提高“工程電磁場”課程教學(xué)效果的方法研究

摘要：“工程電磁場”是高校電氣工程專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程。在學(xué)習(xí)其他高校教學(xué)理論的基礎(chǔ)上，結(jié)合“工程電磁場”課堂教學(xué)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和體會，針對“工程電磁場”課程的理論性強(qiáng)、抽象、數(shù)學(xué)推導(dǎo)較多等特點(diǎn)，研究傳統(tǒng)課堂教學(xué)的方法。以實(shí)際講例為導(dǎo)向進(jìn)行分析講授，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高課堂教學(xué)的教學(xué)效果，并且為了“工程電磁場”課程后期的進(jìn)一步發(fā)展。

關(guān)鍵詞：工程電磁場；課程；特點(diǎn)；教學(xué)

作者簡介：熊煒（1980-），男，湖北宜昌人，三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，講師；粟世瑋（1979-），女，湖北宜昌人，三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，講師。（湖北 宜昌 443002）

中圖分類號：642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）26-0042-01

“工程電磁場”課程是高校電氣工程專業(yè)的一門基礎(chǔ)專業(yè)課程，很多高校都是作為必修課之一。這門課程對于學(xué)生來說，無論是其他后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)，如“電機(jī)學(xué)”、“電機(jī)控制”、“電力系統(tǒng)分析”、“電力系統(tǒng)繼電保護(hù)”、“直流調(diào)速控制系統(tǒng)”等，還是畢業(yè)后的深造和工作都十分重要，為他們將來從事工程設(shè)計(jì)、設(shè)備安裝及維修、系統(tǒng)調(diào)試等方面的工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。因此，“工程電磁場”課程在電氣工程及其自動化專業(yè)教學(xué)中具有舉足輕重的作用。高校和講授這門課程的教師都十分重視這門課程的教學(xué)效果，許多教師都針對“工程電磁場”這門課程的改革和教學(xué)方法做了許多研究，通過教學(xué)方法的研究提高教學(xué)效果，[1]通過仿真工具建立實(shí)驗(yàn)輔助學(xué)生理解，[2，3]還有從教學(xué)內(nèi)容上入手探討課程的教學(xué)。[4]本文針對“工程電磁場”這門課程內(nèi)容上的特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用探討在教學(xué)中如何提高學(xué)生的興趣，從而提高教學(xué)效果的方法。

一、“工程電磁場”課程緒論的作用

由于“工程電磁場”課程特點(diǎn)，學(xué)生上課的效果很不好，對知識點(diǎn)的理解不深，對課程內(nèi)容缺乏興趣，進(jìn)而導(dǎo)致課堂練習(xí)和課后練習(xí)抄襲現(xiàn)象嚴(yán)重，造成歷屆學(xué)生在這門課程的一次通過率并不高。每一屆學(xué)生在這門課程開始之前，就已經(jīng)在往屆學(xué)生那里聽說這門課程有多么難，有多少人沒有通過等等，于是就有了畏難情緒。通過緒論的介紹，以輕松的聊天形式，讓學(xué)生了解這門課程的特點(diǎn)，知道如何學(xué)好這門課程，從而激起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

緒論課的重要作用是開拓學(xué)生相關(guān)知識的視野。與學(xué)生聊生活中的一些應(yīng)用實(shí)例，如電磁波的傳播、通訊、電磁屏蔽等等，讓學(xué)生像聽故事一樣了解電磁場相關(guān)知識。講好緒論課要求教師既要熟悉掌握教學(xué)的內(nèi)容，又要閱讀有關(guān)雜志、文獻(xiàn)，了解最新的發(fā)展動態(tài)，收集大量資料。此外教師要善于表達(dá)，發(fā)揮講授藝術(shù)充實(shí)學(xué)生內(nèi)心世界，才能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，對工程電磁場的學(xué)習(xí)產(chǎn)生求知欲。

另外，教師以聊天的形式和學(xué)生交流往屆學(xué)生學(xué)這門課程的一些趣事，打消學(xué)生學(xué)習(xí)的顧慮，培養(yǎng)與學(xué)生之間的感情，讓學(xué)生對授課教師的習(xí)慣有一定了解，對于后面授課時(shí)的交流有很大幫助。

二、課程抽象性與多媒體、仿真工具的應(yīng)用

學(xué)生學(xué)習(xí)“工程電磁場”難的一個(gè)主要原因就是抽象。工程學(xué)科的很多課程是有實(shí)物對照的，如電機(jī)、變壓器，學(xué)生在實(shí)習(xí)和實(shí)踐環(huán)節(jié)中都能夠有實(shí)物觀看。但是電磁場是看不見摸不著的，只能讓學(xué)生想象點(diǎn)電荷周圍的電場是怎么樣，通電直導(dǎo)線周圍磁場是怎么樣的。

在課堂上演示相關(guān)問題仿真結(jié)果成為了提高教學(xué)效果的一種重要方法。那么，一方面可以通過多媒體輔助教學(xué)的大量圖片和視頻，使抽象場形象化、可視化。在課堂以圖形展示的形式解釋“工程電磁場”課程中的一些基本概念，讓學(xué)生從視覺上感受場的存在。如圖1，為單根直導(dǎo)線周圍磁場情況，學(xué)生就能很清晰形象地了解導(dǎo)線周圍磁場的分布。另一方面，利用MATLAB、ANSYS等仿真軟件做出實(shí)際效果圖，讓學(xué)生自己動手，更為清晰地了解相關(guān)概念。可在期中布置一次大作業(yè)，實(shí)踐顯示大部分學(xué)生通過作業(yè)親自編程對概念有了較深入的理解。當(dāng)然問題是如何增強(qiáng)輔導(dǎo)力度以提高學(xué)生仿真作業(yè)質(zhì)量，避免抄襲現(xiàn)象，使學(xué)生真正掌握MATLAB和 ANASYS 兩種軟件，為將來的專業(yè)課學(xué)習(xí)和工程實(shí)踐奠定基礎(chǔ)。

