《電磁場(chǎng)》課程教學(xué)方法改革研究

付鈺偉，陳馳，王建華

（西安理工大學(xué) 電氣工程學(xué)院，陜西 西安）

一 引言

電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)旨在培養(yǎng)具有解決電氣工程技術(shù)分析與控制問題基本能力的高級(jí)工程技術(shù)人才[1]，其專業(yè)核心基礎(chǔ)課包括《電磁場(chǎng)》《電機(jī)學(xué)》等。其中，《電磁場(chǎng)》是學(xué)習(xí)《電力系統(tǒng)分析》《高電壓技術(shù)》等專業(yè)課程的重要基礎(chǔ)，該課程從靜電場(chǎng)和恒定磁場(chǎng)的基本規(guī)律出發(fā)，介紹了時(shí)變電磁場(chǎng)的相關(guān)性質(zhì)和特點(diǎn)，討論了電磁波的傳輸行為，內(nèi)容理論性強(qiáng)、概念抽象，兼具應(yīng)用性和實(shí)踐性，具有較大難度。學(xué)生通常無法將理論知識(shí)和實(shí)際電磁模型聯(lián)系起來，不利于后續(xù)深入學(xué)習(xí)相關(guān)專業(yè)課程[2]。因此，改善《電磁場(chǎng)》教學(xué)效果、調(diào)動(dòng)學(xué)生主觀能動(dòng)性，對(duì)于提高電氣工程專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量具有重要意義[3]。

在互聯(lián)網(wǎng)飛速發(fā)展的背景下，網(wǎng)絡(luò)教學(xué)相較于傳統(tǒng)課堂更具趣味性，充足的網(wǎng)絡(luò)資源還可以幫助學(xué)生直觀理解電磁場(chǎng)中抽象的梯度、旋度、散度等理論概念，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)電磁場(chǎng)的學(xué)習(xí)興趣。同時(shí)，線下教學(xué)手段作為輔助手段，增加教師和學(xué)生互動(dòng)性，助力學(xué)生實(shí)現(xiàn)理論知識(shí)和實(shí)踐操作的密切結(jié)合，大幅度提高教學(xué)效果。

二 《電磁場(chǎng)》教學(xué)現(xiàn)狀及問題

《電磁場(chǎng)》理論性較強(qiáng)、概念抽象、公式瑣碎，要求學(xué)生具有扎實(shí)的高等數(shù)學(xué)知識(shí)基礎(chǔ)和較好的空間想象力、抽象思維能力和邏輯推理能力，具有極大的教學(xué)和學(xué)習(xí)難度。一方面，由于課本上缺少對(duì)理論知識(shí)的嚴(yán)謹(jǐn)推導(dǎo)，不利于學(xué)生理解掌握，而課時(shí)、PPT、板書等因素的限制使得教師無法充分?jǐn)U展知識(shí)面或引導(dǎo)學(xué)生深入學(xué)習(xí)，學(xué)生的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)也比較薄弱，導(dǎo)致學(xué)生只能機(jī)械式記憶公式卻無法靈活分析問題；另一方面，由于教學(xué)資源有限、教學(xué)手段落后，部分學(xué)生難以將課本中的抽象概念與實(shí)際應(yīng)用聯(lián)系起來，無法跟上課堂節(jié)奏，最終失去學(xué)習(xí)興趣[4-5]。

因此，本文對(duì)《電磁場(chǎng)》教學(xué)方法進(jìn)行了改革研究，充分利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)輔助學(xué)生進(jìn)行空間想象和邏輯思考，避免機(jī)械式記憶結(jié)論，結(jié)合線下教學(xué)手段提高學(xué)生課堂參與實(shí)際模型分析的積極性，改善教學(xué)效果[6]。

三 《電磁場(chǎng)》教改方案與實(shí)施

《電磁場(chǎng)》課程具有嚴(yán)密的邏輯組織結(jié)構(gòu)，而傳統(tǒng)教學(xué)基于課本理論和公式，限制了學(xué)生的空間想象和對(duì)實(shí)際應(yīng)用的理解。下面舉例說明基于網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)的《電磁場(chǎng)》教改方案與實(shí)施。

