電磁場課程教學改革的探討

龔文英+李畸勇

摘要：電磁場課程在本校電氣工程及其自動化專業和農業電氣化與自動化專業中屬于一門學科的基礎選修課。本文根據電磁場課程難教難學的特點，從教材、教學內容、教學手段與方法、考核方式以及實踐教學的開展等方面提出了改革措施，對提高教學質量是非常有效的。

關鍵詞：電磁場課程；教學改革；考核方式；協同教學法

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）35-0102-03

一、引言

電磁場課程在廣西大學電氣工程學院是電氣工程及其自動化專業和農業電氣化與自動化專業的一門學科基礎選修課。在高等數學、大學物理電磁學的基礎上，通過本課程的學習，可以使學生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；為學習后續專業課程（如電機學、高電壓技術、防雷與接地技術等）或進一步研究電磁場問題，可以準備必要的理論基礎。電磁場所涉及的內容是工科電類專業學生應具備的知識結構的必要組成部分，也是一些交叉領域的學科生長點和新興邊緣學科發展的基礎。

電磁場課程的學習要求學生應具備良好的數學、物理基礎，還要有較高的空間想象能力、抽象思維能力和邏輯推理能力。它理論性強、概念抽象、數學推導多且繁雜，是高校中公認的難教、難學的課程。基于該課程在專業學習中承前啟后的重要性，如何消除學生對電磁場課程學習的畏難心理，提高學生學習的積極主動性，提高教師的教學質量和教學效果，就迫切需要對電磁場的教材、課程內容、教學手段及方法進行一定的改革與創新。

二、電磁場教材改革

本校電氣工程學院的電氣工程及其自動化專業、農業電氣化與自動化專業以及電力工程與管理專業均開設有電磁場這門學科基礎選修課程，而且本校的二級學院行健文理學院中電氣工程及其自動化專業還將該課程定位為學科基礎必修課。無論是選修還是必修，優秀的教材是吸引學生對課程感興趣的第一要素。之前本校使用的教材是高等教育出版社1983年出版的由馮慈璋主編的《電磁場》（第二版），雖然理論上的東西變化不大，但是工程實例已經遠遠落后于當今時代了。現代科技日新月異，電磁場知識的應用已經深入到我們的民用、工用甚至軍用等各個方面。為此，本校更換了教材，選擇了2000年高等教育出版社出版的由馮慈璋、馬西奎主編的面向21世紀課程教材《工程電磁場導論》。新教材仍然是以經典內容為主，注重電磁場的基本概念、基本規律和基本的分析計算方法，但更加注意理論與實踐的結合，重視工程問題的電磁模型的建立和定性分析，有意識地培養學生從定性的方法入手提出問題和分析問題的能力。通過更新教材，可以與現代科學技術的聯系更加緊密，不僅保證了其先進性，而且還可以使本學科充滿活力、生氣勃勃，激發起學生的學習熱情、主動性和創造性。

三、教學內容改革

為了培養學生學習本課程的興趣，講好緒論尤其重要。這門課是學科選修課，以往第一次課都是介紹數學基礎知識——矢量分析。可是有些數學基礎薄弱的學生一見到梯度、散度、旋度，以及環量、通量這些概念中眾多的求偏導、積分符號，馬上就會對該課產生畏懼心理，嚴重損害了學生繼續學習的信心。為此，本校在第一次授課中重點做好電磁場緒論的介紹。在電磁場緒論中，筆者先介紹電場、磁場、時變電磁場和電磁波的基本概念，進而介紹場與媒質的相互作用現象，場與源的關系，接下來是歷史的回顧，引出重要的電磁場定律——電磁感應定律，以及著名的電磁場方程組——麥克斯韋方程組。最后介紹電磁場與波的應用，其中靜電復印、靜電除塵以及靜電噴漆等技術都是基于靜電場對于帶電粒子具有力的作用；電磁鐵、磁懸浮軸承以及磁懸浮列車等，都是利用磁場力的作用；當今的無線通信、廣播、雷達、遙控遙測、微波遙感、無線因特網、無線局域網、衛星定位以及光纖通信等信息技術都是利用電磁波作為媒介傳輸信息的；B2隱形轟炸機應用了反射定律；立體電影利用了電磁波極化特性；全球定位系統（GPS）是信息載體的應用；等等。種種電磁場實際應用一下子就抓住了同學們的眼球，激發起同學們對學習電磁場課程的興趣。電磁場看不見、摸不著，但在生活中又實實在在地存在。如果在課堂上只講理論，不但枯燥，而且學生也不知學來有何用處，會影響學生學習該課程的自覺性。因此，必須把理論聯系實際的教學理念貫穿于整個電磁場的教學過程中。

在課程內容的選擇上遵循由淺入深、循序漸進的認識規律，突出重點內容。本校的電磁場課程先介紹靜態場，后介紹時變場，重點加強對時變場的教學。靜態場主要包括靜電場、恒定電場和恒定磁場，在介紹完這三章的內容后，會進一步進行教學對比并做出總結，以便于加深學生對前三章內容的了解與掌握，比如“靜電比擬”、“三種場基本方程的比較”、“靜電場與恒定磁場分界面上銜接條件的對比”、“鏡像法在靜電場與恒定磁場中的應用比較”等，這一系列的對比讓學生能更加全面、系統地掌握靜態場的基本概念。之后重點介紹時變場的內容。學生在學習本課程前對時變場的認識僅限于大學物理電磁學部分介紹的電磁感應現象，且更多的是定性認識。內容調整后，電磁場課程加強了時變場部分的內容，包括電磁感應定律、全電流定律、電磁場基本方程組和分界面上的銜接條件、正弦電磁場、波動方程直到平面波和輻射，使學生可以更深入地掌握時變場的分析計算方法，了解電磁場理論的整個體系。