三、課程理論性強(qiáng)、數(shù)學(xué)性強(qiáng)與教學(xué)重點(diǎn)的選擇

“工程電磁場”課程安排在“高等數(shù)學(xué)”和“電路”等基礎(chǔ)課程之后學(xué)習(xí)。課程對數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求比較高，理論性強(qiáng)，講解時(shí)比較抽象，沒有實(shí)物觀看，包含內(nèi)容也比較廣泛。教材一般包含幾大部分內(nèi)容：一部分是場的基本原理，包含靜電場、恒定電場、恒定磁場、時(shí)變場；一部分是一些分析計(jì)算方法，包含鏡像法等等；還有一部分是電磁波、工程方面等相關(guān)內(nèi)容。其中數(shù)學(xué)性比較強(qiáng)的，基本上貫穿整門課程的都是梯度、散度、旋度，以及線積分、面積分、體積分，所以學(xué)生把教材粗略一翻，一般都會覺得很難。

那么在課程講解的時(shí)候，分清主次，分清重點(diǎn)。在“工程電磁場”中，這門課程主要是需要學(xué)生了解相關(guān)基本原理，并且著重于基本原理的應(yīng)用，所以在授課中，可以不需要介紹太多的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，讓學(xué)生知道能夠用，怎么用才是重點(diǎn)。

例如講解靜電場的基本原理時(shí)，重點(diǎn)當(dāng)然是高斯通量定理，見公式（1）。高斯通量定理是在靜電場中計(jì)算電場強(qiáng)度的主要手段，公式左邊是電場強(qiáng)度的閉合曲面面積分，右邊是電荷與介電常數(shù)的比值。由于高斯通量定理的重要性，教材一般都花了大量篇幅對其進(jìn)行了推導(dǎo)，但是通過幾屆學(xué)生的教學(xué)來看，效果并不好。那么這部分推導(dǎo)可以讓有興趣的學(xué)生自己看，不懂再問。教師可以重點(diǎn)講授如何用這個(gè)定理解決問題，一方面解釋清楚等式左邊原則上閉合面可以做任意曲面，但是為了讓電場強(qiáng)度的方向與面的方向一致，為了計(jì)算簡便，從經(jīng)驗(yàn)上看，一般做球面。另一方面等式右邊是閉合面包圍住的電荷量。從這兩個(gè)方面和學(xué)生詳細(xì)地解釋清楚，學(xué)生理解了，就能夠用定理去計(jì)算去解決問題了。還可以告訴學(xué)生，雖然定理表面上是計(jì)算曲面積分，但就目前學(xué)習(xí)基本原理的層次來說，只要面做得合適，很多情況無須計(jì)算積分，實(shí)際上演變成簡單的乘除計(jì)算了。這樣學(xué)生就會感覺，書本看起來難，學(xué)起來其實(shí)不難。

四、結(jié)合相關(guān)課程和實(shí)例分析提高教學(xué)效果

“工程電磁場”作為與“電路”同等地位的兩門專業(yè)基礎(chǔ)課之一，二者有相同之處，也有不同之處。電路趨向于集總電路，趨向于理想化，但是“工程電磁場”趨向于分布參數(shù)電路。對于三種基本電路元件、電阻、電容、電感也從電磁場方面做了計(jì)算，并且對于“電路”中的基爾霍夫電流定律從另一方面做出了解釋，即電流連續(xù)性定理，見公式（2）。由于電流密度散度為零，即電流連續(xù)，那么流入電流等于流出電流。

（2）

“工程電磁場”與“高電壓技術(shù)”在極化和接地電阻這部分內(nèi)容交叉比較多。例如在分析靜電場中的電介質(zhì)情況來說明極化電荷時(shí)，可以結(jié)合“高電壓技術(shù)”中的轉(zhuǎn)向極化這部分內(nèi)容來給學(xué)生講授。在接地電阻的計(jì)算中，可以結(jié)合“高電壓技術(shù)”中接地電阻存在的意義和工程現(xiàn)場實(shí)際中的考慮向?qū)W生介紹，這樣可以開拓學(xué)生視野，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的系統(tǒng)性。

五、結(jié)束語

“工程電磁場”課程一直是學(xué)生認(rèn)為難學(xué)、難懂、難通過的一門電氣專業(yè)基礎(chǔ)課程。教師必須通過教學(xué)方法、教學(xué)手段的研究和改革來提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生更加容易理解。通過多媒體、仿真工具輔助教學(xué)，結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用和相關(guān)課程的交叉激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，并且在教學(xué)中注意主次分明，重點(diǎn)突出，讓學(xué)生能夠更好地理解書本，便于以后能夠更好更快地應(yīng)用于工作之中。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳明贊.“工程電磁場”課程研究式教學(xué)的實(shí)踐[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2008，30（4）：65-66.

[2]盧斌先.“工程電磁場”課程教學(xué)方法探討[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2012，34（3）：96-98.

[3]黃輝，王毅.ANSYS在“工程電磁場”教學(xué)中的應(yīng)用[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2005，27（4）：88-91，

[4]倪有源，鮑曉華，張學(xué).“工程電磁場”課程教學(xué)改革研究[J].中國電力教育，2011，（7）：73-74.

（責(zé)任編輯：王意琴）