浅谈电磁场在物理学知识体系中的嵌入

王强

摘 要：工程电磁场”是高校电气工程专业一门重要的专业基础课程。本文阐述了电磁场课程特点和地位，针对学生学习电磁场中遇到的问题，为提高教学效果，提出了理论结合实际，并结合电磁场在电气工程中的应用来提高学生的学习兴趣；采用对比总结的方法，构架课程体系，引导学生思考记忆；采用matlab和Ansys等软件，使电磁场理论形象化、直观化；充分利用精品课程，引导学生自主学习，加强教学效果。

关键词：电磁场课程；电气工程；精品课程；教学效果

一、结合电气工程相关课程及生产实例讲解电磁场的应用

由于电磁场课程数学公式和理论较多，学生感觉很枯燥，而且该课程在电气工程教学体系中是作为专业基础课，与物理课程中的电磁学相似，不少学生认为该课程并没有电气工程中其他专业课重要，而且看不到电磁场理论可以应用的领域。

事实上，电气工程分析计算时一般采用集中参数，如电压、电流等，很少采用微观上的分布参数，如电场、磁场等来处理。由高等数学中的微积分可知，集中参数实际上是分布参数积分而得。因此，电力系统中的电能从电厂传送到负荷，实际过程是电能以电磁场的形式沿电力系统各元件传递至电器。因此在“电力系统分析”、“电机”和“高电压技术”等课程的基础理论分析中经常借助电磁场理论，如变压器和电机磁场分析、电机中的气隙磁场波形和转子电枢反应等概念，以及输电线路电路参数的建立及输电线路下方地面附近的电磁场分布规律，其中分析输电线路的零序阻抗和电纳就是采用电磁场的镜像法。

结合电气工程其他专业课来讲解电磁场的应用可以让学生了解学习电磁场的重要性。教师可以结合工程实际如紧凑型输电线路和同杆双回线路的电场和磁场计算、跨步电压等，让学生了解科研和工作中可能用到的电磁场知识，让学生有兴趣学习，对学习电磁场提高重视。

二、对比总结，形成主线，构架课程体系

学生在学习电磁场过程中应了解电磁场知识的总体结构，学会对比总结，使学习难度降低，方便记忆相关公式和概念，如表1。

在讲授过程中应重点讲述通量和环量，散度和旋度，点乘和叉乘，因为在表1中的四种场，其基本定理和方程均是以上述概念为基础。如静电场中的环路定理和高斯通量定理的积分形式分别涉及环量和通量，而微分形式则分别涉及旋度（叉乘）和散度（点乘）。

在讲述各类场的电磁现象和原理时还应把握各种量之间的关系，形成一条主线，以便学生学习和做题时能方便记忆和着手做题。如静电场中描述场的物理量主要是电场强度、电位移矢量和电位，而基本方程中涉及的也就是电场强度和电位移矢量。在讲授时从库仑定律出发定义电场强度，由电荷计算电场强度公式出发定义电位，从而建立电位和电场强度的关系，也就是静电场环路定理，其中涉及旋度和斯托克斯定理。高斯通量定理则建立电荷分布与电场强度的关系，涉及散度和散度定理。其他几种场也可以形成一条主线，建立各物理量的联系。

在讲授过程中还应对比总结。如亥姆霍兹定理即矢量场的分布特性主要由其散度和旋度决定，这个定理在每种场的基本方程中体现得很充分，应在各个场中总结该定理的应用。

三、结合软件教学，使概念形象化

学习电磁场的难度还在于电磁场概念非常抽象，因此可以结合matlab、Ansoft Maxwell和Ansys等软件将场形象化，通过场图描述场的分布规律。

利用Ansoft maxwell软件仿真两个平行圆柱形导体，两导线间介质为空气，电位大小相等符号相反，电场分布如图1，电场强度幅值如图2。从上面两个图中可以清楚看到：导体内部电场强度为0；电场强度矢量线从正电荷出发终止于负电荷；电场强度矢量线之间没有交点，说明空间上任意一点电场强度大小和方向是唯一的，进一步可以延伸至静电环路定理，即电场强度沿闭合环路积分为0。

除了Ansoft Maxwell软件，也可以利用matlab软件对电磁场分布仿真、进行公式推导和三维视图仿真。在科研中有限元软件Ansys在输电线路电磁场环境仿真中也用得较多。这些电磁场仿真软件对于分析电磁场和波的问题非常简便实用，能将抽象不可见的问题形象化，这在教学和科研中都有很重要的意义。

四、利用精品课程，加强教学效果

在精品课程中除了课件、每章节知识点、典型例题及考试重难点这几个模块外，还应增加参考教材及相关读物、电磁场课程结构及与其他课程间的联系、工程实践应用、软件应用、自我测试等模块。

参考教材及读物可以列出中外著名教材清单，以适合不同层次学生学习的需要。可以适当增加一些相关电磁场实验的故事，不仅可以提高学生学习积极性，也可以使学生领会做科研做实验的艰苦和乐趣。工程实践应用可以采用500KV双回输电线路电场和磁场环境仿真、高海拔500KV紧凑型输电线电场仿真分析及与常规线路的对比等命题，给出研究背景、研究方法、步骤及结果，增加学生对电磁场学习的兴趣，使学得的知识得以应用。自我测试模块可以采用在线检测，这可以弥补传统课堂布置作业带来的一些问题，如教师批改作业不及时。学生可以利用在线检测，及时得到正确答案、解题思路和步骤。在这一模块中也可以设置教师批改作业并给出相应修正，这应视内容而定。

五、结语

工程电磁場课程在电类学科中具有较重要的地位，而学生学习该课程又遇到很多问题，如何解决学生的问题，提高该课程的教学效果值得探索和实践。本文围绕学生遇到的问题及课程特点，从电磁场在电气学科中的应用、对比总结形成主线、软件仿真教学及精品课程建设四个方面进行了初步的探索，旨在提高学生的兴趣和积极性，降低学习难度，引导自主学习，达到提高电磁场教学效果的目的。

参考文献：

[1]陈兆权，胡业林，杨岸，等.浅谈电气工程专业课学习的电磁场知识准备[J].中国科技信息，2011，（11）：193-195.

[2]王士彬，张莲，万沛霖，等.“电磁场”课程教学内容改革的实践[J].电气电子教学学报，2006，28（5）：8-11.

[3]蔺红，晃勤.电磁场课程教学改革探讨[A].第六届全国高等学校电气工程及其自动化专业教学改革研讨会论文集[C].北京：电子杂志社，2009：477-480.