電氣工程及其自動化專業(yè)“工程電磁場”課程教學(xué)改革探索

聶相舉

摘要：“工程電磁場”是電氣工程及其自動化專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，根據(jù)我校進(jìn)行工程教育專業(yè)認(rèn)證專業(yè)之一電氣工程及其自動化專業(yè)的培養(yǎng)計(jì)劃及其專業(yè)特點(diǎn)，介紹了工程電磁場理論課程教學(xué)改革的一些嘗試性方法，可以培養(yǎng)和提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力。

關(guān)鍵詞：電氣工程;工程電磁場;教學(xué)改革

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）32-0069-01

工程電磁場是電類專業(yè)一門重要的、理論性較強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，它所涉及的內(nèi)容是相關(guān)專業(yè)本科學(xué)生知識結(jié)構(gòu)的必要組成部分。本門課程的理論性較強(qiáng)，物理概念較抽象，要求的數(shù)學(xué)知識較多，該課程的突出特點(diǎn)是理論嚴(yán)謹(jǐn)和體系完整，在邏輯推理和數(shù)學(xué)分析上都具有一定的典型性，它不僅為專業(yè)課程提供了必備的基礎(chǔ)知識，而且培養(yǎng)學(xué)生正確的思維方式并掌握科學(xué)分析問題的方法，為學(xué)生解決實(shí)際的工程問題奠定初步的理論基礎(chǔ)。[1]

一、根據(jù)專業(yè)新特點(diǎn)調(diào)整教學(xué)內(nèi)容

電氣工程及其自動化專業(yè)學(xué)習(xí)的專業(yè)課程主要是我們所謂的“強(qiáng)電”，其后續(xù)課程中與工程電磁場有關(guān)的是電機(jī)學(xué)及電力拖動技術(shù)、電力電子技術(shù)、電磁兼容技術(shù)等電磁設(shè)備和器件的分析與設(shè)計(jì)。因此，學(xué)生感覺工程電磁場這門課用處不大，學(xué)習(xí)積極性不高，在課程內(nèi)容安排上，還是以靜電場為主，雖然上課時反復(fù)強(qiáng)調(diào)該課程與普通物理等課程中的相關(guān)內(nèi)容在教學(xué)上不同，但仍然容易使學(xué)生產(chǎn)生內(nèi)容重復(fù)的感覺。

專業(yè)認(rèn)證教學(xué)計(jì)劃調(diào)整后，我校的電氣工程及其自動化專業(yè)的工程電磁場這門課學(xué)時調(diào)整為32學(xué)時，但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和不同專業(yè)間的相互滲透，大型自動控制系統(tǒng)中涉及的電磁場問題越來越多，電磁場理論與電氣工程及其自動化專業(yè)的關(guān)系也更加密切，這就從客觀上要求學(xué)生掌握更多的電磁場理論知識，原來的教學(xué)內(nèi)容必須拓寬。這就形成了內(nèi)容增加和學(xué)時減少的矛盾，為了解決這個矛盾，對課程內(nèi)容做了如下調(diào)整：

1.刪減靜電場內(nèi)容

工程電磁場這門課大多數(shù)在教學(xué)內(nèi)容安排上遵循先靜電場，后時變場的思路，并且靜電場所占比例較大，但從這部分內(nèi)容的基本概念考慮，學(xué)生在大學(xué)物理中就有所接觸。因此，我們不按照靜電場、穩(wěn)恒電場、穩(wěn)恒磁場，這樣的模式組織靜電場內(nèi)容，從開始就直接進(jìn)入到時變電磁場中，即首先引入麥克斯韋方程組，討論時變電磁場的基本運(yùn)動規(guī)律，因?yàn)辂溈怂鬼f方程組可以解釋電磁場的一切宏觀現(xiàn)象。在麥克斯韋方程組教授時將靜電場作為一種特殊情況引出，用較少的學(xué)時介紹其特殊性以及與時變電磁場在理論上的一致性。這樣既節(jié)省了學(xué)時，保證了理論的完整性，又可避免學(xué)生在學(xué)習(xí)靜電場時產(chǎn)生的厭煩心理。[2]

