“工程电磁场”课程的专题研究型教学模式

2011-04-02吴明赞

电气电子教学学报 2011年3期

吴明赞

（南京理工大学自动化学院，江苏南京 210094）

“工程电磁场”是一门重要的专业基础课程，但在该课程的实际教学中，很多学生反映这门课难学，教师要教好这门课不容易［1，2］。本文笔者根据多年在“工程电磁场”课程的教学实践中，探索了该课程的专题研究型教学模式以培养学生创新能力。

1 专题研究型教学模式

“工程电磁场”课程专题研究型教学模式是研究型教学模式的一个类型，它在强调研究的前提下，突出以专题的形式切入课堂教学［3］。教师采用这种教学模式，培养学生的研究意识、研究能力和创新能力，通过专题教学过程，引导学生进行研究性学习，是一种让学生掌握知识、培养研究能力和创新能力的教学活动。

专题研究型教学模式的提出和实施，打破了传统课堂形式，而是在教师的指导下，充分发挥学生的主动性和积极性，进行自我知识体系的建构，相对独立地对学科进行探索和学习，增强了学生主动学习的意识。因此，创设和运用研究型课堂教学模式已成为当前基础课教学改革的一项重大课题。

2 专题研究型教学模式

2.1 问题的探究性

“工程电磁场”课程专题研究型教学模式特别强调问题在教学活动中的重要性。问题是以专题的形式呈现的，在一个主题下设有不同层次的小问题，一环扣一环形成问题链条。在探究问题时，把问题看做是教师组织教学的着眼点和贯穿整过教学过程的主线，也就是学生学习的起点和持久的动力。例如“散度与旋度”这两个核心概念就是一个问题。散度和旋度是比较抽象的概念，学生甚至不懂为什么在电磁场学习中必须始终与之打交道［4］。针对散度与旋度这两个核心概念作为问题，如何应用探究性专题研究型学习来解决呢？

在学习电磁场之前，学生都已学习了“工程数学”中的矢量分析与场论部分，但如何将这些基础知识与”工程电磁场”的散度与旋度相衔接和结合？笔者认为，应该从以下五个方面入手：

（1）散度与通量（或旋度与环流）的定义，二者之间的联系与区别，从数学角度上看，两者均是场函数的偏微分，但从电磁场规律上看，引入两者却有一定的物理原因；

（2）利用类比方法，借助流体的流速场阐明通量和环量的物理意义，不能让数学描述的复杂性影响对物理意义的理解，应将数学描述同物理意义紧密结合起来，深入领会数学方法同物理模型结合的内在联系，把数学上的抽象理论融入到形象生动的物理模型和概念上；

（3）只有同时考察散度和旋度，才能全面反映矢量场每一点的性质。散度和旋度是针对不同场特点采用相应数学方法进行描述的，它们能给出场源与场的关系，从而确定所研究的矢量场，所以散度与旋度是研究矢量场的主要数学工具，必须深刻理解其定义的内涵，这样才能对电磁场理论有深刻认识；

（4）源密度、边界条件与场；

（5）散度（或通量）、旋度（或环量）和边界条件一旦确定，场被唯一确定。

讲清楚以上五个问题，描述和确定场的规律就清楚了。若在开篇之初讲清以上问题，定会对该课程的深入学习大有裨益。

2.2 参与的能动性

专题研究型教学离不开教师的引导，更重要的是教师要在教学过程中发动学生主动参与或传统观点。例如，在静态场部分的教学中主要做电容和互感的测量实验，多导体的部分电容和互感是静态场中非常重要两个概念。要求学生在掌握部分电容和互感的特性及测量原理的基础上，应用测试具体参数，对比测试结果与理论计算结果是否相吻合。实践表明，实验开发和测试可以促进学生综合运用所学知识的能力。

