“工程电磁场”教学改革初探
李景丽+程子霞
[摘 要]“工程电磁场”是电气工程专业学生应掌握的重要专业基础课程。针对课程特点以及目前教学过程中存在的问题，在教学内容上提出应增加工程应用背景内容，适当删减静电场部分内容，增加时变电磁场理论及其应用内容；在教学方法上提出应以工程实际问题为基础，课堂板书结合多媒体教学，并辅以软件仿真教学的多样化教学模式，提高学生自主学习意识，提升“工程电磁场”课程教学质量。
[关键词]工程电磁场原理；工程应用背景；教学方式多样化
[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2016）07-0097-02
“工程电磁场”课程以分析各类电磁现象的基本规律和应用原理与方法为核心内容，是培养合格的电气信息类专业本科生所应具备的知识结构的必要组成部分。[1]但是“工程电磁场”课程一直被认为是难教、难学的两难课程，究其原因主要集中在以下几个方面。一是课程要求学生具有坚实的矢量分析、微积分等基础知识；二是电磁场是人类无法直观感知的特殊形态物质，要求学生在学习和应用过程中要有较强的抽象思维和逻辑推理能力；三是经典理论内容与课时安排之间的矛盾导致目前教学方式主要以理论教学为主，缺乏经典且深入的工程实例辅助教学，导致学生学习该门课程的主动性欠缺。[2]针对以上问题本文从该课程特点出发，提出从教学内容调整、教学手段多样化等方面激发学生兴趣，提升“工程电磁场”教学效果。
一、教学内容调整
“工程电磁场”课程的前接课程为“大学物理”，与“大学物理”中的电磁学部分相比，“工程电磁场”更加重视以麦克斯韦方程为基础的宏观理论体系、工程中电磁问题的数学描述——边值问题及其求解方法、电磁能量和电磁力以及电磁场与电路之间的联系等，而大学物理中的电磁学部分内容更突出物理现象的实验描述及其机理的微观阐释，两者在电磁场麦克斯韦方程部分存在重叠。同时工程电磁场又与电类相关的工程实际联系紧密，就电气工程专业来讲，其后续课程“电路”、“电机学”、“电力系统暂态分析”、“高电压技术”等核心课程的基础理论及其应用分析均基于电磁场基本原理进行。因此建议在学生已有大学物理基础知识的背景下，对“工程电磁场”课程内容进行如下安排。
（一）适当减少静电场内容
“工程电磁场”在教学安排上遵循先静电场后时变场的思路，且静电场所占比例较大，但这部分内容中基本物理量、基本性质、导体和电介质、电容等内容学生在大学物理中有所接触，因此重点讲授静电场的边值问题及其解的物理意义。
（二）加强时变电磁场理论和应用部分内容
“大学物理”对时变电磁场部分内容仅限于电磁感应现象和结论，而时变电磁场特别是其中的时谐电磁场在电气工程、自动化等专业中有着广泛的应用背景，应是此门课程的教学重点，可适当增加授课学时；在内容讲解上可适当增加时变电磁场理论的具体应用和发展现状，有助于学生理解相关概念，提升学生积极性，提高教学质量。
（三）增加工程应用背景内容
“工程电磁场”这门课程有着广泛的工程应用背景，尤其在工程实践、科学研究以及日常生活中。[3]对电磁现象应用背景的介绍可以提升学生学习兴趣。比如结合所学内容可以讨论为什么封闭的接地金属导体可以屏蔽手机及其他电磁信号，微波炉为什么不能加热金属，变电站或输电线对附近居民身体的影响等问题，使学生深刻意识到本课程的工程应用性，而提高学习积极主动性。
在具体教学过程中根据“工程电磁场”以麦克斯韦方程为核心，静态场均为其在不同条件下的特例的特点，教学中应了解电磁场知识的总体结构，如表1所示，应突出静电场这一基本内容和时变电磁场这一核心内容，学会对比总结，方便理解和记忆。在课程的教学过程中应适当讲述散度和旋度、通量和环量的数学概念，从流体力学中流速场出发，形象化地重点阐明此概念的物理意义。因为“工程电磁场”中所涉及的四种场的基本性质都是以此概念为基础展开的。
二、教学方法
（一）课堂以问题为基础教学方法
