科研案例式“工程电磁场”课程改革与实践

嵇艳鞠，栾 卉，邱增凯，万云霞，杨大鹏

(吉林大学仪器科学与电气工程学院，吉林长春130026)

0 引言

“工程电磁场”课程是电气工程及其自动化专业的重要基础必修课。随着高校教学改革的推进，我校“工程电磁场”课程学时逐渐减少，包含实验在内共48学时。该课程存在如下几个问题:①内容与“大学物理”课程的电学部分有较多重叠，缺少新鲜感;②涉及数学中散度和旋度等概念抽象，定理、推导证明和场量运算较多，学生学习困难[1];③授课内容与电磁工程技术联系不紧密，缺少电磁场在现代工程技术中的应用实例;④忽视课堂上物理现象的演示和实验，现代的计算机多媒体教学并未真正起到直观、可视化的效果。

本文针对“工程电磁场”课程在教学过程中存在的上述问题，开展研究性教学实例设计与实践，提出了科研案例式研究性教学方法。我们在“精炼内容、设立项目、仿真实践、课外拓展、考试考核”等几方面，形成代表性和规范性的研究性教学实例，充分调动学生学习的积极性，培养学生的创新精神，提高他们的基本理论分析、电磁场仿真能力，拓宽专业视野，提升学生的科学研究能力，为培养高水平的研究型大学生奠定基础。

1 精练内容的基础型项目

在学生已经学完“大学物理”和“电路分析”两门课基础上，我们为了避免内容重复，需要将“大学物理”的知识结构和“工程电磁场”课程进行认真分析，合理取舍。我们还将静电场、恒定电场和恒定磁场的知识体系，进行整体归纳，融会贯通，类比讲授，帮助学生建立起“场”和“电磁能量”的概念，突出镜像法、一维泊松方程和拉普拉斯方程求解方法，解决学时少与内容多的普遍性矛盾[2]。在学生已掌握基尔霍夫定律等电路分析的基础上，将“场与路”有机结合，快速理解和计算场中的电导、电容、电感等参数。同时注重挖掘学术深度，基于Matlab仿真平台，设立基础型项目，主要开展电偶极子的位场分布、磁偶极子的磁场分布、接地极附近的跨步电压、圆形或方形线圈的磁场分布、两传输线的磁场分布、三相架空线路的电容、电感参数的计算和线圈的互感等计算。

2 强化实践内容的可视化仿真项目

我们充分利用Ansoft、ANSYS等仿真平台，选取电气工程中一些典型的实际问题进行仿真分析[3，4]。主要包括:平行板电容器电场分布、同轴电缆的电容和能量仿真、接地极附近的跨步电压、两传输线的磁场分布、电偶极子电磁场辐射、电磁波极化以及电机的磁场仿真等。图1和图2给出了学生课外实验的仿真结果。通过可视化仿真项目的实施，可形象直观地展示如电力线或磁力线分布矢量图与等位线云图。

图1 接地电极内外电位分布

图2 两传输线磁场分布图

3 科研热点型创新实践项目

我们基于静态场、时变场的研究热点和前沿问题，结合教师团队的科研项目、自然基金和国家863子课题等，将科研项目的研究内容与“工程电磁场”课程内容有机融合，设立了多个学生科研型项目。项目内容主要集中在:电偶极子和磁偶极子在层状媒质中电磁波传播、频率域电磁探测系统模拟装置和三相架空线路中电感参数计算，三相架空线路周围电磁场干扰和辐射研究，地学仪器中电磁干扰屏蔽研究，航空电磁探测系统中圆形线圈、方形线圈和多边形线圈间互感计算以及点源直流有限差分数值计算等研究。

一个例子是863子课题“吊舱式时间域直升机航空电磁勘查理论研究与系统”的项目研究需要计算任意姿态的发射线圈和接收线圈互感。由于两线圈互感计算是“工程电磁场”课程的一个重要知识点，我们为此设立了任意姿态、任意位置的圆形与圆形线圈、圆形与方形线圈、方形与方形线圈之间互感计算等课外项目。图3给出了圆形与方形线圈互感计算GUI界面，图4给出了圆形与方形线圈互感计算曲线，计算结果与Ansoft计算结果完全一致。

图3 互感计算GUI界面

图4 互感计算曲线

我们根据这些项目的难易度、工作量和创新性，可以将其分别确定为课外实验项目或大学生创新项目SRTP。学生通过参与科研项目的研究，不仅培养了文献阅读、综合分析、创新思维能力，而且培养了项目管理、团队合作和综合解决问题能力[5]

4 前沿探索型课外拓展项目

我们鼓励学生在学习中研究，在研究中学习。在教学过程中给学生布置了一些有关电磁场的研究方向，他们查阅科技文献、再根据自己的研究兴趣选题立项，此后开展研究，最终撰写综述论文。

探索型项目主要包括感应式无线电磁能量传输、磁共振无线电能传输、无线红外遥控、超声波测和电磁辐射监测等前沿科学研究内容。通过电磁场的课外项目的设立，学生不仅可以研究一些课内教学内容的延伸和扩展问题，拓宽课程视野，且可提升科学研究能力。

5 考核考试改革

本课程在考核方面采取了两种办法，分别为试卷考核和课外项目考核，学生可根据自己情况，选择任意一种考核方式。

在试卷考核中，期末试卷分数占总成绩的60%，平时成绩占总成绩的40%。试卷部分采用多样化考题，增加了课程实验内容和课外拓展部分的内容，这部分占卷面分数的15%，目的是考核学生的课外知识面。在平时成绩部分，主要考核学生的课内随堂测试、期中考试、课外PPT、课堂作报告交流和课外综述论文等情况。

在课外项目考核中，项目报告占总成绩的40%，仿真程序和结果、验收占总成绩的60%。学生可以根据自己实际能力选择2个项目，选择1个基础或1个仿真项目+1个科研或探索项目，在16周内进行研究并完成。课外项目主要考核学生的理论仿真、分析和解决问题的综合能力以及创新思维的能力。

6 结语

我们在总结“工程电磁场”的课程教学上存在问题的基础上，开展了“工程电磁场”课程的教学改革研究与实践，设立基础型、仿真型、科研型和探索型不同类型的课外项目。我们通过这些项目的实施，不仅提高学生学习基础理论的兴趣，而且激发和培养学生的科研能力和创新兴趣。2010级学生参与课外项目共有9人，其中5人推荐攻读硕士研究生;参加创新项目学生共有30人，其中有6人推荐为硕士研究生，选作电磁场仿真类毕业设计的学生。

本课程的教学案例，对于诸如“信号系统分析”和“连续与离散系统”等理论性较强的基础课教学改革提供了新思路，对其它学科课程教学改革也具有借鉴价值。

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

[2]万云霞，凌振宝，嵇艳鞠.模拟法描绘静电场实验方法[J].上海:实验室研究与探索索，2009，28(11):31-33.

[3]庄亚强，张旭春.基于Matlab的静电场镜像法可视化软件的实现[J].石家庄:价值工程，2011，31:87-89.

[4]司文建等.基于Matlab的亥姆霍兹线圈轴线磁场均匀分布的动态仿真[J].许昌:许昌学院学报，2010，29(5):72-74.

[5]方进.建设有特色的工程电磁场教学体系，促进学生创新能力培养[J].芜湖:安徽师范大学学报(自然科学版)2011，34(1):42-45.