应用型高校工程电磁场课程教学改革的研究与探讨

高深　蔡纪鹤　陈伦琼

[摘 要]工程电磁场是电气类专业三大主干课之一。为了适应应用型高校学科发展的需求，并结合目前课程教学所存在的普遍问题，文章主要从教学手段、教学方法和教学实践等方面提出了改革方案：在教学手段中适当引入COMSOL仿真软件相关案例进行辅助教学，以提高学生的空间想象能力;教学方法上应用类比法讲授课程，提高学生的理解能力;在教学实践上，发挥高校大学生创新创业项目的特点，将工程电磁场理论与实际生产应用相结合，鼓励学生对交叉学科进行学习探索，以此提升学生对工程电磁场相关知识的应用能力，从而进一步提高工程电磁场的教学质量。

[关键词]工程电磁场;应用型高校;COMSOL仿真

[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2021）09-0110-03

工程电磁场、电路、电机学是电气工程类最主要的三门专业基础课程，而工程电磁场又是电路和电机学的基础[1]。例如，电磁场中的电流守恒定律是电路课程中基尔霍夫定律的理论基础;电磁场中的磁学部分又是电机学课程中磁路分析的物理基础; 另外，电磁场中的静电场也是电气高电压领域中气体放电物理的重要组成部分。因此，工程电磁场是学习其他电气类专业课的基础，学生要对此引起重视。电气专业是偏向实用工程类的学科门类，工程电磁场课程很多内容往往是抽象的、难以理解的，很多学生学起来感觉枯燥、乏味，并且认为其与电气专业关系不大而没有引起重视。因此，在授课过程中，工程电磁场往往是学生在学习过程中难以理解的课程。学生在学习过程中学习兴趣低，缺乏积极主动性。怎样使学生牢固掌握工程电磁场的理论知识是本课程教学改革的重要内容，同时结合应用型高校的特点，如何引导学生对该课程的学习做到举一反三，并将所学知识应用到实践中是本文研究的主要内容。

一、工程电磁场课程的特点

1.在课堂讲授过程中，数学公式推导很多，学生难以理解。数学基础较差的学生，往往在上课中拘泥于公式的推导过程而忽略了本质的物理意义，因而在听课过程中无法跟上老师的讲课节奏[2]，最终对重要的物理基本概念和规律没有掌握，久而久之就对课程失去了学习的信心，变得自暴自弃，甚至出现课上打游戏或者逃课的现象，很多学生考试不及格。另外，大部分高校在考研时不考工程电磁场这门课，因而大部分学生没有对该课程引起重视。

2.工程电磁场课程的物理概念比较抽象，其是一种看不见摸不着的物质，没有实物可供测量，教师对此应特别加以强调。很多学生在学习过程中难以理解，跟不上教师的上课节奏，因此导致后续课堂的教学效果不好。课后作业大部分都是拘泥于公式推导类的习题，学生仅仅只是应付式地完成作业，甚至有抄袭现象，很多学生不知道这门课自己到底学了什么，有什么用途，今后能干什么。

3.工程电磁场课程与实际应用、就业上岗直接关联不大。大部分学校每年都会对本专业的教师和学生进行教学效果的问卷调查，发现少数学生对工程电磁场课程没有引起足够重视，认为 “此门课程与自己的就业没有太大联系”，因此上课听讲也就失去了主动性，甚至有的学生干脆上课不听，等到期末考试时又存在临时抱佛脚的现象。另外，大部分高校都是通过期末考试来考核学生对知识的掌握情况的，这种做法难免会引发学生临时突击，对知识概念不理解，公式死记硬背等问题，一旦考试过后学生对所学内容很容易忘记，从而失去了课程教学的意义。

二、工程电磁场的教学改革探索

工程电磁场是电气专业类非常重要的基础课之一，該课程的难点在于要求学生具有扎实的数学和物理基础[3]。在讲授过程中，加强学生的理论基础是重中之重，同时也要提高学生在课堂中的学习积极性。 比如在课堂讲授过程中，实时穿插该领域的研究热点及发展概况可以激发学生的学习兴趣，同时要给学生消化知识的时间。 具体表现在以下几个方面。

1.夯实基础教学。对于工程电磁场课程而言，学生的首要任务是夯实相关的数学基础，比如矢量，张量的分析、理解，矢量场和标量场的概念，以及梯度、散度、旋度的计算和区分。对于此部分，应该在课堂讲授过程中进行随堂检测，并在后续过程中进行相关知识的复习，以便及时了解学生对该部分知识的掌握情况。

工程电磁场的各部分教学内容往往是递进关系，比如第一章的矢量分析就是后面章节如何计算电场和磁场的旋度、散度的数学基础。在具体讲授本节课内容前，教师可以给学生复习与本节课内容相关的，之前所讲授的知识。这样既可以让学生加深上次课所学知识的印象，也可以让学生了解两次课内容的衔接点。

