工程电磁场课程内容调整建议及教改实践

苑东伟，李慧奇，赵小军

(华北电力大学 电气与电子工程学院 河北保定 071003)

·教 材 建 设·

工程电磁场课程内容调整建议及教改实践

苑东伟，李慧奇，赵小军

(华北电力大学 电气与电子工程学院 河北保定 071003)

针对目前国内高校工程电磁场课程教学内容进行调研，通过调研国内高校通用教材及大学物理电磁学内容，结合在教学中出现的典型疑问进行解答，提出了对工程电磁场课程内容及作业布置的具体调整意见，在现有学时条件下，强调重点与难点，合理分配学时，辅助配套实验、大作业、创新实践项目等进行辅助教学，更好地开展电气类工程电磁场教学实践。

工程电磁场；内容调整；教改实践；创新实践

工程电磁场课程是高等院校中电气及电子工程类及相关专业本科阶段一门重要的专业基础课程，与电路理论一起构成了电气类专业的“场”与“路”两大基础理论。在学生完成高等数学、大学物理、电路理论等课程后，开设工程电磁场课程。工程电磁场不仅是重要的专业素质基础课程，也是能够衍生出众多交叉学科问题的来源处。本课程的设置及教学实践是否成功，影响到对学生专业基础培养的问题。电磁场课程由于其自身的抽象性、复杂性，教与学都是一个很艰难的过程，所以本课程的教学实践改革应是长期深入，不断改进与研究探索的过程。

1 课程定位

工程电磁场是电气电工类专业必不可少的专业基础课程，课程重点地位不容置疑。在任何一门电气专业课程背后，电磁场的观念无处不在，例如：电工电路中的储能元件、无功功率；电力系统中等效电路图中的等效电感、分布电容参数的设定，传输线参数及求解；高压电气中的电晕分析计算、绝缘分析保护；电机中铁芯磁路线圈磁路分析，电磁感应变压变电等。学生在本科、研究生及以后更高阶段的学习研究中，均可以发现电磁场理论的重要地位，应用无处不在，在每一篇电气电工类文献专著背后，都是离不开场的思想的。

2 课程内容调研

目前国内高校中，电气类专业工程电磁场课程学时普遍在48～64学时，远远少于电子通信类电磁波课程学时，而同美国等典型国外高校实施的两个学期144学时相比，更是相差甚远。在学时不多的情况下，如何能够将对数学物理基础要求甚高、概念抽象、内容艰深、计算复杂的本门课程内容讲清楚，是教学课题组及授课教师必须要解决好的重要问题。国内工磁课程一直是在大学物理课程之后开设，各高校教师教材讲义差异不大。课程结构大体分为两种：1)基于演绎结构。由麦克斯韦方程组出发，然后针对具体典型场问题加以阐述，最后扩展至动态电磁波问题。典型教材为高等教育出版社出版、由倪光正等编写的《工程电磁场原理》[1]。2)基于归纳思想，由各个典型场问题出发，最终归纳出麦克斯韦方程组，典型教材为清华大学出版社出版，由王泽忠等编写的《工程电磁场》[2]，通行本《大学物理》，以及由William.H. Hayt,Jr.等编写的全美高校通行“Engineering Electromagnetics”等经典教材[3]。

但在具体的教学过程中，不论采用哪种结构的教材，对在大学物理课完成之后开设的电磁场课程，学生总是提出一个相似的疑问：“为什么很多问题在物理电磁学中，我们已经学过，而现在又觉得听不懂，题目做起来很困难？”“为什么很多题目还都是用高斯定理求解的呢？是不是只要会做高斯定理、安培环路定律就行了？”这些疑问无疑表明了，学生并没有真正理解电磁学的内涵和精髓，对电磁问题还没有建立清楚的认识，而从教学内容本身去看，教学重点的设置应该重新调整。

3 课程内容调整建议

由于学时限制，物理电磁学重复等客观问题，华北电力大学电气与工程学院如何在48学时或64学时内，将内容有效整合面对目前最迫切的问题，通过比对物理教学内容，提出以下具体调整意见[4-5]。

3.1 略讲及删去的内容

数学场论基础中的细节推导可略去，如线面积分、梯度散度和旋度、散度定理和斯托克斯定理中的具体坐标展开推导，精讲一个即可，其余类似的可略去；电磁感应定律的推导是物理电磁学中精讲过的，可不讲推导，重点放在全电流定律的解释上，强化位移电流的概念，明确出电磁耦合的思想。在静电场和静磁场部分，略讲物理电磁学中重点讲授及考察的内容，如高斯定理、安培环路定律的典型例题计算及应用，具体可以在重新介绍完定理后，只精讲一至两题；将例题进行调整，重点介绍由场源剖分后直接积分求场分布，强化电磁场问题中的由源求场分布的思想，使学生在物理电磁学的基础上更进一步深化理解。内容思路类似或重复部分注意详略得当，如磁力线的绘制部分因其与电力线部分类似，可以略讲，讲到共线方程即可；极化与磁化部分类似，精讲极化，略讲磁化；电场能量、电场力与磁场能量、磁场力部分也是精讲前面即可。

