《电磁场》课程教学方法改革研究

2022-03-16付钰伟陈驰王建华

教育现代化 2022年4期

付钰伟，陈驰，王建华

（西安理工大学电气工程学院，陕西西安）

一引言

电气工程及其自动化专业旨在培养具有解决电气工程技术分析与控制问题基本能力的高级工程技术人才[1]，其专业核心基础课包括《电磁场》《电机学》等。其中，《电磁场》是学习《电力系统分析》《高电压技术》等专业课程的重要基础，该课程从静电场和恒定磁场的基本规律出发，介绍了时变电磁场的相关性质和特点，讨论了电磁波的传输行为，内容理论性强、概念抽象，兼具应用性和实践性，具有较大难度。学生通常无法将理论知识和实际电磁模型联系起来，不利于后续深入学习相关专业课程[2]。因此，改善《电磁场》教学效果、调动学生主观能动性，对于提高电气工程专业人才培养质量具有重要意义[3]。

在互联网飞速发展的背景下，网络教学相较于传统课堂更具趣味性，充足的网络资源还可以帮助学生直观理解电磁场中抽象的梯度、旋度、散度等理论概念，培养学生对电磁场的学习兴趣。同时，线下教学手段作为辅助手段，增加教师和学生互动性，助力学生实现理论知识和实践操作的密切结合，大幅度提高教学效果。

二《电磁场》教学现状及问题

《电磁场》理论性较强、概念抽象、公式琐碎，要求学生具有扎实的高等数学知识基础和较好的空间想象力、抽象思维能力和逻辑推理能力，具有极大的教学和学习难度。一方面，由于课本上缺少对理论知识的严谨推导，不利于学生理解掌握，而课时、PPT、板书等因素的限制使得教师无法充分扩展知识面或引导学生深入学习，学生的数学基础也比较薄弱，导致学生只能机械式记忆公式却无法灵活分析问题；另一方面，由于教学资源有限、教学手段落后，部分学生难以将课本中的抽象概念与实际应用联系起来，无法跟上课堂节奏，最终失去学习兴趣[4-5]。

因此，本文对《电磁场》教学方法进行了改革研究，充分利用网络教学平台辅助学生进行空间想象和逻辑思考，避免机械式记忆结论，结合线下教学手段提高学生课堂参与实际模型分析的积极性，改善教学效果[6]。

三《电磁场》教改方案与实施

《电磁场》课程具有严密的逻辑组织结构，而传统教学基于课本理论和公式，限制了学生的空间想象和对实际应用的理解。下面举例说明基于网络教学平台的《电磁场》教改方案与实施。

（一）网络资源与线下教学结合，使抽象概念具体化

例如，《电磁场》课程要求学生掌握三种坐标系（正交坐标系、圆柱坐标系和球坐标系）下标量场的梯度和方向向量、矢量场的基本性质（通量和散度、环量和旋度）。如果教师只在传统课堂上进行公式推导或者画出简易图形，缺少直观动画展示，则会降低学生对知识的接受度，使得学习仅停留在记忆公式层面，无法推进知识扩展和深入学习。为解决上述问题，本文根据实际教学内容，首先利用合适的网络教学资源，将抽象概念具体化、实际化、动态化。例如，向学生展示了某个矢量场的散度场和旋度场的三维空间分布特点和动态变化特性，使得学生直观理解散度场和旋度场的正交关系；展示了通量和散度、环量和旋度之间的动态关系，使得学生充分掌握各个矢量场的物理意义。其次，采用线下教学手段引出工程实际中的电磁场模型，引导学生深入思考、大胆创新和主动学习，在分析模型的过程中采用严格的数学理论帮助学生定量理解各种抽象物理量的计算方法，解决理论知识和工程实际严重脱节的问题，提高学生主动学习的积极性。