在整個課程學習中，在每一章的最后一節，都會介紹以本章理論知識為基礎的工程應用實例，貫徹學以致用或者是理論聯系實際的教學觀點。課程內容結束后，通常還會布置學生完成一篇有關電磁場的課程論文，論文題目可以自擬，也可以從教師給定的命題中任選。例如，筆者給學生擬定的課程論文題目主要有：“我身邊的電磁場”、“靜電場理論在實際中的應用”、“恒定電場理論在實踐中的應用”、“應用恒定磁場理論的工程實例”、“電磁屏蔽在實踐中的應用”等。每篇論文要求字數不少于2000字，且要求有中英文摘要及關鍵詞，并要求附上參考文獻。論文成績計入平時成績，為避免學生完全抄襲，凡出現兩篇一模一樣的論文者，論文成績均判定為0分。在論文的寫作過程中，同學們不但要學會收集與整合資料，而且還要進一步加深對論文相關理論知識的認識和理解，為今后科技論文的撰寫奠定堅實的基礎。

電磁場課程內容多、學時緊，現在本校電氣工程及其自動化專業的電磁場課程學時為45學時，每學時40分鐘。為了在有限的時間內講授完規定的內容，在教學過程中必須以教師為主導，以學生為主體，并充分發揮學生的積極主動性，這樣才能取得良好的教學效果。

四、教學手段與方法改革

電磁場的課程特點決定了單純使用一種教學手段不會有好的教學效果。因此，本校采取了傳統教學手段與現代教學手段有機結合的辦法。對于一些繁雜的公式推導以及例題講解，一般采用傳統的“黑板加粉筆”來逐步講授，這個過程進度會比較慢，但教師可以對學生的思路進行一定的引導，并隨時互動，有利于學生理解和消化某些知識點。而對于一些復雜的場圖要在黑板上精確繪制則是很不方便，此時利用先進的多媒體教學設備則可以有效地解決這個問題。圖1為兩根細導線的場圖。

利用先進的多媒體教學設備，采用PPT授課，文字、圖片、視頻、Flash動畫甚至Matlab仿真演示交叉使用，圖文并茂，形象直觀，在學生腦海里建立起立體概念，可以有效幫助學生對理論內容的理解。

在教學方法的改革中，我們在課堂上嘗試采用PI理論的協同教學法。Peer-Instruction理論是哈佛大學著名教授Eric Mazur創立的，變傳統的單一講授為基于問題的自主學習和學習之間的合作探索。在講解某些重要知識點前，教師先給學生出一些概念測試題目，由學生分組思考作答，若小組成員間答案不統一，則相互討論說服同伴并給出最終答案，之后再由教師對各組答案進行一定的點評與解析，并給出正確答案，同時講解關鍵知識點。教師在整個教學過程中講述內容的重點、難點和關鍵點，啟發學生進行思考，營造出一個學生互動、師生協同教學的環境。通過某些能夠影響學生認知能力的問題來調動學生的學習主動性，引導學生合作學習、積極討論，培養其批判性思維，并使學生在獲得知識的同時學會思考與團結合作，最后完全理解問題本質。電磁場的理論知識本就晦澀枯燥，引進協同教學法可以極大地提高師生間的互動，活躍課堂氣氛，提高學生學習與思考的積極性與主動性，打破了傳統教學中教師“滿堂灌”的教學模式，教學效果十分明顯。

五、考核方式的改革

考試方式的改革包括提高平時成績的比例，且擴大了平時成績包含的項目。本校將期評成績中平時成績的比例由原來的30%加大到40%，期評成績=平時成績×40%+期考成績×60%。平時成績部分包括作業、2次小測驗、考勤、課程論文和課堂表現及答疑情況，由以上各項按照下式算出原始平時成績：原始平時成績=（作業總平均成績+2次測驗成績之和×2+考勤成績+課堂表現與答疑成績×2+課程論文成績）÷9。由于原始平時成績普遍偏低，有時一個班有50%的學生低于60分，本校就將原始平時成績在班上從高到低排序，并按高分到低分及其下表比例來評定學生的平時成績。

期評成績中加大了學生平時成績所占的比例，且最終平時成績評定也引入到了競爭機制中，這樣就會促使學生更加重視學習過程，在平時的課程學習中投入更多的精力，其學習效果也會更扎實、更有效。

六、鼓勵學生參與各類實踐項目，學以致用

電磁場理論在實際生活中無處不在，為了培養學生的科研實踐及創新性思維能力，本校鼓勵學生積極參與各種大學生創新創業訓練計劃項目、全國大學生電工數學建模競賽以及教師的各類科研項目，幫助學生運用理論知識來解決實際問題，在實踐中實現教學相長。近年來學生參與的科研項目主要有：基于電磁感應式手機無線充電技術研究、高壓標準電容器電場計算及設計、永磁無刷直流電動機電磁計算和優化設計、500kV同塔雙回緊湊型輸電線路電場計算、釹鐵硼永磁無刷直流電動機電磁場有限元分析等。參與項目的學生在實踐中得到了極大的鍛煉，收獲頗豐，同時其在實踐中碰到的電磁問題也進一步豐富了教師的教學案例。

七、結論

電磁場課程的特點是難學、難教，而修讀該課程對學生后續專業課的學習又是極為重要的。為了提高學生的學習興趣，本校在教材、課程內容、教學手段與方法、考核方式以及鼓勵學生參與科研項目等方面嘗試做了些改革，實踐證明，這些措施對提高電磁學的教學質量是十分明顯的。

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