3.2 重点讲授及考察内容

精讲麦克斯韦方程组的物理意义、各种场的基本方程、电磁波动方程等，加深学生对这些重要基础问题的理解与应用，将学生从物理电磁学中建立零散的电磁观点整合统一为场的思想，成为指导其今后从事学术研究的思想观念；精讲边值问题强化对边界条件的理解与应用，鼓励学生多多使用边值问题去建立电磁模型进行分析计算，适当介绍清楚后续求解问题，与数理方程求解建立接口，推荐学生认识简单数值计算方法，例如，有限差分法，可通过布置大作业的形式来辅助学习了解数值计算的过程；梳理清楚电磁场的基本问题，即源场分布的因果关系：源—媒质—场结果，结合场的方程建立清晰的思想；重点讲授电容、电阻(电导)、电感的计算，结合电路及电力专业课程讲授清楚，使学生今后在建立实际工程问题的等值或等效电路模型时能够正确求解等效电路参数；适当增加准静态场部分内容，将典型电力工程情况如磁屏蔽、集肤效应、铁芯回路涡流等介绍清楚。

3.3 课程讲授中的倾向性

在每一个知识点讲授中，教师均应注意与物理电磁学的区别，整体应该站在场的思想上并结合电气专业知识背景进行讲授。例如，在介质击穿场强部分结合高压绝缘实际情况；电感电容部分结合电路等值参数的建立与求解；电导部分结合电力系统接地等内容进行具体讲授；在动态电磁波部分，可以借助于动画演示等手段进行形象展示，以加深学生的理解。

3.4 课程配套实验改革

在实验环节，可以增加综合演示实验及创新工程小实验,根据具体实验室条件，对电磁波的发射、接收与测量，载流线圈的场分布与自感，电磁测量环境及仪表等进行展示，充分利用实验室，尽最大可能地研发和设置一些实验环节，真正使学生认识并了解具体典型电磁问题及相关现象，帮助其深化对电磁场实际情况的认识与理解。

3.5 课程作业布置及实践创新

教材的配套题目本身设计较好，知识点覆盖完整。但在实际教学中，很多题目与物理电磁学中一些题目非常类似，如果重复布置，对学生而言只是重复练习，并没有在内容上有更多的更新[6]。根据这种情况，教师在授课过程中，对例题和作业题应重新筛选，将结合典型场思想的题目加以强化讲授和课后布置，可适当增加学时讲授一些具有工程背景的应用类题目，包括数值计算类例题。教师根据学生素质情况增加课程综合类作业，鼓励学生结合电气工程实际开展研究。例如，查阅相关课题文献，撰写调研报告；布置一些简单电磁场建模及数值求解类型的实践环节，指导学生根据典型算法如FDTD和有限元等方法进行简单算法编程计算；布置学生根据所学知识完成实际电磁类问题的相关调研类、实际工程类综合性作业。在创新实践环节中，结合大学生创新创业类实验项目等活动，组织创新实验小组，结合电磁工程问题开展创新设计。通过这些教学实践，弥补原有教材习题的不足，扩展了学生的专业知识。

4 结束语

综上所述， 在工程电磁场教学中，教学团队结合课程自身的特点应该不断坚持调整、创新，改进、研究和探索适应学生及工程发展的实际需要，将教学与实践更好地结合。

[1]倪光正. 工程电磁场原理[M].2版. 北京:高等教育出版社, 2002.

[2]王泽忠, 全玉忠, 卢斌先. 工程电磁场[M].北京:清华大学出版社, 2004.

[3] William.H.Hayt, Jr, A Buck J. Engineering Electromagnetics[M].7th Edition.The McgGraw-Hill Companics,Inc,2006 .

[4] 傅文珍. 少学时情况下“工程电磁场”教学体系改革[J]. 中国电力教育, 2013(23):66-67.

[5]卢斌先. “工程电磁场”课程教学方法探讨[J]. 电气电子教学学报, 2012,34(3):96-97.

[6] 刘雄英，马冰然. “电磁场与电磁波”课程教学中的归纳与演绎[J]. 电气电子教学学报, 2010,32(5):56-57.

Content Adjustment Suggestions and the Education Reform Practice in Engineering Electromagnetic Field Course

YUAN Dongwei, LI Huiqi，ZHAO Xiaojun

(School of Electricaland & Electronic Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China)

In this paper, we research the current domestic colleges and universities “engineering electromagnetic field” research teaching of teaching content. Through researching the domestic general colleges and universities teaching material and content of university physics electromagnetism, combined with the typical question answer in teaching, we proposed to the “engineering electromagnetic field” course content and work arrangement of specific opinions, under the condition of existing class hours, we emphasize the key point and difficulty, reasonable distribution, an auxiliary experiment, great job on the auxiliary teaching, innovation practice projects, better electrical class engineering electromagnetic field teaching practice.

engineering electromagnetic field; content adjustment; education reform practice; innovation practice

2014-07-11

教育部高等学校专业综合改革试点及国家大学生校外实践教育基地建设工作项目(13011201)。

苑东伟(1980-),女,硕士,讲师,主要从事电磁场数值计算、电磁兼容方面的研究。

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.06.060