工程電磁場教學(xué)效果提升探究

摘要：闡述了電磁場課程特點和地位，針對學(xué)生學(xué)習(xí)電磁場中遇到的問題，為提高教學(xué)效果，提出了理論結(jié)合實際，并結(jié)合電磁場在電氣工程中的應(yīng)用來提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；采用對比總結(jié)的方法，構(gòu)架課程體系，引導(dǎo)學(xué)生思考記憶；采用matlab和Ansys等軟件，使電磁場理論形象化、直觀化；充分利用精品課程，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，加強教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：電磁場課程；電氣工程；matlab；精品課程；教學(xué)效果

作者簡介：程紫娟（1985-），女，湖北天門人，三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，助教；王成江（1971-），男，湖北保康人，三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，教授。（湖北 宜昌 443002）

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）33-0127-02

工程電磁場是在大學(xué)物理電磁學(xué)的基礎(chǔ)上，進一步闡述各種電磁現(xiàn)象內(nèi)在規(guī)律，[1]培養(yǎng)學(xué)生具有運用“場”的觀點定性分析和定量計算工程電磁場問題的能力。它是高校工科電類專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，該課程圍繞電磁場的能量、產(chǎn)生和傳播展開，在電氣工程、電子信息工程和通訊等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，如電氣工程中的電機、超高壓輸電，電子信息工程中的電子器件研制等。[2]除了在電類學(xué)科領(lǐng)域，工程電磁場在軍事、醫(yī)療、天文等領(lǐng)域也有重要的作用。電磁場還與其他技術(shù)結(jié)合，在交叉領(lǐng)域和新興邊緣學(xué)科有廣泛的應(yīng)用，如低溫等離子體和核聚變工程、生物質(zhì)電磁學(xué)、環(huán)境電磁學(xué)等。故掌握工程電磁場理論是學(xué)習(xí)電氣工程后續(xù)課程的必備基礎(chǔ)，更是將電磁場知識應(yīng)用到工程實踐必須掌握的理論基礎(chǔ)。

然而學(xué)生在學(xué)習(xí)電磁場理論過程中存在較大問題，主要集中在以下幾個方面。一是學(xué)生難以將已學(xué)過的數(shù)學(xué)物理知識與電磁場聯(lián)系起來，[3]這門課程又比較抽象，公式較多，要求學(xué)生具有一定的空間想象力和邏輯推理能力；二是大學(xué)教學(xué)改革使很多相關(guān)課程學(xué)時縮短，學(xué)生難以掌握相關(guān)知識，如矢量分析和場論是學(xué)好電磁場關(guān)鍵之一，很多學(xué)生卻沒有學(xué)好，導(dǎo)致學(xué)習(xí)電磁場難度加大；三是學(xué)生對該課程不重視且缺乏興趣，表現(xiàn)在學(xué)生認為該課程在電氣工程中應(yīng)用較少，與其他課程聯(lián)系較少，學(xué)生不知道學(xué)習(xí)電磁場有何用途等方面。

本文從課程特點和學(xué)生角度，提出了理論結(jié)合實際，加強學(xué)科間聯(lián)系；采用對比總結(jié)，構(gòu)架課程體系；利用matlab和Ansys等軟件教學(xué)；充分利用精品課程，以“學(xué)生”為本，充分激發(fā)學(xué)生的興趣，調(diào)動學(xué)生的積極性，旨在提高教學(xué)效果。

一、結(jié)合電氣工程相關(guān)課程及生產(chǎn)實例講解電磁場的應(yīng)用

由于電磁場課程數(shù)學(xué)公式和理論較多，學(xué)生感覺很枯燥，而且該課程在電氣工程教學(xué)體系中是作為專業(yè)基礎(chǔ)課，與物理課程中的電磁學(xué)相似，不少學(xué)生認為該課程并沒有電氣工程中其他專業(yè)課重要，而且看不到電磁場理論可以應(yīng)用的領(lǐng)域。

