电磁场课程教学改革的探讨

龚文英+李畸勇

摘要：电磁场课程在本校电气工程及其自动化专业和农业电气化与自动化专业中属于一门学科的基础选修课。本文根据电磁场课程难教难学的特点，从教材、教学内容、教学手段与方法、考核方式以及实践教学的开展等方面提出了改革措施，对提高教学质量是非常有效的。

关键词：电磁场课程；教学改革；考核方式；协同教学法

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）35-0102-03

一、引言

电磁场课程在广西大学电气工程学院是电气工程及其自动化专业和农业电气化与自动化专业的一门学科基础选修课。在高等数学、大学物理电磁学的基础上，通过本课程的学习，可以使学生进一步熟悉宏观电磁场的基本性质和基本规律，对电气工程中的电磁现象和电磁过程，能用场的观点进行初步分析；对一些简单的问题能进行计算；为学习后续专业课程（如电机学、高电压技术、防雷与接地技术等）或进一步研究电磁场问题，可以准备必要的理论基础。电磁场所涉及的内容是工科电类专业学生应具备的知识结构的必要组成部分，也是一些交叉领域的学科生长点和新兴边缘学科发展的基础。

电磁场课程的学习要求学生应具备良好的数学、物理基础，还要有较高的空间想象能力、抽象思维能力和逻辑推理能力。它理论性强、概念抽象、数学推导多且繁杂，是高校中公认的难教、难学的课程。基于该课程在专业学习中承前启后的重要性，如何消除学生对电磁场课程学习的畏难心理，提高学生学习的积极主动性，提高教师的教学质量和教学效果，就迫切需要对电磁场的教材、课程内容、教学手段及方法进行一定的改革与创新。

二、电磁场教材改革

本校电气工程学院的电气工程及其自动化专业、农业电气化与自动化专业以及电力工程与管理专业均开设有电磁场这门学科基础选修课程，而且本校的二级学院行健文理学院中电气工程及其自动化专业还将该课程定位为学科基础必修课。无论是选修还是必修，优秀的教材是吸引学生对课程感兴趣的第一要素。之前本校使用的教材是高等教育出版社1983年出版的由冯慈璋主编的《电磁场》（第二版），虽然理论上的东西变化不大，但是工程实例已经远远落后于当今时代了。现代科技日新月异，电磁场知识的应用已经深入到我们的民用、工用甚至军用等各个方面。为此，本校更换了教材，选择了2000年高等教育出版社出版的由冯慈璋、马西奎主编的面向21世纪课程教材《工程电磁场导论》。新教材仍然是以经典内容为主，注重电磁场的基本概念、基本规律和基本的分析计算方法，但更加注意理论与实践的结合，重视工程问题的电磁模型的建立和定性分析，有意识地培养学生从定性的方法入手提出问题和分析问题的能力。通过更新教材，可以与现代科学技术的联系更加紧密，不仅保证了其先进性，而且还可以使本学科充满活力、生气勃勃，激发起学生的学习热情、主动性和创造性。

三、教学内容改革

为了培养学生学习本课程的兴趣，讲好绪论尤其重要。这门课是学科选修课，以往第一次课都是介绍数学基础知识——矢量分析。可是有些数学基础薄弱的学生一见到梯度、散度、旋度，以及环量、通量这些概念中众多的求偏导、积分符号，马上就会对该课产生畏惧心理，严重损害了学生继续学习的信心。为此，本校在第一次授课中重点做好电磁场绪论的介绍。在电磁场绪论中，笔者先介绍电场、磁场、时变电磁场和电磁波的基本概念，进而介绍场与媒质的相互作用现象，场与源的关系，接下来是历史的回顾，引出重要的电磁场定律——电磁感应定律，以及著名的电磁场方程组——麦克斯韦方程组。最后介绍电磁场与波的应用，其中静电复印、静电除尘以及静电喷漆等技术都是基于静电场对于带电粒子具有力的作用；电磁铁、磁悬浮轴承以及磁悬浮列车等，都是利用磁场力的作用；当今的无线通信、广播、雷达、遥控遥测、微波遥感、无线因特网、无线局域网、卫星定位以及光纤通信等信息技术都是利用电磁波作为媒介传输信息的；B2隐形轰炸机应用了反射定律；立体电影利用了电磁波极化特性；全球定位系统（GPS）是信息载体的应用；等等。种种电磁场实际应用一下子就抓住了同学们的眼球，激发起同学们对学习电磁场课程的兴趣。电磁场看不见、摸不着，但在生活中又实实在在地存在。如果在课堂上只讲理论，不但枯燥，而且学生也不知学来有何用处，会影响学生学习该课程的自觉性。因此，必须把理论联系实际的教学理念贯穿于整个电磁场的教学过程中。

在課程内容的选择上遵循由浅入深、循序渐进的认识规律，突出重点内容。本校的电磁场课程先介绍静态场，后介绍时变场，重点加强对时变场的教学。静态场主要包括静电场、恒定电场和恒定磁场，在介绍完这三章的内容后，会进一步进行教学对比并做出总结，以便于加深学生对前三章内容的了解与掌握，比如“静电比拟”、“三种场基本方程的比较”、“静电场与恒定磁场分界面上衔接条件的对比”、“镜像法在静电场与恒定磁场中的应用比较”等，这一系列的对比让学生能更加全面、系统地掌握静态场的基本概念。之后重点介绍时变场的内容。学生在学习本课程前对时变场的认识仅限于大学物理电磁学部分介绍的电磁感应现象，且更多的是定性认识。内容调整后，电磁场课程加强了时变场部分的内容，包括电磁感应定律、全电流定律、电磁场基本方程组和分界面上的衔接条件、正弦电磁场、波动方程直到平面波和辐射，使学生可以更深入地掌握时变场的分析计算方法，了解电磁场理论的整个体系。