（一） 網(wǎng)絡(luò)資源與線下教學(xué)結(jié)合，使抽象概念具體化

例如，《電磁場(chǎng)》課程要求學(xué)生掌握三種坐標(biāo)系（正交坐標(biāo)系、圓柱坐標(biāo)系和球坐標(biāo)系）下標(biāo)量場(chǎng)的梯度和方向向量、矢量場(chǎng)的基本性質(zhì)（通量和散度、環(huán)量和旋度）。如果教師只在傳統(tǒng)課堂上進(jìn)行公式推導(dǎo)或者畫出簡(jiǎn)易圖形，缺少直觀動(dòng)畫展示，則會(huì)降低學(xué)生對(duì)知識(shí)的接受度，使得學(xué)習(xí)僅停留在記憶公式層面，無法推進(jìn)知識(shí)擴(kuò)展和深入學(xué)習(xí)。為解決上述問題，本文根據(jù)實(shí)際教學(xué)內(nèi)容，首先利用合適的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源，將抽象概念具體化、實(shí)際化、動(dòng)態(tài)化。例如，向?qū)W生展示了某個(gè)矢量場(chǎng)的散度場(chǎng)和旋度場(chǎng)的三維空間分布特點(diǎn)和動(dòng)態(tài)變化特性，使得學(xué)生直觀理解散度場(chǎng)和旋度場(chǎng)的正交關(guān)系；展示了通量和散度、環(huán)量和旋度之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系，使得學(xué)生充分掌握各個(gè)矢量場(chǎng)的物理意義。其次，采用線下教學(xué)手段引出工程實(shí)際中的電磁場(chǎng)模型，引導(dǎo)學(xué)生深入思考、大膽創(chuàng)新和主動(dòng)學(xué)習(xí)，在分析模型的過程中采用嚴(yán)格的數(shù)學(xué)理論幫助學(xué)生定量理解各種抽象物理量的計(jì)算方法，解決理論知識(shí)和工程實(shí)際嚴(yán)重脫節(jié)的問題，提高學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性。

例如，《電磁場(chǎng)》課程要求學(xué)生熟練掌握點(diǎn)電荷、線電荷、面電荷的電場(chǎng)計(jì)算方法，以及線電流、面電流、體電流的磁場(chǎng)計(jì)算方法。教師在講授相關(guān)知識(shí)的時(shí)候一般通過簡(jiǎn)易圖形向?qū)W生展示不同的電荷、電流分布情況，難以與實(shí)際情況進(jìn)行結(jié)合，使得學(xué)生無法理解線電荷、面電荷、面電流、體電流等概念之間的區(qū)別與聯(lián)系，更難以在實(shí)際計(jì)算中選擇合適的積分方法，給學(xué)習(xí)帶來了很大困難。為了解決上述問題，本文根據(jù)實(shí)際教學(xué)內(nèi)容，首先利用合適的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源，向?qū)W生展示了不同的電荷/電流分布特點(diǎn)及其動(dòng)態(tài)特性，使得學(xué)生對(duì)抽象概念產(chǎn)生直觀印象；同時(shí)，將抽象概念與工程實(shí)際結(jié)合起來，講述區(qū)分線電荷、面電荷、面電流、體電流的根本原因，加深學(xué)生理解。其次，采用線下教學(xué)手段帶領(lǐng)學(xué)生對(duì)實(shí)際工程問題進(jìn)行分析，同時(shí)注意選題的趣味性，引導(dǎo)學(xué)生采用合適的積分方法計(jì)算電場(chǎng)/磁場(chǎng)，激發(fā)學(xué)生主觀能動(dòng)性。

