程的最優化，就是指通過選擇一種適合教育過程具體情況的教學方法，使教師和學生在花費最少的必要時間和精力的情況下，獲得最好的效果”，同時強調最優化是在符合教學規律和教學原則的基礎上，教師有意識有科學根據的教學方案的選擇，其優化體系包括：教學內容的優化體系；課堂目標的優化體系；課堂教學方法的優化體系；教學手段的優化體系；學生課程反饋優化與矯正的體系。

二、教學目標與要求

《工程電磁場》教學在普通物理電磁學的基礎上，使學生通過系統的電磁理論的學習，能夠達到以下的學習目標：進一步熟悉宏觀電磁場的基本性質和基本規律；對電氣工程中的電磁現象和電磁過程，能用場的觀點進行初步分析；對一些簡單的問題能進行計算；為學習專業或進一步研究電氣設備電磁場問題，準備必要的理論基礎。教學以靜電場、恒流電場和恒定磁場原理為主，結合電磁輻射、電磁污染、電磁兼容、渦流效應等工程技術問題分析，通過課堂教學、實驗和虛擬實驗教學、習題練習和考試等環節完成整個教學過程。電氣工程的電磁場課程研究的是各種電氣設備內部電磁場，學習的是工程電磁場的本質。掌握電磁場的產生機理、電磁場的邊界條件是學生把握電磁場物理本質的重點。傳統的電磁場教學要求在深刻理解重要的物理量電場強度和電位移、電位、電流密度、磁感應強度和磁場強度、矢量磁位、動態位的基礎上建立電磁場的重要性質與規律——積分形式和微分形式的電磁場方程組，并解釋電磁場的性質和規律。應用高斯通量定理、安培環路定理的積分形式計算對稱的簡單場，培養學生在分析電磁場問題中能正確尋找并應用邊界條件的能力。讓學生能夠理解電磁場能量的分布及傳輸，掌握通過能量關系計算電場力、磁場力的方法，了解電路參數的計算原則，掌握平面電磁波在電介質及導電媒質中傳播的基本規律[2，3]。

三、《工程電磁場》教學內容體系

傳統《工程電磁場》教學內容體系包括靜電場、恒定電場、恒定磁場、時變電磁場、準靜態電磁場等。《工程電磁場》的主要教學內容中存在兩大體系：一種是先靜態場后時變場的教材體系。這種傳統體系起點較低，學生比較容易接受，但與物理學中電磁學部分重復較多，學生會感到厭煩。同時從這些基本定律出發逐一推演靜態場的特性必然費時很多，導致時變場被壓縮。另一種是先時變場后靜態場并以時變場為主的教材體系。這種體系雖然壓縮了靜態場，充實了時變場的內容，但起點高，學生不易接受。無論選用哪種體系的教材，對教師來說，至關重要的是如何組織教學、整合與表達教材內容。特別是近幾年來，隨著我國高校綜合素質教育要求的不斷提高，專業基礎課、專業課普遍存在壓縮課時的總趨勢。因此，在較短的課時中要講清要點，精簡多練，突出教學內容的工程性，教學組織就顯得尤為關鍵[4]。