在整个课程学习中，在每一章的最后一节，都会介绍以本章理论知识为基础的工程应用实例，贯彻学以致用或者是理论联系实际的教学观点。课程内容结束后，通常还会布置学生完成一篇有关电磁场的课程论文，论文题目可以自拟，也可以从教师给定的命题中任选。例如，笔者给学生拟定的课程论文题目主要有：“我身边的电磁场”、“静电场理论在实际中的应用”、“恒定电场理论在实践中的应用”、“应用恒定磁场理论的工程实例”、“电磁屏蔽在实践中的应用”等。每篇论文要求字数不少于2000字，且要求有中英文摘要及关键词，并要求附上参考文献。论文成绩计入平时成绩，为避免学生完全抄袭，凡出现两篇一模一样的论文者，论文成绩均判定为0分。在论文的写作过程中，同学们不但要学会收集与整合资料，而且还要进一步加深对论文相关理论知识的认识和理解，为今后科技论文的撰写奠定坚实的基础。

电磁场课程内容多、学时紧，现在本校电气工程及其自动化专业的电磁场课程学时为45学时，每学时40分钟。为了在有限的时间内讲授完规定的内容，在教学过程中必须以教师为主导，以学生为主体，并充分发挥学生的积极主动性，这样才能取得良好的教学效果。

四、教学手段与方法改革

电磁场的课程特点决定了单纯使用一种教学手段不会有好的教学效果。因此，本校采取了传统教学手段与现代教学手段有机结合的办法。对于一些繁杂的公式推导以及例题讲解，一般采用传统的“黑板加粉笔”来逐步讲授，这个过程进度会比较慢，但教师可以对学生的思路进行一定的引导，并随时互动，有利于学生理解和消化某些知识点。而对于一些复杂的场图要在黑板上精确绘制则是很不方便，此时利用先进的多媒体教学设备则可以有效地解决这个问题。图1为两根细导线的场图。

利用先进的多媒体教学设备，采用PPT授课，文字、图片、视频、Flash动画甚至Matlab仿真演示交叉使用，图文并茂，形象直观，在学生脑海里建立起立体概念，可以有效帮助学生对理论内容的理解。

在教学方法的改革中，我们在课堂上尝试采用PI理论的协同教学法。Peer-Instruction理论是哈佛大学著名教授Eric Mazur创立的，变传统的单一讲授为基于问题的自主学习和学习之间的合作探索。在讲解某些重要知识点前，教师先给学生出一些概念测试题目，由学生分组思考作答，若小组成员间答案不统一，则相互讨论说服同伴并给出最终答案，之后再由教师对各组答案进行一定的点评与解析，并给出正确答案，同时讲解关键知识点。教师在整个教学过程中讲述内容的重点、难点和关键点，启发学生进行思考，营造出一个学生互动、师生协同教学的环境。通过某些能够影响学生认知能力的问题来调动学生的学习主动性，引导学生合作学习、积极讨论，培养其批判性思维，并使学生在获得知识的同时学会思考与团结合作，最后完全理解问题本质。电磁场的理论知识本就晦涩枯燥，引进协同教学法可以极大地提高师生间的互动，活跃课堂气氛，提高学生学习与思考的积极性与主动性，打破了传统教学中教师“满堂灌”的教学模式，教学效果十分明显。

五、考核方式的改革

考试方式的改革包括提高平时成绩的比例，且扩大了平时成绩包含的项目。本校将期评成绩中平时成绩的比例由原来的30%加大到40%，期评成绩=平时成绩×40%+期考成绩×60%。平时成绩部分包括作業、2次小测验、考勤、课程论文和课堂表现及答疑情况，由以上各项按照下式算出原始平时成绩：原始平时成绩=（作业总平均成绩+2次测验成绩之和×2+考勤成绩+课堂表现与答疑成绩×2+课程论文成绩）÷9。由于原始平时成绩普遍偏低，有时一个班有50%的学生低于60分，本校就将原始平时成绩在班上从高到低排序，并按高分到低分及其下表比例来评定学生的平时成绩。

期评成绩中加大了学生平时成绩所占的比例，且最终平时成绩评定也引入到了竞争机制中，这样就会促使学生更加重视学习过程，在平时的课程学习中投入更多的精力，其学习效果也会更扎实、更有效。

六、鼓励学生参与各类实践项目，学以致用

电磁场理论在实际生活中无处不在，为了培养学生的科研实践及创新性思维能力，本校鼓励学生积极参与各种大学生创新创业训练计划项目、全国大学生电工数学建模竞赛以及教师的各类科研项目，帮助学生运用理论知识来解决实际问题，在实践中实现教学相长。近年来学生参与的科研项目主要有：基于电磁感应式手机无线充电技术研究、高压标准电容器电场计算及设计、永磁无刷直流电动机电磁计算和优化设计、500kV同塔双回紧凑型输电线路电场计算、钕铁硼永磁无刷直流电动机电磁场有限元分析等。参与项目的学生在实践中得到了极大的锻炼，收获颇丰，同时其在实践中碰到的电磁问题也进一步丰富了教师的教学案例。

七、结论

电磁场课程的特点是难学、难教，而修读该课程对学生后续专业课的学习又是极为重要的。为了提高学生的学习兴趣，本校在教材、课程内容、教学手段与方法、考核方式以及鼓励学生参与科研项目等方面尝试做了些改革，实践证明，这些措施对提高电磁学的教学质量是十分明显的。

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