电气工程及其自动化专业“工程电磁场”课程教学改革探索

聂相举

摘要：“工程电磁场”是电气工程及其自动化专业的专业基础课，根据我校进行工程教育专业认证专业之一电气工程及其自动化专业的培养计划及其专业特点，介绍了工程电磁场理论课程教学改革的一些尝试性方法，可以培养和提高学生的工程实践能力。

关键词：电气工程;工程电磁场;教学改革

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）32-0069-01

工程电磁场是电类专业一门重要的、理论性较强的专业基础课程，它所涉及的内容是相关专业本科学生知识结构的必要组成部分。本门课程的理论性较强，物理概念较抽象，要求的数学知识较多，该课程的突出特点是理论严谨和体系完整，在逻辑推理和数学分析上都具有一定的典型性，它不仅为专业课程提供了必备的基础知识，而且培养学生正确的思维方式并掌握科学分析问题的方法，为学生解决实际的工程问题奠定初步的理论基础。[1]

一、根据专业新特点调整教学内容

电气工程及其自动化专业学习的专业课程主要是我们所谓的“强电”，其后续课程中与工程电磁场有关的是电机学及电力拖动技术、电力电子技术、电磁兼容技术等电磁设备和器件的分析与设计。因此，学生感觉工程电磁场这门课用处不大，学习积极性不高，在课程内容安排上，还是以静电场为主，虽然上课时反复强调该课程与普通物理等课程中的相关内容在教学上不同，但仍然容易使学生产生内容重复的感觉。

专业认证教学计划调整后，我校的电气工程及其自动化专业的工程电磁场这门课学时调整为32学时，但随着科学技术的发展和不同专业间的相互渗透，大型自动控制系统中涉及的电磁场问题越来越多，电磁场理论与电气工程及其自动化专业的关系也更加密切，这就从客观上要求学生掌握更多的电磁场理论知识，原来的教学内容必须拓宽。这就形成了内容增加和学时减少的矛盾，为了解决这个矛盾，对课程内容做了如下调整：

1.删减静电场内容

工程电磁场这门课大多数在教学内容安排上遵循先静电场，后时变场的思路，并且静电场所占比例较大，但从这部分内容的基本概念考虑，学生在大学物理中就有所接触。因此，我们不按照静电场、稳恒电场、稳恒磁场，这样的模式组织静电场内容，从开始就直接进入到时变电磁场中，即首先引入麦克斯韦方程组，讨论时变电磁场的基本运动规律，因为麦克斯韦方程组可以解释电磁场的一切宏观现象。在麦克斯韦方程组教授时将静电场作为一种特殊情况引出，用较少的学时介绍其特殊性以及与时变电磁场在理论上的一致性。这样既节省了学时，保证了理论的完整性，又可避免学生在学习静电场时产生的厌烦心理。[2]

2.增加应用背景内容

工程电磁场这门课具有广泛的应用背景，尤其在工程实践、科学研究以及日常生活当中。但目前绝大多数教材都没有相关内容的简介，而对电磁现象的应用背景介绍会激发学生对其产生强大的兴趣。比如在课堂上和学生讨论微波炉中为什么不能用金属器皿;短波收音机为什么晚上会收到更多的台但干扰大的问题;医院的核磁共振设备是依靠什么原理检查人体的状况等，使学生意识到该课程的重要性，提高学习的积极性。[3]

3.加强时变电磁场理论的教学内容

学习本课程之前，学生对于时变电磁场的知识仅限于简单的电磁感应现象，更多的只是定性认识，但在现代社会中的广泛应用，时变电磁场是工程电磁场这门课的教学重点。通过静电场内容的科学删减，用于该部分内容的课时可达16学时。在内容讲解上，可直接由麦克斯韦方程组推出亥姆霍兹及波动方程，并且可以适当的增加时变电磁场理论的具体应用和发展状况，帮着学生理解相关概念，可以提高教学质量。[4]

二、教学手段的改革

1.简化数学推导过程，注重结论认识

工程电磁场理论这门课概念抽象、理论性强、用到数学知识多，这是电气学生的共同感受。主要是表现在对矢量分析等知识方面。教材中满篇的点乘、叉乘、矢量符号就厌倦了，未学先惧是学生存在的普遍现象。那么，如果在授课过程中进行大量的数学推导，一方面学时有限，另一方面必定会加剧学生对本门课程的畏惧。所以要简化数学推导，只要讲清分析思路，将重点放在结论认识上。[5]