四、教學內容體系的優化

針對傳統教學內容，教學時數大幅壓縮而教學質量不降低，為了解決這一矛盾，我們對教學內容體系采取優化措施。

1.優化課堂教學。（1）優化數學內容。電磁場理論是以麥克斯韋方程組為核心的理論體系，所有的電磁規律都有對應的數學模型，會在電磁場理論中大量使用矢量分析與場論、特殊函數和數學物理方程等數學知識，雖然學生已學過這些數學知識，但是在學習時沒有具體應用，所以，當需要應用這些數學工具時，學生就會感到很困難。學生本就對電磁理論的學習有畏懼感，如果我們上課時再進行大量的數學推導，一是課時不允許，二是更加劇了學生的畏懼感。根據這一現狀，在教學中要簡化數學推導，優化數學推導過程，直接給出結論，重點分析數學公式代表的物理意義。（2）優化知識結構內容，減少靜態場學時，增加時變場學時。減少靜態場學時數后，時變場教學時數增加，內容從電磁感應、麥克斯韋方程組、波動方程到平面波和輻射，學生可以較全面地了解電磁場理論體系，掌握時變場的分析計算方法。從一個新的角度學習電磁理論，更容易激發學生的學習興趣，有興趣才有動力，這是保證學習質量的基礎。而以往電磁場理論教學中靜態場教學時比例偏大，其基本概念學生在電磁學知識中已學過，學生覺得沒有新意，只是簡單重復，沒有學習興趣，因此靜態場教學內容應調整為以講解重點知識為主。靜態場學時、時變場學時占總學時的比例可由75%和25%優化為50%和50%。（3）結合教師的科研成果進行教學。應結合教師的科研工作以及最新的科技成就及其發展趨勢，在課堂上向學生介紹電磁學內容在生活和工程中的廣泛應用。將當今社會發展中的新設備、新技術貫穿于教學過程。例如在講到電磁感應時，可以結合生活中的電磁輻射與電磁污染的問題、渦流效應在生產生活中的應用等，來激發學生學習熱情。（4）優化教學手段。在教學中采用多元化的輔助教學手段是解決電磁場理論難教、難學問題的有效手段。例如采用多媒體教學手段可以解決以前在黑板上很難講清楚的問題和那些書寫量很大的問題，特別是在課時少的情況下，具有非常大的優勢。多媒體課件繪制的圖形具有立體化、動態化、色彩化等特點。可根據個人特點、專業需求，以及學生的具體情況對電子教案進行隨時實施優化。（5）增加工程電磁場數值計算的教學內容，在電磁理論教學中引入“數值計算方法”的教學內容，教學實踐表明，基于深化和加強電磁場工程分析能力，學生對此學習內容有濃厚的學習興趣，教學效果顯著。因此增加此部分內容的教學，對于適應電磁場課程后續教學的需要，加強本科生分析和解決工程電磁場問題的能力非常必要，并使學生不間斷地接受計算機輔助分析能力的培養，以滿足較高層次本科大學生的培養要求。

2.優化實驗教學環節。以往的實驗教學多在實驗室進行，做的實驗也往往是一些驗證性的實驗，學生感覺實驗與理論脫節，對促進教學質量的提高幫助不大。為了提高教學質量，有必要優化實驗教學內容，挖掘新型實驗教學內容，可將一些易于攜帶、裝置簡單、輕便的儀器直接帶入課堂，采取邊講解邊演示的方式，或以適當的方法將部分工程電磁場演示實驗拍攝成錄像短片，在授課過程中配以使用，也會起到非常好的教學效果。在教學過程中，通過工程電磁場實驗演示可以強化學生對理論知識的理解，對電磁理論規律的掌握，培養學生的觀察能力和邏輯思維能力，以激發學生學習工程電磁場的興趣。

3.課程的延伸與拓展。課程的延伸與拓展是對課堂教學內容的延伸與補充，如課外答疑，課外習題，電磁場數值和計算機仿真或虛擬仿真實驗，電磁場動態建模，電磁兼容的專題研究等。課程的延伸與拓展能培養學生的科研能力和創新能力，使每個學生的能力都得到發展。實踐表明，我們開展的課程的延伸與拓展受到了學生的歡迎，對于學生素質能力的培養起到了積極地作用。

五、結束語

針對《工程電磁場》課程教學時數大幅減少這一事實，我們研究了課程教學內容體系優化等問題。我們緊緊圍繞工程磁場的物理實質，將課堂教學、實驗教學環節和課程延伸與拓展三部分形成完整的《工程電磁場》教學內容優化體系，在實施過程中注意遵守教學內容的科學性原則，優化教學資源配置，以學生能力養成為本，以21世紀工科人才培養為目標，切實提高《工程電磁場》的教學質量。

結合我校該專業的培養計劃安排，我們對該專業的《工程電磁場》課程體系理論進行了優化，實踐證明，收到了滿意的教學效果。

參考文獻：

[1]馮慈璋，馬西奎.工程電磁場導論[M].北京：高等教育出版社，2000：1-60.

[2]畢德顯.電磁場理論[M].北京：電子工業出版社，1985：235-291.

[3]謝處方，饒克謹.電磁場與電磁波[M].北京：高等教育出版社，2006：34-78.

[4]揚虎，張煒，毛鈞杰.“電磁場理論”教學法初探[J].高等教育研究學報，2003，26（4）：56-57.