“电磁场”课程教学改革的研究

肖春燕

(北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院,北京100191)

“电磁场”课程在电类专业课程中占有重要学科地位,是基础课与专业课之间的桥梁。然而,“电磁场”课程理论性强、概念抽象和数学推导繁多等特点,因其被认为是一门难教的课程。如何提高该课程的教学质量和教学效果,一直是教学改革探索和实践的课题。

1 教学内容的研究

1)理论与应用相结合

电磁场中电场强度和磁感应强度的不可见的特性,只能通过数学公式进行描述。在讲授电磁场理论时应与其实际应用相结合,巧用实例教学。电磁场与电磁波应用广泛,电磁波谱中的每个频段都有很多的应用实例,若按照用途分有:①能量转换,如发电机、电动机和变压器等;②信息传递,如无线电通信、广播和电视等;③能量和信息的输送,如电力网和有线电话网等;④目标探测,如雷达、导航、遥感和地球物理探测等;⑤疾病诊断和治疗,如核磁共振成像和微波治疗等;⑥交通运输,如磁悬浮列车和电磁推进船等;⑦感应加热,如电磁炉、高频淬火和高频切割等;⑧介质加热,如微波炉和微波干燥机等。

教师应紧跟科技发展前沿,才能将最新的研究动态和研究成果补充到教学中去,以增强教学内容的先进性和系统性。但应注意对电磁前沿理论及其应用的讲解要适度。我们选用参考文献[1]作为教材,同时自行开发了部分多媒体软件,选用了电磁领域的应用实例及其适用的章节。如表1所示。

表1 电磁领域的应用实例及其适用的章节

2)教学内容与国际接轨

“电磁场”作为电气工程学科的一门经典课程,国内外各大高校的电气工程及其自动化专业几乎都开设了这门课程。如麻省理工学院的开放课件,成为全球教育机构的资源获取、课程发展和信息分享的来源。所涉及的电磁场课程就有“电磁学及其应用”、“电磁理论”、“电磁学”、“电磁波理论”、“高等电磁学”和“电磁场、电磁力和电磁运动”等,其中的部分课程是针对研究生开设的。授课教师可以直接借鉴这些开放课件材料,包括讲义笔记、课程提纲、习题和阅读书目等。同时,学生也可以将这些资料用于自学。尤其值得一提的是,还可以引用国外优秀教学视频,将开放教学视频中的一些内容移植到课件中。

2 教学方法和教学手段的研究

1)突出教师的中心地位

“电磁场”课程内容多,大多数院校将该课程安排为48～56学时,时间非常紧。教师如何才能做到将要求学生掌握的内容讲清楚?笔者认为,必须突出教师的中心地位。

教师必须在有限的课堂教学时间内组织好教学,在课后还要留给学生思考的空间,选择适量的讨论课题或者通过学生对教师科研课题的参与等途径,来提高学生的学习兴趣。

2)适度应用教学软件

计算机的辅助教学是提高教学质量和效果的重要手段。多媒体技术的应用不是简单地使用PPT文件,应该充分利用 Matlab,Flash和 Ansys/Emag、Ansoft/Maxwell和 MagNet等有限元仿真软件设计和制作“电磁场”课程的多媒体辅助教学软件。以便实现电磁场理论中场图的可视化,使抽象的理论教学变得具体而形象,展示电场强度、磁感应强度等物理量在时间和空间上的分布。例如电磁波在空间的传播状态和传输线上的场分布等。

以下给出几个计算机辅助教学软件应用实例。

[例1:静电场的模拟]图1给出了采用Matlab软件中的contour()函数给出的等量同号和等量异号点电荷在无限大真空中产生的等位线图。该图不仅可用于矢量分析章节中等值面几何表示的介绍,而且还有助于掌握静电场的特性。

[例2:脑电模拟]图2给出了采用Matlab软件中的contour()和streamline()函数实现的脑电模拟结果,可用于稳恒电场特性的讲解以及对稳恒电场特性的掌握。

[例3:涡流场的模拟]图3给出了采用Ansoft软件仿真得到的置于半无限大导体上方通有时谐电流的电磁聚焦线圈在导体中产生的涡流场,这有助于对趋肤效应的理解和涡流无损检测技术的了解。

图1 等位线

图2 脑电模拟

图3 导体中涡流场剖面图

[例4:电偶极子和磁偶极子天线模拟]图4给出了采用Matlab和Flash软件制作的电偶极子和磁偶极子天线[2]电磁辐射的三维动态模拟结果,有助于掌握天线辐射特性。

图4 天线辐射动画截图

3)留给学生参与教学的机会

教师应当留给学生参与教学的机会,例如专题讨论或者实验。专题讨论课题要根据学生的个人特点给出,其目的有以下几个:①提高学生的学习兴趣,加深对课程内容的理解和掌握;②通过电磁场理论应用的讨论课,让学生可以解释电磁现象,切身感受电磁场理论给人类生活带来的改变,有条件的还可以在实验室进行验证;③针对部分对电磁场理论感兴趣的学生,培养其科研素质,为研究型人才的培养做准备。

值得注意的是,尽管“电磁场”这门课程很重要,但是还要考虑学生现有的知识结构,教师留给学生的思考问题既要适量又要适度。

(4)鼓励学生参加科技活动

电磁场的应用范围较广,很容易让学生将所学理论与科研实践结合起来。近年来,我校面向本科生开设了大量课外科技竞赛活动,给学生的动手实践、科研和独立创新能力的培养提供了平台。我校本科生目前可参与的项目有SRTP项目、全国大学生电子设计竞赛、挑战杯全国大学生课外学术科技作品竞赛和“冯如杯”科技竞赛等。

(5)向学生介绍电磁发展史

教师应当鼓励学生了解一些电磁场理论发展历史,阅读麦克斯韦、库伦、奥斯特、法拉第、安培和特斯拉等科学家的人物传记,如《电磁通论》[3]、《麦克斯韦》[4]、《破解电磁场奥秘的天才麦克斯韦》[5]和《被埋没了的天才—科学发明家特斯拉传记》[6]等书籍。这会有助于学生消除对课程的神秘感,可以了解科学家们的科学研究方法,培养自己的科研兴趣,从而激发学生学习“电磁场”课程的积极性和主动性。

4 结语

笔者通过对“电磁场”课程几年的教学体会,总结出了一些提高该课程教学质量和效果的方法,包括:突出教师的中心地位,留给学生参与的机会;板书与多媒体辅助教学有机结合;通过课外科技活动、推介电磁场发展史等激发学生学习兴趣和主动性。在教学内容上电磁理论与应用相结合,引入电磁前沿科学;与国际接轨,引用国外优秀教学视频等,收到了很好的教学效果。

[1] 雷银照.电磁场[M].北京:高等教育出版社,2008

[2] 彭芳麟.数学物理方程的Matlab解法与可视化[M].北京:清华大学出版社,2004

[3] 杰姆斯·克勒克·麦克斯韦 著,戈革译.电磁通论[M].武汉:武汉出版社,1994

[4] C.W.F.埃弗里特 著,瞿国凯译.麦克斯韦[M].上海:上海翻译出版公司,1987

[5] 周兆平.破解电磁场奥秘的天才麦克斯韦[M].合肥:安徽人民出版社,2001

[6] 玛格丽特·切尼著,唐建文译.被埋没了的天才—科学发明家特斯拉传记[M].北京:科学普及出版社,1985