事實上，電氣工程分析計算時一般采用集中參數(shù)，[1]如電壓、電流等，很少采用微觀上的分布參數(shù)，如電場、磁場等來處理。由高等數(shù)學(xué)中的微積分可知，集中參數(shù)實際上是分布參數(shù)積分而得。因此，電力系統(tǒng)中的電能從電廠傳送到負荷，實際過程是電能以電磁場的形式沿電力系統(tǒng)各元件傳遞至電器。因此在“電力系統(tǒng)分析”、“電機”和“高電壓技術(shù)”等課程的基礎(chǔ)理論分析中經(jīng)常借助電磁場理論，如變壓器和電機磁場分析、電機中的氣隙磁場波形和轉(zhuǎn)子電樞反應(yīng)等概念，以及輸電線路電路參數(shù)的建立及輸電線路下方地面附近的電磁場分布規(guī)律，其中分析輸電線路的零序阻抗和電納就是采用電磁場的鏡像法。[3]

結(jié)合電氣工程其他專業(yè)課來講解電磁場的應(yīng)用可以讓學(xué)生了解學(xué)習(xí)電磁場的重要性。教師可以結(jié)合工程實際如緊湊型輸電線路和同桿雙回線路的電場和磁場計算、跨步電壓等，讓學(xué)生了解科研和工作中可能用到的電磁場知識，讓學(xué)生有興趣學(xué)習(xí)，對學(xué)習(xí)電磁場提高重視。

二、對比總結(jié)，形成主線，構(gòu)架課程體系

學(xué)生在學(xué)習(xí)電磁場過程中應(yīng)了解電磁場知識的總體結(jié)構(gòu)，學(xué)會對比總結(jié)，使學(xué)習(xí)難度降低，方便記憶相關(guān)公式和概念，如表1。

在講授過程中應(yīng)重點講述通量和環(huán)量，散度和旋度，點乘和叉乘，因為在表1中的四種場，其基本定理和方程均是以上述概念為基礎(chǔ)。如靜電場中的環(huán)路定理和高斯通量定理的積分形式分別涉及環(huán)量和通量，而微分形式則分別涉及旋度（叉乘）和散度（點乘）。

在講述各類場的電磁現(xiàn)象和原理時還應(yīng)把握各種量之間的關(guān)系，形成一條主線，以便學(xué)生學(xué)習(xí)和做題時能方便記憶和著手做題。如靜電場中描述場的物理量主要是電場強度、電位移矢量和電位，而基本方程中涉及的也就是電場強度和電位移矢量。在講授時從庫侖定律出發(fā)定義電場強度，由電荷計算電場強度公式出發(fā)定義電位，從而建立電位和電場強度的關(guān)系，也就是靜電場環(huán)路定理，其中涉及旋度和斯托克斯定理。高斯通量定理則建立電荷分布與電場強度的關(guān)系，涉及散度和散度定理。其他幾種場也可以形成一條主線，建立各物理量的聯(lián)系。

在講授過程中還應(yīng)對比總結(jié)。如亥姆霍茲定理即矢量場的分布特性主要由其散度和旋度決定，這個定理在每種場的基本方程中體現(xiàn)得很充分，應(yīng)在各個場中總結(jié)該定理的應(yīng)用。

三、結(jié)合軟件教學(xué)，使概念形象化

學(xué)習(xí)電磁場的難度還在于電磁場概念非常抽象，因此可以結(jié)合matlab、Ansoft Maxwell和Ansys等軟件將場形象化，通過場圖描述場的分布規(guī)律。[4]

利用Ansoft maxwell軟件仿真兩個平行圓柱形導(dǎo)體，兩導(dǎo)線間介質(zhì)為空氣，電位大小相等符號相反，電場分布如圖1，電場強度幅值如圖2。從上面兩個圖中可以清楚看到：導(dǎo)體內(nèi)部電場強度為0；電場強度矢量線從正電荷出發(fā)終止于負電荷；電場強度矢量線之間沒有交點，說明空間上任意一點電場強度大小和方向是唯一的，進一步可以延伸至靜電環(huán)路定理，即電場強度沿閉合環(huán)路積分為0。