“工程电磁场”这门课程在电类专业中有着广泛的应用背景，在教学中过程中可采用基于问题的教学方法。首先根据教学内容提出与工程实践和实际生活紧密相关的问题；针对问题引导学生思考将问题切分，并逐一介绍与子问题相关的基本理论知识；在知识汇总的同时由子问题解决方案逐步推导出所提问题的各种可能方案，并结合工程实践数据或结论验证提出解决方案的正确性；最后汇总与此问题相关知识体系，并扩展介绍在工程实际中的同类问题。这一过程中的难点是如何筛选具有一定理论深度并能够吸引学生的问题，从论题中逐步展开切分成一系列与基础知识体系对应的子问题，激发学生探究与子问题对应的教学内容，产生学习动机。[4]比如静电场学习中可提出：雷雨天气里的闪电是如何产生的？接闪器如何吸引雷电并如何释放巨大的雷电能量？学习恒定电场中电流场部分内容时，可引入雷击高压输电线路杆塔，雷电流在土壤中泄流导致杆塔附近鱼塘中的鱼大量死亡的新闻。时变电磁场内容的学习中可形象直观地给出发电机、电动机、变压器等时变电磁场理论的经典应用实例。通过诸如此类与工程实际、日常生活紧密结合的问题，不但可以引导学生学习工程电磁场的经典理论知识体系，并且培养学生遇到问题勤于思考，并能科学地借助相关理论分析问题，解决问题的能力。
（二）多种教学方式相结合
工程电磁场知识体系的学习需要学生具有的优秀的逻辑推导能力和抽象思维能力。教师在常规基础内容的PPT展示基础上，对部分重点数学推导知识进行板书推导，并对于不易理解的电磁场空间分布及时变特性进行动画及图形展示，如典型输电线路、电力设备的电场强度、电场线、电位分布图等，使学生在抽象理论知识的数学推导中对其对应的电磁场这种特殊形态物质有一个定量的形象化认识；对于时变电磁场相关知识内容，可制作精美的电磁场演示动画，例如电磁波在空气中传播特性、电介质在时变电场中的动态极化特性等动画视频，可直观反映电磁波传播特点，有助于学生对抽象的基本概念的理解。
（三）数值计算软件仿真教学
随着计算机技术的迅猛发展和电磁场数值计算理论的逐渐成熟，实际工程中的电磁场问题均可以通过相应的软件建模求解。电磁场数值计算软件众多，如：ANSYS、COMSOL、ANSOFT、HAFF等，且此类商业软件只需学生掌握基本理论知识，通过制作简单几何图形，选择求解域控制方程、自然边界条件、分界面的衔接条件等过程即可计算工程实际问题，结合相应的后处理即可得到直观形象的电磁场结果。这种充分利用最新科技成果的形象化教学可以培养学生的学习兴趣，使教学内容更加丰富充实，并得到理想的教学效果。
（四）作业模式的多样化改革
课后作业是巩固课堂知识，提升综合应用能力，反馈学习效果并据此改进课堂授课模式的重要方式。目前，课后作业大多为课后习题，存在理论性强、难度大、与工程实际联系不紧密等特点。部分学生由于没有兴趣或不能独立完成，而选择抄袭，然后向老师交差完事，并没有起到作业应有的效果。[4]因此为提升教学效果，完善整体教学过程，应对作业的内容、形式及考核方法进行改革。
减少课后习题的布置量，增加课程报告环节，即根据其基础知识内容对应设置多个工程应用课题，由学生分组自由选择并协作完成。设计的工程课题主要应包括以下几种类型：1.应用分析型，要求利用所学的电磁场知识计算分析简单电力、电子、通讯设备产生电磁场。2.编程验证型，要求通过C++、MATLAB等计算机语言编程实现简单电磁场问题的数值计算，并与经典理论对比验证。3.数值计算类，要求对实际工程中典型电磁场问题采用ANSYS、COMSOL等软件建立模型，求解，并进行简单分析。作业以报告论文为主课堂宣讲讨论为辅的形式提交，报告中应阐明解析计算、数值计算所用到的公式、原理，展示程序设计流程图及代码、数值计算模型，列写详细的分析和验证过程及计算结果演示等内容。
三、总结
“工程电磁场”是电类专业的专业基础课程，又是众多相关交叉学科和新兴边缘学科发展的基础，而该课程在目前的教学过程中呈现“教”、“学”两难的状态，如何提高该课程的教学效果值得探索和实践。本文针对该课程教学中的问题及其专业基础课的特点，在“工程电磁场”教学内容和教学方式方面初步改进措施，旨在培养学生抽象思维能力和逻辑推导能力，建立由问题出发、探寻基础理论、不断实践的科学学习方法，提高电磁场教学效果。
[ 注 释 ]
[1] 黄麟舒，柳超.疑难课程“电磁场与电磁波”中类比教学方法的探索[J].中国电力教育，2013（23）：68-70.
[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（5）：8-11.
[3] 汪东欣，潘雅缤.基于有限元法的工程电磁场形象化教学研究与探讨[J].大庆师范学院学报，2013（6）：135-138.
[4] 朱安福.“电磁场与电磁波”课程教学实践与探讨[J].中国电力教育，2013（26）：45-46.