2.3 前瞻的科学性

“工程电磁场”课程专题研究型教学应以问题为组织教学的起点，以专题为研究的焦点，从课前设想和问题的多样化设计到实际操作中复杂情况的处理，以至于结论的推演，都需要前瞻性思维。逻辑思维过程的科学性，才能保证对学生研究意识、研究能力、创新能力和实际能力的成功培养。例如，如何把握“工程电磁场”课程教学中的理论规律，可以进行如下的前瞻性思维，以便进行专题设计。

1）构建“工程电磁场”课程的理论框架，用理论上的逻辑关系统领全部内容。为此，可以应用方框图总结每种场的理论建立过程。例如在静电场中，由库仑定律和电场的迭加原理导出真空中电场的通量定理和环量定理，在研究了电介质的特性之后引入电位移矢量，从而导出静电场基本方程；在恒定磁场中则从安培定律和磁场的迭加原理出发，导出了真空中磁场的通量定理和环量定理，在研究了磁介质的特性之后引入磁场强度矢量，继而得出恒定磁场基本方程。由此可见，两种场的理论框架极其相似，这正是电与磁的相对性和统一性的体现。

2）将描述和确定场的规律应用于“工程电磁场”课程教学中，就得到了表征不同场特性的基本方程。例如，由于静态场是一种特殊的动态场，可以推及一般。当用方框图把电磁感应现象引入静电场，把位移电流假说引入恒定磁场，就得到了电场普遍规律和磁场的普遍规律。值得注意的是，此时电与磁从形式上也实现了统一，成为不可分割的整体。因此能够进行更概括的综合，这就是电磁理论的核心—麦克斯韦方程组。这样分析综合”工程电磁场”中静态场的理论规律，具有重点突出、脉络清楚和总揽全局的作用。

3）如果描述两种物理现象的方程具有相同的数学形式，并具有对应的边界条件，那么它们解的数学形式也将是相同的，这就是比拟方法。在“工程电磁场”课程教学中，电现象与磁现象在宏观上有很好的相似性，研究方法上也十分相似。恒定电流场和恒定磁场等章节可以与静电场这一章进行比拟教学。例如电偶极子和磁偶极子辐射的对偶关系，某些波导中TE波和TM波间的类比关系等，它们都是基于麦克斯韦方程普遍式中电场和磁场场量间的类比关系得到的。这类知识在掌握了电现象的基础上，利用电磁比拟关系，很容易理解磁现象。

2.4 师生的深层互动性

“工程电磁场”课程专题研究型教学特别强调师生课内课外及课前课后的互动性。例如，法拉第电磁感应定律是联系电场与磁场的枢纽，可是这一节课的讲解原本比较枯燥，如果教师围绕讲课主体适时地展开知识联想和新旧知识融合，联系一个公式ε＝－dφ／dt展开互动，将涉及到的两个学过的概念，即磁通和电动势，让学生从已学知识中找到法拉第定律新知识的真谛。

2.5 教学方法的创新

教师在“工程电磁场”课程教学方面应当确保专题的导向作用，能从宏观的视角和微观的内容方面给予学生明确的指导。

我们会对某些例题采用一题多解。例如，计算电容器的电容七种解法，我们可通过分析比较找出这七种解法的异同，便于学生掌握和记忆；在讲解线电荷和线电流产生的场时，注意到它们的相同之处是：场强的大小是与场源成正比，与距离成反比的，且都满足叠加原理。其相异之处是方向不同：前者是沿着径向，而后者是沿着角向等。

一种打破常规的逆向思维式教学值得推广。例如，在介绍位移电流概念时并非直接给出定义，而是通过分析在麦克斯韦方程建立过程中，电流连续性方程与安培环路定理之间的矛盾，利用对电流连续性方程的变换处理，来建立二者之间的统一性，从而通过将电流连续性方程与安培环路定理融合成为全电流定律，引出了位移电流的概念。这种教学方式既能够灵活安排授课内容，又能够促使学生建立多维化的思维方式，提高解决问题的应变能力等。