例如，《电磁场》课程要求学生熟练掌握点电荷、线电荷、面电荷的电场计算方法，以及线电流、面电流、体电流的磁场计算方法。教师在讲授相关知识的时候一般通过简易图形向学生展示不同的电荷、电流分布情况，难以与实际情况进行结合，使得学生无法理解线电荷、面电荷、面电流、体电流等概念之间的区别与联系，更难以在实际计算中选择合适的积分方法，给学习带来了很大困难。为了解决上述问题，本文根据实际教学内容，首先利用合适的网络教学资源，向学生展示了不同的电荷/电流分布特点及其动态特性，使得学生对抽象概念产生直观印象；同时，将抽象概念与工程实际结合起来，讲述区分线电荷、面电荷、面电流、体电流的根本原因，加深学生理解。其次，采用线下教学手段带领学生对实际工程问题进行分析，同时注意选题的趣味性，引导学生采用合适的积分方法计算电场/磁场，激发学生主观能动性。

例如，《电磁场》课程要求学生理解介质的极化和媒质的磁化。教师在讲授相关知识的时候一般通过简易图形向学生展示介质极化和媒质磁化的基本过程，难以与实际情况进行结合，使得学生无法区分两者之间的关系，难以理解极化或磁化具体过程，更难以深入理解介质中的电场方程和媒质中的磁场方程，只能对公式死记硬背，给学习带来了很大困难。为了解决上述问题，本文根据实际教学内容，首先利用合适的网络教学资源，向学生生动展示了介质极化和媒质磁化的基本过程，使得学生对抽象概念产生直观印象；同时，将抽象概念与工程实际结合起来，讲述介质极化和媒质磁化在电力系统中的具体应用，加深学生理解。其次，采用线下教学手段带领学生对实际工程问题进行分析，同时注意选题的趣味性，引导学生采用合适的电场或磁场基本方程，激发学生主观能动性。

例如，《电磁场》课程要求学生掌握电磁波在双导体传输线上的传播特性，该部分内容与时变电磁场理论知识联系紧密。传统教学通常将核心公式直接传授给学生，缺少理论解释，导致部分学生虽然通过列举公式可以进行计算，但是难以深入分析结论背后的物理意义和工程指导价值。为解决上述问题，本文首先利用合适的网络教学资源向学生直观展示了双导体传输线上电磁波的电场和磁场分布特性、入射波和反射波的叠加特性，观察传输线长度、介质材料等条件改变后对电磁波传输特性的影响，引导学生理解表征传输线工作状态的关键参量及其对工程实际的影响。其次，采用线下教学手段推导电磁波动方程在给定条件下的解并结合网络资源进行定量分析，加强学生对电磁波在双导体传输线上的传播特性的理解和掌握。

（二）网络资源与线下教学互补，使理论知识实际化

例如，《电磁场》课程以架空输电线路下方电场计算问题为例，介绍了平面镜像法，进一步介绍了球面镜像法、介质镜像法和电轴法。平面镜像法是最简单的镜像法之一，由于实际案例较为简单，学生很容易掌握镜像电荷大小、个数以及位置的设置。而对于球面镜像法、介质镜像法和电轴法，教材中极少将其与工程实际问题结合，使得学生难以掌握复杂情况下镜像电荷的设置规律，只能机械式记忆电荷大小与位置的关系。为解决上述问题，本文首先利用合适的网络教学资源展示实际应用案例，强调球面镜像法、介质镜像法和电轴法的应用背景和实际案例，再将镜像法总结为照镜子，给出镜像电荷设置技巧和依据，帮助学生掌握分析相关问题的思路和方法，鼓励学生针对某一实际案例进行分析、讨论、计算和验证。

例如，《电磁场》课程介绍了时变电磁场方程组的一个应用实例——谐振腔，在微波频率段中广泛应用于波长计、滤波器等器件。《电磁场》课本以时变电磁场方程组为基础，通过大量复杂的三角变换和公式推导获得电磁波的解。传统教学主要集中在公式推导，使得课堂内容更加深奥枯燥，不利于学生把握理论知识和实际应用之间的关系。为解决上述问题，本文首先利用合适的网络教学资源展示实际应用案例，强调高频电磁振荡问题的重要性，再提出激发高频电磁振动的基本思路和理论知识，将学生的注意力转移到电磁场上。其次，在线下教学中鼓励学生积极探索解决该问题的方案，与学生一起讨论、验证方案的可行性，针对其中的典型方案进行具体分析，通过让学生自己动手解决问题来增强课堂趣味性，激发学生学习兴趣。