2.增加應(yīng)用背景內(nèi)容

工程電磁場這門課具有廣泛的應(yīng)用背景，尤其在工程實(shí)踐、科學(xué)研究以及日常生活當(dāng)中。但目前絕大多數(shù)教材都沒有相關(guān)內(nèi)容的簡介，而對電磁現(xiàn)象的應(yīng)用背景介紹會激發(fā)學(xué)生對其產(chǎn)生強(qiáng)大的興趣。比如在課堂上和學(xué)生討論微波爐中為什么不能用金屬器皿;短波收音機(jī)為什么晚上會收到更多的臺但干擾大的問題;醫(yī)院的核磁共振設(shè)備是依靠什么原理檢查人體的狀況等，使學(xué)生意識到該課程的重要性，提高學(xué)習(xí)的積極性。[3]

3.加強(qiáng)時變電磁場理論的教學(xué)內(nèi)容

學(xué)習(xí)本課程之前，學(xué)生對于時變電磁場的知識僅限于簡單的電磁感應(yīng)現(xiàn)象，更多的只是定性認(rèn)識，但在現(xiàn)代社會中的廣泛應(yīng)用，時變電磁場是工程電磁場這門課的教學(xué)重點(diǎn)。通過靜電場內(nèi)容的科學(xué)刪減，用于該部分內(nèi)容的課時可達(dá)16學(xué)時。在內(nèi)容講解上，可直接由麥克斯韋方程組推出亥姆霍茲及波動方程，并且可以適當(dāng)?shù)脑黾訒r變電磁場理論的具體應(yīng)用和發(fā)展?fàn)顩r，幫著學(xué)生理解相關(guān)概念，可以提高教學(xué)質(zhì)量。[4]

二、教學(xué)手段的改革

1.簡化數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程，注重結(jié)論認(rèn)識

工程電磁場理論這門課概念抽象、理論性強(qiáng)、用到數(shù)學(xué)知識多，這是電氣學(xué)生的共同感受。主要是表現(xiàn)在對矢量分析等知識方面。教材中滿篇的點(diǎn)乘、叉乘、矢量符號就厭倦了，未學(xué)先懼是學(xué)生存在的普遍現(xiàn)象。那么，如果在授課過程中進(jìn)行大量的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，一方面學(xué)時有限，另一方面必定會加劇學(xué)生對本門課程的畏懼。所以要簡化數(shù)學(xué)推導(dǎo)，只要講清分析思路，將重點(diǎn)放在結(jié)論認(rèn)識上。[5]

簡化數(shù)學(xué)推導(dǎo)并不是完全回避數(shù)學(xué)內(nèi)容，而是要詳略得當(dāng)。一處詳講后，以此類推，只進(jìn)行分析思路的講解，直接拿結(jié)論來用。例如，麥克斯韋方程組是研究一切宏觀領(lǐng)域電磁現(xiàn)象的理論來源，為此從相關(guān)的法拉第電場感應(yīng)定律、高斯定理、安培環(huán)路定律、磁通連續(xù)性原理等學(xué)生已有的物理概念入手，逐步歸到麥克斯韋方程組上來，并對方程組的物理意義作詳細(xì)的講解。這部分內(nèi)容要從數(shù)學(xué)、物理兩個方面仔細(xì)講授，讓學(xué)生真正掌握麥克斯韋方程組的實(shí)質(zhì)，認(rèn)識到它的重要性。

2.教學(xué)方式多樣化

傳統(tǒng)的教學(xué)方法是老師利用黑板用板書上課，但是由于工程電磁場這門課有大量的數(shù)學(xué)公式，并且有復(fù)雜的圖形也非常難畫，如果用板書畫就會浪費(fèi)很多時間，學(xué)生也會失去耐心，久而久之，便失去了對這門課的興趣。所以，多媒體軟件的制作，會使枯燥的教學(xué)內(nèi)容變得生動，例如許多難以理解的抽象的電磁能量轉(zhuǎn)換過程和電磁場的分布可以顯示出來，這樣能夠加強(qiáng)學(xué)生對基本概念的理解。利用軟件如ANSYS或者ANSOFT進(jìn)行電磁場演示，[4]可以使學(xué)生清楚的看到電力線、磁力線、等位線等的分布，這樣不僅加深印象，還有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和興趣。