[责任编辑：钟 岚]
[摘 要]“工程电磁场”是电气工程专业学生应掌握的重要专业基础课程。针对课程特点以及目前教学过程中存在的问题，在教学内容上提出应增加工程应用背景内容，适当删减静电场部分内容，增加时变电磁场理论及其应用内容；在教学方法上提出应以工程实际问题为基础，课堂板书结合多媒体教学，并辅以软件仿真教学的多样化教学模式，提高学生自主学习意识，提升“工程电磁场”课程教学质量。
[关键词]工程电磁场原理；工程应用背景；教学方式多样化
[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2016）07-0097-02
“工程电磁场”课程以分析各类电磁现象的基本规律和应用原理与方法为核心内容，是培养合格的电气信息类专业本科生所应具备的知识结构的必要组成部分。[1]但是“工程电磁场”课程一直被认为是难教、难学的两难课程，究其原因主要集中在以下几个方面。一是课程要求学生具有坚实的矢量分析、微积分等基础知识；二是电磁场是人类无法直观感知的特殊形态物质，要求学生在学习和应用过程中要有较强的抽象思维和逻辑推理能力；三是经典理论内容与课时安排之间的矛盾导致目前教学方式主要以理论教学为主，缺乏经典且深入的工程实例辅助教学，导致学生学习该门课程的主动性欠缺。[2]针对以上问题本文从该课程特点出发，提出从教学内容调整、教学手段多样化等方面激发学生兴趣，提升“工程电磁场”教学效果。
一、教学内容调整
“工程电磁场”课程的前接课程为“大学物理”，与“大学物理”中的电磁学部分相比，“工程电磁场”更加重视以麦克斯韦方程为基础的宏观理论体系、工程中电磁问题的数学描述——边值问题及其求解方法、电磁能量和电磁力以及电磁场与电路之间的联系等，而大学物理中的电磁学部分内容更突出物理现象的实验描述及其机理的微观阐释，两者在电磁场麦克斯韦方程部分存在重叠。同时工程电磁场又与电类相关的工程实际联系紧密，就电气工程专业来讲，其后续课程“电路”、“电机学”、“电力系统暂态分析”、“高电压技术”等核心课程的基础理论及其应用分析均基于电磁场基本原理进行。因此建议在学生已有大学物理基础知识的背景下，对“工程电磁场”课程内容进行如下安排。
（一）适当减少静电场内容
“工程电磁场”在教学安排上遵循先静电场后时变场的思路，且静电场所占比例较大，但这部分内容中基本物理量、基本性质、导体和电介质、电容等内容学生在大学物理中有所接触，因此重点讲授静电场的边值问题及其解的物理意义。
（二）加强时变电磁场理论和应用部分内容
“大学物理”对时变电磁场部分内容仅限于电磁感应现象和结论，而时变电磁场特别是其中的时谐电磁场在电气工程、自动化等专业中有着广泛的应用背景，应是此门课程的教学重点，可适当增加授课学时；在内容讲解上可适当增加时变电磁场理论的具体应用和发展现状，有助于学生理解相关概念，提升学生积极性，提高教学质量。
（三）增加工程应用背景内容
“工程电磁场”这门课程有着广泛的工程应用背景，尤其在工程实践、科学研究以及日常生活中。[3]对电磁现象应用背景的介绍可以提升学生学习兴趣。比如结合所学内容可以讨论为什么封闭的接地金属导体可以屏蔽手机及其他电磁信号，微波炉为什么不能加热金属，变电站或输电线对附近居民身体的影响等问题，使学生深刻意识到本课程的工程应用性，而提高学习积极主动性。
在具体教学过程中根据“工程电磁场”以麦克斯韦方程为核心，静态场均为其在不同条件下的特例的特点，教学中应了解电磁场知识的总体结构，如表1所示，应突出静电场这一基本内容和时变电磁场这一核心内容，学会对比总结，方便理解和记忆。在课程的教学过程中应适当讲述散度和旋度、通量和环量的数学概念，从流体力学中流速场出发，形象化地重点阐明此概念的物理意义。因为“工程电磁场”中所涉及的四种场的基本性质都是以此概念为基础展开的。
二、教学方法
（一）课堂以问题为基础教学方法