例如，《电磁场》课程以单元偶极子为基础说明了电磁辐射，进一步介绍了细线天线和天线阵等具体应用实例，但是由于天线结构复杂，涉及多维电磁场耦合，因此课本仅对二元阵电场平面图进行简单示意，传统教学中也仅仅对课本结论进行简单介绍，缺少深入分析，使得学生难以将天线工作原理与电磁场理论相结合。为解决上述问题，本文首先利用合适的网络教学资源说明天线广泛应用于通信、广播、雷达等领域，再深入展示天线周围辐射区域内电力线及磁力线的立体分布，说明天线如何对飞机、信号、生物等造成干扰，定性分析不同形状天线对辐射场的影响，最后结合线下教学对具体影响规律进行定量计算，推导辐射场的计算公式。

四《电磁场》教学效果及存在问题

在利用网络教学平台进行展示的阶段，学生可以反复观看教学内容，充分把握课堂知识点，加强对理论知识的理解，提高空间思考能力和逻辑推理能力，激发学习兴趣；在线下教学阶段，大部分学生能够积极思考、大胆创新，从而提高了分析问题、解决问题的能力。两种教学方式优势互补，极大地提高了教学质量，显著调动了学生主观能动性。通过对比往年的学生平时作业和期末成绩，改革后的《电磁场》课程通过率为95%，相比改革前提高了30%，因此改革后的《电磁场》课程具有更好的教学效果，卷面分析显示大部分学生对《电磁场》知识的把握不仅是背诵公式，而是能够准确完整地分析问题、建立模型、求解结果，达到了该课程的培养目标。

但是采用该教学方法时应注意以下问题：

（1）筛选合适的网络教学资源。网络上教学资源泛滥、质量参差不齐、难易程度不等，与教材、培养目标、课程重点等不一定完全匹配。如何根据教学目标、趣味性、资源质量和学生接受程度，筛选合适的网络教学资源，是教师应当注意的首要问题。教师需要长期对大量的网络资源进行深入跟踪学习，取长补短，根据课程需求对网络资源进行整合筛选，甚至要对部分资源进行重新编辑[7-8]。

（2）调动学生参与网络学习的积极性。在利用网络教学平台进行展示的阶段，少部分学生会因为无教师监管而放松自我管理。例如，部分学生反映在观看网络资源时，很难不被网络弹出的广告、信息等吸引，从而降低学习效率。因此，如何强调网络资源学习的重要性并集中学生注意力，是教师应当注意的问题。教师在选择网络资源时可以将重点放在更加生动活泼、具有趣味性的资源上，在条件允许的情况下，还可以采用绿色健康网络平台播放资源，同时强调网络资源学习的必要性和重要性，尽可能杜绝外界不利因素对学生产生干扰。

（3）合理配置网络资源和线下教学。在教学过程中，网络资源教学和线下教学的主次关系可以根据教学目标和学生的接受程度来合理配置。例如，利用网络资源重点解决抽象概念难以理解的问题，结合线下教学对实际工程问题开展建模、分析和计算，两种教学手段可以按照1：1时间比例进行配置[9-10]。

（4）夯实数学和物理基础。学生在学习《电磁场》课程时发现，大多数问题可以利用电磁场理论进行分析，但是积分算式难以列出，对于涉及矢量的面积分问题更是不知如何计算，反映出学生数学和物理基础薄弱，给《电磁场》学习带来极大困难。因此，教师还要注重数学知识的回顾，例如在求解例题时将每一个计算步骤解释清楚，或者全面总结电磁场常用的数学公式等。