例如，《電磁場(chǎng)》課程要求學(xué)生理解介質(zhì)的極化和媒質(zhì)的磁化。教師在講授相關(guān)知識(shí)的時(shí)候一般通過簡(jiǎn)易圖形向?qū)W生展示介質(zhì)極化和媒質(zhì)磁化的基本過程，難以與實(shí)際情況進(jìn)行結(jié)合，使得學(xué)生無法區(qū)分兩者之間的關(guān)系，難以理解極化或磁化具體過程，更難以深入理解介質(zhì)中的電場(chǎng)方程和媒質(zhì)中的磁場(chǎng)方程，只能對(duì)公式死記硬背，給學(xué)習(xí)帶來了很大困難。為了解決上述問題，本文根據(jù)實(shí)際教學(xué)內(nèi)容，首先利用合適的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源，向?qū)W生生動(dòng)展示了介質(zhì)極化和媒質(zhì)磁化的基本過程，使得學(xué)生對(duì)抽象概念產(chǎn)生直觀印象；同時(shí)，將抽象概念與工程實(shí)際結(jié)合起來，講述介質(zhì)極化和媒質(zhì)磁化在電力系統(tǒng)中的具體應(yīng)用，加深學(xué)生理解。其次，采用線下教學(xué)手段帶領(lǐng)學(xué)生對(duì)實(shí)際工程問題進(jìn)行分析，同時(shí)注意選題的趣味性，引導(dǎo)學(xué)生采用合適的電場(chǎng)或磁場(chǎng)基本方程，激發(fā)學(xué)生主觀能動(dòng)性。

例如，《電磁場(chǎng)》課程要求學(xué)生掌握電磁波在雙導(dǎo)體傳輸線上的傳播特性，該部分內(nèi)容與時(shí)變電磁場(chǎng)理論知識(shí)聯(lián)系緊密。傳統(tǒng)教學(xué)通常將核心公式直接傳授給學(xué)生，缺少理論解釋，導(dǎo)致部分學(xué)生雖然通過列舉公式可以進(jìn)行計(jì)算，但是難以深入分析結(jié)論背后的物理意義和工程指導(dǎo)價(jià)值。為解決上述問題，本文首先利用合適的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源向?qū)W生直觀展示了雙導(dǎo)體傳輸線上電磁波的電場(chǎng)和磁場(chǎng)分布特性、入射波和反射波的疊加特性，觀察傳輸線長(zhǎng)度、介質(zhì)材料等條件改變后對(duì)電磁波傳輸特性的影響，引導(dǎo)學(xué)生理解表征傳輸線工作狀態(tài)的關(guān)鍵參量及其對(duì)工程實(shí)際的影響。其次，采用線下教學(xué)手段推導(dǎo)電磁波動(dòng)方程在給定條件下的解并結(jié)合網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行定量分析，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)電磁波在雙導(dǎo)體傳輸線上的傳播特性的理解和掌握。

（二） 網(wǎng)絡(luò)資源與線下教學(xué)互補(bǔ)，使理論知識(shí)實(shí)際化

例如，《電磁場(chǎng)》課程以架空輸電線路下方電場(chǎng)計(jì)算問題為例，介紹了平面鏡像法，進(jìn)一步介紹了球面鏡像法、介質(zhì)鏡像法和電軸法。平面鏡像法是最簡(jiǎn)單的鏡像法之一，由于實(shí)際案例較為簡(jiǎn)單，學(xué)生很容易掌握鏡像電荷大小、個(gè)數(shù)以及位置的設(shè)置。而對(duì)于球面鏡像法、介質(zhì)鏡像法和電軸法，教材中極少將其與工程實(shí)際問題結(jié)合，使得學(xué)生難以掌握復(fù)雜情況下鏡像電荷的設(shè)置規(guī)律，只能機(jī)械式記憶電荷大小與位置的關(guān)系。為解決上述問題，本文首先利用合適的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源展示實(shí)際應(yīng)用案例，強(qiáng)調(diào)球面鏡像法、介質(zhì)鏡像法和電軸法的應(yīng)用背景和實(shí)際案例，再將鏡像法總結(jié)為照鏡子，給出鏡像電荷設(shè)置技巧和依據(jù)，幫助學(xué)生掌握分析相關(guān)問題的思路和方法，鼓勵(lì)學(xué)生針對(duì)某一實(shí)際案例進(jìn)行分析、討論、計(jì)算和驗(yàn)證。