简化数学推导并不是完全回避数学内容，而是要详略得当。一处详讲后，以此类推，只进行分析思路的讲解，直接拿结论来用。例如，麦克斯韦方程组是研究一切宏观领域电磁现象的理论来源，为此从相关的法拉第电场感应定律、高斯定理、安培环路定律、磁通连续性原理等学生已有的物理概念入手，逐步归到麦克斯韦方程组上来，并对方程组的物理意义作详细的讲解。这部分内容要从数学、物理两个方面仔细讲授，让学生真正掌握麦克斯韦方程组的实质，认识到它的重要性。

2.教学方式多样化

传统的教学方法是老师利用黑板用板书上课，但是由于工程电磁场这门课有大量的数学公式，并且有复杂的图形也非常难画，如果用板书画就会浪费很多时间，学生也会失去耐心，久而久之，便失去了对这门课的兴趣。所以，多媒体软件的制作，会使枯燥的教学内容变得生动，例如许多难以理解的抽象的电磁能量转换过程和电磁场的分布可以显示出来，这样能够加强学生对基本概念的理解。利用软件如ANSYS或者ANSOFT进行电磁场演示，[4]可以使学生清楚的看到电力线、磁力线、等位线等的分布，这样不仅加深印象，还有利于激发学生的学习热情和兴趣。

但是如果只是单纯的使用多媒体课件进行教学，学生就会感觉反感，像放电影一样没有任何收获。同样只是单纯的使用板书进行教学，课堂气氛就会显得格外枯燥无味。所以将多媒体课件和板书这两种教学方式结合起来，一方面可以发挥多媒体信息量大、直观的优势;另一方面可以保留板书教学逻辑严密的优势，这样学生就会较容易的理解这门课程。

3.启发式教学

电磁场是既看不着也摸不着的，要想掌握其规律，必然涉及认知心理学的问题，研究表明，对于难理解的知识，学生通常采用逃避的方法。所以，在授课过程中，教师既要分析学生又要分析教材所授内容。适当的处理内容的复杂程度，可以将复杂的知识点分解成各个小知识点，最后融会贯通。另外，研究还表明，中等程度的不确定性容易引起学生的注意。[6]所以，在教学的过程中要通过适当的不确定性来引起学生的探寻。特别在解决一些问题时，多安排不确定性，以使学生分析和解决问题。但是概念性的问题少一些不确定性，比如，闭合线圈是如何产生电流的？在解决问题中，老师要给与必要的引导，啟发自主思维，来理解电磁感应规律。

另外，在教学过程中可以采用实验启发式教学方法。比如在讲解楞次定律时，可以借助实验设备向学生介绍当条形的磁铁插入和取出时磁场的变化而导致磁通量的变化，从而才产生感应电流的整个过程。通过这种教学方法，既可以激发学生的学习兴趣，使课堂气氛活跃，又可以提高教学效果。

三、理论联系实际，提高工程实践能力

理论联系实际对工程电磁场这门课尤为重要。电磁场看不到、摸不着，如果只是讲解理论知识，不和工程实际联系在一起，就会使学生感到枯燥，不知道学是为了什么，影响到学生学习的积极性。所以，把理论联系工程实际贯穿于整个教学过程中，一方面可以提高学生的学习兴趣，另一方面可以提高学生的工程实践能力。[7]例如，讲解电场感应时和电动机、发电机结合在一起;讲解极化时和电视天线结合在一起;讲解波入射时结合光纤中的信号传输等。这样通过联系实际，加深学生对理论的理解，提高学习的热情和兴趣。

四、结束语

工程电磁场是电气工程及其自动化专业的一门专业基础课，根据工程教育专业认证的特点对工程电磁场课程进行了一些试探性的教育教学改革，可以激发学生的学习兴趣，有效调动学习积极性，提高工程实践能力，为电气工程专业课程的教育教学改革进行了有益的探索和研究。

参考文献：

[1]张慧娟，杨文荣.工程电磁场与电磁波基础[M].北京：机械工业出版社，2010.

[2]雷银照.电磁场[M].北京：高等教育出版社，2010.

[3]于艳等.电气工程及其自动化专业电磁场课程教学内容整合及教学方法研究[J].电气电子教学学报，2008，22（4）：64-66.

[4]刘仕兵，刘子英.电气工程专业电磁场课程教学改革探索[J].华东交通大学学报，2006，（23）：70-71.

[5]杜国宏，曹俊友.基于CDIO的电磁场与微波技术类课程教学改革探讨[J].电气电子教学学报，2009，（9）：52-54.

[6]皮连升.教学设计——心理学的理论与技术[M].北京：高等教育出版社，2001：228.

[7]倪有源，鲍晓华，张学.工程电磁场课程教学改革研究[J].课程教材，2011，（7）：73-74.

（责任编辑：劉翠枝）