除了Ansoft Maxwell軟件，也可以利用matlab軟件對電磁場分布仿真、進行公式推導(dǎo)和三維視圖仿真。在科研中有限元軟件Ansys在輸電線路電磁場環(huán)境仿真中也用得較多。這些電磁場仿真軟件對于分析電磁場和波的問題非常簡便實用，能將抽象不可見的問題形象化，這在教學(xué)和科研中都有很重要的意義。[5]

四、利用精品課程，加強教學(xué)效果

該課程課時較短，課程難度又較大，為達到教學(xué)效果，應(yīng)充分利用精品課程等網(wǎng)絡(luò)教學(xué)，推薦合適的中外教材和課件，將電磁場歷史、軟件應(yīng)用、實驗、網(wǎng)絡(luò)作業(yè)等放在精品課程中，充分調(diào)動學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，提高學(xué)生應(yīng)用軟件的動手能力，布置網(wǎng)絡(luò)作業(yè)，讓學(xué)生積極思考，及時發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)問題并解決。

在精品課程中除了課件、每章節(jié)知識點、典型例題及考試重難點這幾個模塊外，還應(yīng)增加參考教材及相關(guān)讀物、電磁場課程結(jié)構(gòu)及與其他課程間的聯(lián)系、工程實踐應(yīng)用、軟件應(yīng)用、自我測試等模塊。

參考教材及讀物可以列出中外著名教材清單，以適合不同層次學(xué)生學(xué)習(xí)的需要。可以適當增加一些相關(guān)電磁場實驗的故事，不僅可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，也可以使學(xué)生領(lǐng)會做科研做實驗的艱苦和樂趣。工程實踐應(yīng)用可以采用500KV雙回輸電線路電場和磁場環(huán)境仿真、高海拔500KV緊湊型輸電線電場仿真分析及與常規(guī)線路的對比等命題，給出研究背景、研究方法、步驟及結(jié)果，增加學(xué)生對電磁場學(xué)習(xí)的興趣，使學(xué)得的知識得以應(yīng)用。自我測試模塊可以采用在線檢測，這可以彌補傳統(tǒng)課堂布置作業(yè)帶來的一些問題，如教師批改作業(yè)不及時。學(xué)生可以利用在線檢測，及時得到正確答案、解題思路和步驟。在這一模塊中也可以設(shè)置教師批改作業(yè)并給出相應(yīng)修正，這應(yīng)視內(nèi)容而定。

五、結(jié)束語

工程電磁場課程在電類學(xué)科中具有較重要的地位，而學(xué)生學(xué)習(xí)該課程又遇到很多問題，如何解決學(xué)生的問題，提高該課程的教學(xué)效果值得探索和實踐。本文圍繞學(xué)生遇到的問題及課程特點，從電磁場在電氣學(xué)科中的應(yīng)用、對比總結(jié)形成主線、軟件仿真教學(xué)及精品課程建設(shè)四個方面進行了初步的探索，旨在提高學(xué)生的興趣和積極性，降低學(xué)習(xí)難度，引導(dǎo)自主學(xué)習(xí)，達到提高電磁場教學(xué)效果的目的。

參考文獻：

[1]陳兆權(quán)，胡業(yè)林，楊岸，等.淺談電氣工程專業(yè)課學(xué)習(xí)的電磁場知識準備[J].中國科技信息，2011，（11）：193-195.

[2]王士彬，張蓮，萬沛霖，等.“電磁場”課程教學(xué)內(nèi)容改革的實踐[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2006，28（5）：8-11.

[3]藺紅，晃勤.電磁場課程教學(xué)改革探討[A].第六屆全國高等學(xué)校電氣工程及其自動化專業(yè)教學(xué)改革研討會論文集[C].北京：電子雜志社，2009：477-480.

[4]梁振光.MATLAB在“電磁場”教學(xué)中的應(yīng)用[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2004，26（3）：105-109.

[5]王明軍，李應(yīng)樂，唐靜.MATLAB在電磁場與電磁波課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].咸陽師范學(xué)院學(xué)報，2009，24（2）：89-91.