例如，《電磁場(chǎng)》課程介紹了時(shí)變電磁場(chǎng)方程組的一個(gè)應(yīng)用實(shí)例——諧振腔，在微波頻率段中廣泛應(yīng)用于波長(zhǎng)計(jì)、濾波器等器件。《電磁場(chǎng)》課本以時(shí)變電磁場(chǎng)方程組為基礎(chǔ)，通過大量復(fù)雜的三角變換和公式推導(dǎo)獲得電磁波的解。傳統(tǒng)教學(xué)主要集中在公式推導(dǎo)，使得課堂內(nèi)容更加深?yuàn)W枯燥，不利于學(xué)生把握理論知識(shí)和實(shí)際應(yīng)用之間的關(guān)系。為解決上述問題，本文首先利用合適的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源展示實(shí)際應(yīng)用案例，強(qiáng)調(diào)高頻電磁振蕩問題的重要性，再提出激發(fā)高頻電磁振動(dòng)的基本思路和理論知識(shí)，將學(xué)生的注意力轉(zhuǎn)移到電磁場(chǎng)上。其次，在線下教學(xué)中鼓勵(lì)學(xué)生積極探索解決該問題的方案，與學(xué)生一起討論、驗(yàn)證方案的可行性，針對(duì)其中的典型方案進(jìn)行具體分析，通過讓學(xué)生自己動(dòng)手解決問題來增強(qiáng)課堂趣味性，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

例如，《電磁場(chǎng)》課程以單元偶極子為基礎(chǔ)說明了電磁輻射，進(jìn)一步介紹了細(xì)線天線和天線陣等具體應(yīng)用實(shí)例，但是由于天線結(jié)構(gòu)復(fù)雜，涉及多維電磁場(chǎng)耦合，因此課本僅對(duì)二元陣電場(chǎng)平面圖進(jìn)行簡(jiǎn)單示意，傳統(tǒng)教學(xué)中也僅僅對(duì)課本結(jié)論進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹，缺少深入分析，使得學(xué)生難以將天線工作原理與電磁場(chǎng)理論相結(jié)合。為解決上述問題，本文首先利用合適的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源說明天線廣泛應(yīng)用于通信、廣播、雷達(dá)等領(lǐng)域，再深入展示天線周圍輻射區(qū)域內(nèi)電力線及磁力線的立體分布，說明天線如何對(duì)飛機(jī)、信號(hào)、生物等造成干擾，定性分析不同形狀天線對(duì)輻射場(chǎng)的影響，最后結(jié)合線下教學(xué)對(duì)具體影響規(guī)律進(jìn)行定量計(jì)算，推導(dǎo)輻射場(chǎng)的計(jì)算公式。

四 《電磁場(chǎng)》教學(xué)效果及存在問題

在利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)進(jìn)行展示的階段，學(xué)生可以反復(fù)觀看教學(xué)內(nèi)容，充分把握課堂知識(shí)點(diǎn)，加強(qiáng)對(duì)理論知識(shí)的理解，提高空間思考能力和邏輯推理能力，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣；在線下教學(xué)階段，大部分學(xué)生能夠積極思考、大膽創(chuàng)新，從而提高了分析問題、解決問題的能力。兩種教學(xué)方式優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，極大地提高了教學(xué)質(zhì)量，顯著調(diào)動(dòng)了學(xué)生主觀能動(dòng)性。通過對(duì)比往年的學(xué)生平時(shí)作業(yè)和期末成績(jī)，改革后的《電磁場(chǎng)》課程通過率為95%，相比改革前提高了30%，因此改革后的《電磁場(chǎng)》課程具有更好的教學(xué)效果，卷面分析顯示大部分學(xué)生對(duì)《電磁場(chǎng)》知識(shí)的把握不僅是背誦公式，而是能夠準(zhǔn)確完整地分析問題、建立模型、求解結(jié)果，達(dá)到了該課程的培養(yǎng)目標(biāo)。