另外，可以用类比的方法给学生讲授相关知识。比如，在讲解静磁场内容时，可以对比静电场的相关内容，首先通过公式对比，让学生发现，静电场是一个有源无旋场，而静磁场是一个有旋无源场。其次对边界条件进行对比，当分界面存在自由电荷时，电位移矢量法向分量不连续，电场强度切向分量连续;当分界面上有传导电流时，磁场强度的切向分量不连续，磁感应强度的法向分量连续。这些特点又反过来印证了上述第一点对比内容，即静电场是无旋场以及静磁场是无散场的特点。这样一来，学生不仅可以记住相关知识，还能清楚地掌握各部分内容的特点，对以后复习起到了促进作用。

2.明确教学内容，注重课后复习，加强互动与交流。在工程电磁场课程讲授过程中，往往需要大量的计算分析，很多学生都拘泥于物理公式的由来，而忽略了公式的最终实际应用价值和物理思想。有些数学基础较差的学生在推导过程中跟不上教师的思路，往往在讲授下一部分内容时，部分学生还在对其中内容进行推导，从而影响了后续听课效果。

为了提高学生的听课效率，教师在推导之前，应明确地告诉学生下一步要做什么，采取什么方法，最终得出的公式的物理意义是什么，应用在什么条件以及适用范围，在应用过程中比较容易出错的地方是什么，课程的重点是什么，哪部分是必须了解的内容。另外，在推导公式的过程中，不能一味地推导，要让学生知道公式推导方法是什么，这样学生在课后复习时才能有针对性，即便课上没跟上，也可以根据教师提供的方法自己得出相关结论。课堂上可加强师生之间的相互交流和讨论，给学生接受知识的缓冲时间，这样可以提高学生的积极性，课堂效果才能显著提升。

另外，还要注重课后复习，引导学生积极探索与本课程相关的知识，拓展学生的知识面，让学生主动地，而不是被动地学习知识。为此，可以建立微信群，让学生在群里讨论自己的想法，并通过计入平时成绩的方式鼓励大家积极参与。此外，通过微信群给学生发布有关电磁场国内外发展前沿的相关课件和视频，使大家时时刻刻都能够体会到所学课程的用途;学生也可以在群里发布相关课程视频和图片，这样学生如果课上没有听懂，也可以利用课下时间自主学习和交流。同时，要鼓励学生们参加校内外的学术交流，也可以观看网络上的视频讲座，通过多媒体等各种方式拓展视野，开阔眼界，提升学生的学术水平 [4]。

3.采用仿真软件进行教学。不同于实物粒子，电磁场是一种看不见摸不着的物质[5]，在讲授过程中学生难以理解，因此如何提高学生的理解能力以及把握知识的掌控度是当务之急。很多高校通常将Matlab仿真软件引入工程电磁场课堂中，甚至专门开设了Matlab仿真课程设计。相对于Matlab数值软件来说，COMSOL仿真软件的优势是不需要烦冗复杂的编程，只需要按部就班地进行点击操作就可以实现具体仿真内容，对于初学者来说更为方便。另外，COMSOL即使对于复杂模型的计算也能够直观地用图像形式描述电磁场的空间分布。学生通过使用该软件后具有一定的操作基础，以后可以根据教师科研项目或者毕业设计的要求进一步学习。

教师应该熟练掌握 COMSOL仿真软件中电磁场模块的基本操作，着重研究讨论工程电磁场课程的教学大纲要求、重点与难点，选择和设计典型问题作为范例，學习 COMSOL中的相关下载案例，全面系统地开发这些范例所对应的配套辅助教学资料，并在辅助教学实践中不断完善。具体步骤建议如下：

（1）教改方案和设计思路：对学生开设短期课程的COMSOL仿真软件的系统培训，教会学生如何建立模型，如何求解简单环境下电磁场的空间分布。

（2）在教学改革中，参照工程电磁场教学大纲，对于授课中部分难以理解的内容，选取计算量较大的且空间物理抽象的实例引入教学过程中。 基于COMSOL仿真软件，针对仿真操作流程、调试和优化，编写一套完整的辅助教学讲义和资料。

例如，将一个实心圆形且密度均匀的导体引入交变的正弦磁场当中。通过对利用相应的COMSOL软件进行有限元仿真分析，来模拟空间物理场的分布情况。可以看得到的球体感应电流和空间磁场（如图1所示）非常清晰，学生在上课过程中可以一目了然。对于静电场复杂问题模型也可以用同样的方法得到满意的结果，这不仅减小了烦冗的计算，还能够更直观地表现相应的物理模型。