但是如果只是單純的使用多媒體課件進(jìn)行教學(xué)，學(xué)生就會感覺反感，像放電影一樣沒有任何收獲。同樣只是單純的使用板書進(jìn)行教學(xué)，課堂氣氛就會顯得格外枯燥無味。所以將多媒體課件和板書這兩種教學(xué)方式結(jié)合起來，一方面可以發(fā)揮多媒體信息量大、直觀的優(yōu)勢;另一方面可以保留板書教學(xué)邏輯嚴(yán)密的優(yōu)勢，這樣學(xué)生就會較容易的理解這門課程。

3.啟發(fā)式教學(xué)

電磁場是既看不著也摸不著的，要想掌握其規(guī)律，必然涉及認(rèn)知心理學(xué)的問題，研究表明，對于難理解的知識，學(xué)生通常采用逃避的方法。所以，在授課過程中，教師既要分析學(xué)生又要分析教材所授內(nèi)容。適當(dāng)?shù)奶幚韮?nèi)容的復(fù)雜程度，可以將復(fù)雜的知識點(diǎn)分解成各個小知識點(diǎn)，最后融會貫通。另外，研究還表明，中等程度的不確定性容易引起學(xué)生的注意。[6]所以，在教學(xué)的過程中要通過適當(dāng)?shù)牟淮_定性來引起學(xué)生的探尋。特別在解決一些問題時，多安排不確定性，以使學(xué)生分析和解決問題。但是概念性的問題少一些不確定性，比如，閉合線圈是如何產(chǎn)生電流的？在解決問題中，老師要給與必要的引導(dǎo)，啟發(fā)自主思維，來理解電磁感應(yīng)規(guī)律。

另外，在教學(xué)過程中可以采用實(shí)驗(yàn)啟發(fā)式教學(xué)方法。比如在講解楞次定律時，可以借助實(shí)驗(yàn)設(shè)備向?qū)W生介紹當(dāng)條形的磁鐵插入和取出時磁場的變化而導(dǎo)致磁通量的變化，從而才產(chǎn)生感應(yīng)電流的整個過程。通過這種教學(xué)方法，既可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使課堂氣氛活躍，又可以提高教學(xué)效果。

三、理論聯(lián)系實(shí)際，提高工程實(shí)踐能力

理論聯(lián)系實(shí)際對工程電磁場這門課尤為重要。電磁場看不到、摸不著，如果只是講解理論知識，不和工程實(shí)際聯(lián)系在一起，就會使學(xué)生感到枯燥，不知道學(xué)是為了什么，影響到學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。所以，把理論聯(lián)系工程實(shí)際貫穿于整個教學(xué)過程中，一方面可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，另一方面可以提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力。[7]例如，講解電場感應(yīng)時和電動機(jī)、發(fā)電機(jī)結(jié)合在一起;講解極化時和電視天線結(jié)合在一起;講解波入射時結(jié)合光纖中的信號傳輸?shù)取＿@樣通過聯(lián)系實(shí)際，加深學(xué)生對理論的理解，提高學(xué)習(xí)的熱情和興趣。

四、結(jié)束語

工程電磁場是電氣工程及其自動化專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，根據(jù)工程教育專業(yè)認(rèn)證的特點(diǎn)對工程電磁場課程進(jìn)行了一些試探性的教育教學(xué)改革，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有效調(diào)動學(xué)習(xí)積極性，提高工程實(shí)踐能力，為電氣工程專業(yè)課程的教育教學(xué)改革進(jìn)行了有益的探索和研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]張慧娟，楊文榮.工程電磁場與電磁波基礎(chǔ)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[2]雷銀照.電磁場[M].北京：高等教育出版社，2010.

[3]于艷等.電氣工程及其自動化專業(yè)電磁場課程教學(xué)內(nèi)容整合及教學(xué)方法研究[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2008，22（4）：64-66.

[4]劉仕兵，劉子英.電氣工程專業(yè)電磁場課程教學(xué)改革探索[J].華東交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，（23）：70-71.

[5]杜國宏，曹俊友.基于CDIO的電磁場與微波技術(shù)類課程教學(xué)改革探討[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2009，（9）：52-54.

[6]皮連升.教學(xué)設(shè)計(jì)——心理學(xué)的理論與技術(shù)[M].北京：高等教育出版社，2001：228.

[7]倪有源，鮑曉華，張學(xué).工程電磁場課程教學(xué)改革研究[J].課程教材，2011，（7）：73-74.

（責(zé)任編輯：劉翠枝）