但是采用該教學(xué)方法時(shí)應(yīng)注意以下問題：

（1）篩選合適的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源。網(wǎng)絡(luò)上教學(xué)資源泛濫、質(zhì)量參差不齊、難易程度不等，與教材、培養(yǎng)目標(biāo)、課程重點(diǎn)等不一定完全匹配。如何根據(jù)教學(xué)目標(biāo)、趣味性、資源質(zhì)量和學(xué)生接受程度，篩選合適的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源，是教師應(yīng)當(dāng)注意的首要問題。教師需要長(zhǎng)期對(duì)大量的網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行深入跟蹤學(xué)習(xí)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，根據(jù)課程需求對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行整合篩選，甚至要對(duì)部分資源進(jìn)行重新編輯[7-8]。

（2）調(diào)動(dòng)學(xué)生參與網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的積極性。在利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)進(jìn)行展示的階段，少部分學(xué)生會(huì)因?yàn)闊o教師監(jiān)管而放松自我管理。例如，部分學(xué)生反映在觀看網(wǎng)絡(luò)資源時(shí)，很難不被網(wǎng)絡(luò)彈出的廣告、信息等吸引，從而降低學(xué)習(xí)效率。因此，如何強(qiáng)調(diào)網(wǎng)絡(luò)資源學(xué)習(xí)的重要性并集中學(xué)生注意力，是教師應(yīng)當(dāng)注意的問題。教師在選擇網(wǎng)絡(luò)資源時(shí)可以將重點(diǎn)放在更加生動(dòng)活潑、具有趣味性的資源上，在條件允許的情況下，還可以采用綠色健康網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)播放資源，同時(shí)強(qiáng)調(diào)網(wǎng)絡(luò)資源學(xué)習(xí)的必要性和重要性，盡可能杜絕外界不利因素對(duì)學(xué)生產(chǎn)生干擾。

（3）合理配置網(wǎng)絡(luò)資源和線下教學(xué)。在教學(xué)過程中，網(wǎng)絡(luò)資源教學(xué)和線下教學(xué)的主次關(guān)系可以根據(jù)教學(xué)目標(biāo)和學(xué)生的接受程度來合理配置。例如，利用網(wǎng)絡(luò)資源重點(diǎn)解決抽象概念難以理解的問題，結(jié)合線下教學(xué)對(duì)實(shí)際工程問題開展建模、分析和計(jì)算，兩種教學(xué)手段可以按照1：1時(shí)間比例進(jìn)行配置[9-10]。

（4） 夯實(shí)數(shù)學(xué)和物理基礎(chǔ)。學(xué)生在學(xué)習(xí)《電磁場(chǎng)》課程時(shí)發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)問題可以利用電磁場(chǎng)理論進(jìn)行分析，但是積分算式難以列出，對(duì)于涉及矢量的面積分問題更是不知如何計(jì)算，反映出學(xué)生數(shù)學(xué)和物理基礎(chǔ)薄弱，給《電磁場(chǎng)》學(xué)習(xí)帶來極大困難。因此，教師還要注重?cái)?shù)學(xué)知識(shí)的回顧，例如在求解例題時(shí)將每一個(gè)計(jì)算步驟解釋清楚，或者全面總結(jié)電磁場(chǎng)常用的數(shù)學(xué)公式等。

五 結(jié)語

《電磁場(chǎng)》課程是電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的核心基礎(chǔ)課，本文針對(duì)該課程的教學(xué)內(nèi)容特點(diǎn)和存在問題，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)和線下教學(xué)手段，介紹了該課程教改具體實(shí)施方案，對(duì)教學(xué)效果進(jìn)行了分析討論，同時(shí)指出采用該教學(xué)方法時(shí)應(yīng)注意的問題以及解決方法，為提高《電磁場(chǎng)》教學(xué)質(zhì)量、激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性提供參考。