4.将部分重点、难点内容以实验教学的形式贯穿到课堂中。为了激发学生在工程电磁场课堂中的积极性，需要将实验手段引入课堂教学当中，有助于学生对知识的理解。传统的实验教学方法是：指导教师按照教学大纲的要求来布置学生的实验任务;学生在固定的时间完成实验后，再完成相应的实验报告，回答教师提出的问题，再由指导教师根据学生实验情况及完成情况评估成绩。这种情况下学生很少能够提高自主学习的能力，只能一味地被动接受知识，有时候仅仅为了完成任务而进行实验。因此，如何调动学生对实验的积极性，是要研究的问题[6]。在课余实验或者在教师的科研项目中，教师可以提取与课程内容相关的知识点，通过教师一系列的启发和指导，让学生自主设计具体的实验内容，以提高学生的学习能力。在课堂教学过程中，除开设验证性实验外，教师还可以在课堂上通过实验现象的方式启发、引导学生对新知识进行理解和掌握，让学生以分组讨论的形式主动学习，提高学生的抽象思维能力。

5.以产教融合促教学，提高学生的实践能力。应用型高校应加强学生实践环节，把电磁场理论知识和实际应用发展相结合，这是应用型高校的学科特色，也是其要努力的目标。要利用工程电磁场自身的学科优势，实行产教融合，改变学生认为工程电磁场这门课程“不实用”的偏激思想。另外，课余时间可以邀请有关科研项目的专业教师，举办本课程研究发展动态、国内外研究进展学术讲座。同时，应积极鼓励兴趣较高的学生参与相关课题研究，进一步提升学生的专业兴趣。具体形式为：结合目前电磁场相关的知识体系，实行交叉学科的科研探索，比如电磁场与气体放电物理的结合，在具体放电实验中引导学生思考电磁场对某一参数的影响，从而达到培养学生独立思维能力的目的。

学校和学院作为指导单位，还应鼓励学生积极申报大学生创新创业实践项目。由专业教师为相关负责人，鼓励学生自行申报课题，激发学生的想象能力，提升学生对知识的应用能力。对于工程电磁场课程而言，项目验收时可以用具体设计的实验装置或者科研论文的形式，再由相关教师进行评估，对学生的工作予以批评或鼓励。这种形式也适应应用型高校的发展理念。

为了培养学生对课程的实践能力，实验操作与实训技能培养应增加课外实践活动，带领学生参观有相关实验条件的科研院所，开展与本课程内容相符合的工厂实习，以培养学生的应用技能与创新能力，实现研究性学习。开展与学科教学相融合的专题研究的根本目的是弥补课堂教学的不足，它与课堂教学是相互补充、相互促进的共生体，而研究性学习正是以此为切入点，并将其作为主要的教学目标[7]。在学生对工程电磁场课程内容有所了解后，可让学生参与到相关内容的课程研究项目中去，其目的是让学生真正感受到工程电磁场这门课对社会生产、科学研究具有更深层次的应用价值，以及工程电磁场在众多交叉领域中起到的关键作用。通过培养学生对本课程的实践能力，可以让学生在实际生活中更好地分析问题、解决问题，并且能够找出问题的本质。

三、总结

工程电磁场是一门理论性很强的课程。对于应用型高校而然，不仅要重视学生的理论学习，更要体现本课程在实际应用中的价值，这两个方面缺一不可。对于理论学习而言，引入COMSL仿真软件可使许多复杂电磁场问题变得简单化，其中三维可视化的图表有助于学生对空间电磁场的理解。将仿真教学融入课程中，提高了学生的听课积极性。

通过以小组为单位设计大型综合实验来培养学生的创新能力，在实验过程中鼓励学生提出问题，并引导学生运用所学的电磁场相关知识解决实际问题。同时，鼓励学生参与和本课程内容相符合的创新创业实践项目，以培养学生的应用技能与创新能力，实现研究性学习。这不仅巩固了学生所学的基础知识，还提高了学生对工程电磁场课程的学习兴趣，从而提高工程电磁场的教学质量。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 李景丽，程子霞.工程电磁场教学改革初探[J].大学教育，2016（7）：97-98.

[2] 刘奕吟.以思维导图“巧”学物理[J]. 课程教育研究，2015（17）：171.

[3] 张群，侯健敏，杨丽.“电磁场理论”课程改革探讨[J].中国电力教育，2009（19）：115-116.

[4] 李健，马盼盼，李丽，等.本科生量子力学教学改革探索[J].科技创新导报，2016（26）：141+143.

[5] 张智，綦琼英. 《电磁场理论》教学中的几点创新感悟[J].世界华商经济年鉴·高校教育研究，2008（12）：160.

[6] 吴新开，曾照福，胡小虎，等.电器控制类实验教学改革[J].中国现代教育装备，2003（10）：18-19.

[7] 李佩佩，张丽丽，彭 勃.工程实践背景下电磁场与电磁波课程教学改革初探[J].电脑与电信，2014（11）：69-70.

[责任编辑：钟 岚]