“工程电磁场”这门课程在电类专业中有着广泛的应用背景，在教学中过程中可采用基于问题的教学方法。首先根据教学内容提出与工程实践和实际生活紧密相关的问题；针对问题引导学生思考将问题切分，并逐一介绍与子问题相关的基本理论知识；在知识汇总的同时由子问题解决方案逐步推导出所提问题的各种可能方案，并结合工程实践数据或结论验证提出解决方案的正确性；最后汇总与此问题相关知识体系，并扩展介绍在工程实际中的同类问题。这一过程中的难点是如何筛选具有一定理论深度并能够吸引学生的问题，从论题中逐步展开切分成一系列与基础知识体系对应的子问题，激发学生探究与子问题对应的教学内容，产生学习动机。[4]比如静电场学习中可提出：雷雨天气里的闪电是如何产生的？接闪器如何吸引雷电并如何释放巨大的雷电能量？学习恒定电场中电流场部分内容时，可引入雷击高压输电线路杆塔，雷电流在土壤中泄流导致杆塔附近鱼塘中的鱼大量死亡的新闻。时变电磁场内容的学习中可形象直观地给出发电机、电动机、变压器等时变电磁场理论的经典应用实例。通过诸如此类与工程实际、日常生活紧密结合的问题，不但可以引导学生学习工程电磁场的经典理论知识体系，并且培养学生遇到问题勤于思考，并能科学地借助相关理论分析问题，解决问题的能力。
（二）多种教学方式相结合
工程电磁场知识体系的学习需要学生具有的优秀的逻辑推导能力和抽象思维能力。教师在常规基础内容的PPT展示基础上，对部分重点数学推导知识进行板书推导，并对于不易理解的电磁场空间分布及时变特性进行动画及图形展示，如典型输电线路、电力设备的电场强度、电场线、电位分布图等，使学生在抽象理论知识的数学推导中对其对应的电磁场这种特殊形态物质有一个定量的形象化认识；对于时变电磁场相关知识内容，可制作精美的电磁场演示动画，例如电磁波在空气中传播特性、电介质在时变电场中的动态极化特性等动画视频，可直观反映电磁波传播特点，有助于学生对抽象的基本概念的理解。
（三）数值计算软件仿真教学
随着计算机技术的迅猛发展和电磁场数值计算理论的逐渐成熟，实际工程中的电磁场问题均可以通过相应的软件建模求解。电磁场数值计算软件众多，如：ANSYS、COMSOL、ANSOFT、HAFF等，且此类商业软件只需学生掌握基本理论知识，通过制作简单几何图形，选择求解域控制方程、自然边界条件、分界面的衔接条件等过程即可计算工程实际问题，结合相应的后处理即可得到直观形象的电磁场结果。这种充分利用最新科技成果的形象化教学可以培养学生的学习兴趣，使教学内容更加丰富充实，并得到理想的教学效果。
（四）作业模式的多样化改革
课后作业是巩固课堂知识，提升综合应用能力，反馈学习效果并据此改进课堂授课模式的重要方式。目前，课后作业大多为课后习题，存在理论性强、难度大、与工程实际联系不紧密等特点。部分学生由于没有兴趣或不能独立完成，而选择抄袭，然后向老师交差完事，并没有起到作业应有的效果。[4]因此为提升教学效果，完善整体教学过程，应对作业的内容、形式及考核方法进行改革。
减少课后习题的布置量，增加课程报告环节，即根据其基础知识内容对应设置多个工程应用课题，由学生分组自由选择并协作完成。设计的工程课题主要应包括以下几种类型：1.应用分析型，要求利用所学的电磁场知识计算分析简单电力、电子、通讯设备产生电磁场。2.编程验证型，要求通过C++、MATLAB等计算机语言编程实现简单电磁场问题的数值计算，并与经典理论对比验证。3.数值计算类，要求对实际工程中典型电磁场问题采用ANSYS、COMSOL等软件建立模型，求解，并进行简单分析。作业以报告论文为主课堂宣讲讨论为辅的形式提交，报告中应阐明解析计算、数值计算所用到的公式、原理，展示程序设计流程图及代码、数值计算模型，列写详细的分析和验证过程及计算结果演示等内容。
三、总结
“工程电磁场”是电类专业的专业基础课程，又是众多相关交叉学科和新兴边缘学科发展的基础，而该课程在目前的教学过程中呈现“教”、“学”两难的状态，如何提高该课程的教学效果值得探索和实践。本文针对该课程教学中的问题及其专业基础课的特点，在“工程电磁场”教学内容和教学方式方面初步改进措施，旨在培养学生抽象思维能力和逻辑推导能力，建立由问题出发、探寻基础理论、不断实践的科学学习方法，提高电磁场教学效果。
[ 注 释 ]
[1] 黄麟舒，柳超.疑难课程“电磁场与电磁波”中类比教学方法的探索[J].中国电力教育，2013（23）：68-70.
[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（5）：8-11.
[3] 汪东欣，潘雅缤.基于有限元法的工程电磁场形象化教学研究与探讨[J].大庆师范学院学报，2013（6）：135-138.
[4] 朱安福.“电磁场与电磁波”课程教学实践与探讨[J].中国电力教育，2013（26）：45-46.
[责任编辑：钟 岚]
